用0.13微米工艺实现低成本多处理器平台

有时候，用最新和最好的工艺技术设计一款 SoC（单片系统），并不是影响成本敏感的消费电子市场的方式。LSI 工程师在设计 LSI 的 1020 多媒体应用处理器平台时，就认真地关注着这个经验。

1994 年 12 月，教育电子公司 和 IP（知识产权）开发商 Koto 委托LSI 公司创建一个多处理器 SoC，以运行 的 VFlash “寓教娱乐系统”（图 1）。LSI 过去是一家 供应商，一直在向销售标准产品过渡。因此，当 委托 LSI创建SoC 时，LSI 的管理层决定抛弃传统的 设计，而采用一种 通用多媒体处理器平台。

项目架构师 Shinya Fujimoto 称，他的 LSI 设计团队必须在几项约束下工作：建立一个通常模块化的多处理器平台，这样 LSI 工程师可以通过块的交换，快速创建出派生产品；采用成熟的 0.13 微米低功耗工艺技术实现 SoC，使成本保持在合理的低位，并且仍能达到性能与功耗目标；最后，在九个月内完成初始SoC平台。

Fujimoto 说：“我们的背景是从事消费类。我们做过 PlayStation 和 PlayStation2 中的芯片，以及某些 iPod 设计，并且，在这些产品开发期间，我们注意到自己在重复调整芯片中非关键部分时花费了大量时间。这就是我们决定开发这一架构的原因。”

Fujimoto 称，定义 架构的第一步是要符合 VTech 和 Koto 的系统架构。他说：“我们试图从客户那里获得尽量多的反馈乃至抱怨，以确定设计过程中的潜在瓶颈。”

Fujimoto 称，Zevio 不是一个典型的应用处理器（图 2）。他表示：“我把它叫做一个异种多处理器。它有多个处理器，它们各不相同，但并行运行，每个处理器都专门完成一些自己擅长的任务。”

团队确定，SoC将包括一个用于一般处理的处理器。LSI小组将创建一个定制的图形处理器，以及音频控制器核与内存控制器核，而设计将包括一个LSI Logic的ZSP DSP核，用于完成更多的即时解码与编码型应用。据Fujimoto说：“对我们来说，关键是让多个处理器独立地运行。”这意味着，每一个处理器都是自己的主控者，无需CPU干预就可完成自己的运行。“我们必须确定它们都能高效地运行，不会造成总线或内存的瓶颈问题。”

采用成熟的低功耗 0.13 微米工艺（从一家未披露名称的台湾伙伴处获得）做设计实现，而不是采用 90 纳米或 65 纳米工艺，这有助于保持芯片的低成本，稳定电源管理，并且避免使用 DFM（可制造性设计）工具，所有这些都加快了设计进程。Fujimoto 称，该芯片面向成本低于 100 美元的系统应用。“任何人都可以造出一款巨大的芯片，但有些人正在努力挣扎，尤其是那些无名的视频游戏供应商，因为增加的芯片成本都要进入消费产品费用中。”

Fujimoto 指出，很多公司过快地跳到了最新最好的工艺，而他们本可以用更成熟和更稳定的工艺完成更多任务，例如用 0.13 微米工艺。“有些人不考虑 0.13 微米，认为它比较低端，但我们感觉可以通过智能工程化建立一个高端设计。客户会从竞争者那里听到很多有关高性能的故事，这个那个，全是一些浮夸的词藻。但到最后，还是要归结到花了钱就要获得最好结果。”他坚持认为，0.13 微米工艺的成熟、成本、性能构成了最佳选择。

LSI 希望 Zevio 成为一个可重用平台，而不只是一片 ASIC，于是一个关键的要素是建立一个独特的内核，可以将它与一系列 LSI 甚至第三处方供应商的内核结合起来。但是，架构规范的一个主要部分是新式图形处理器内核设计。LSI 与 IP 供应商 Koto 合作开发 Zevio 的 3D 图形处理内核。Fujimoto注意到，以前曾有多个 Koto 工程师在任天堂 GameBoy 设计团队中工作。Fujimoto 说 LSI 在这个领域中几乎没什么阅历，因此欢迎 Koto 的经验。“他们为软件开发人员需要的特性提供了大量经验，帮助我们将很多这类技术诀窍转化为硬件。”

Koto 的团队完成了大部分规范工作，并对内核做了验证，而 LSI 设计者则负责内核的设计和 RTL 实现。16位的3D图形内核只需要 30万个门，在 75 MHz 运行时功耗为20mW，每秒可以画 150 万个多边形。

Fujimoto 指出，其它潜在的瓶颈是内存控制器及其与系统内存的接口。据芯片设计者讲，虽然他们很容易做出一个32位总线接口，使之快速运行并得到所需性能，但 LSI 必须考虑如何从一个16位接口内存获得相同的性能，以实现好的成本效益。

设计团队必须从头设计一个高效的控制器内核，它将采用一个16位 接口，并且考虑了效率仲裁（图3）。Fujimoto 称：“当查看一个16位接口时，我们关心的是获得一个很好的时序窗口，以便向 发送很多指令。”Fujimoto指出，控制器可以在每个总线时钟周期取得两个字。“我们申请了该技术的专利。它使我们能够有效地用这些时序槽打开多个内存库。”Fujimoto认为这一进展是架构中的关键创新。

团队编写控制器的 RTL，然后运行概念验证仿真。他说：“我们看到了很多优于典型内存控制器设计的改进。在这个阶段，我们证明了可以在一个 16位接口上获得良好的性能。”

Fujimoto 称，接下来，团队要查看有关的总线协议瓶颈。他们决定 采用流行的 ARM AMBA（先进微控制器总线架构）AHD（AMBA 高速总线）协议，但必须寻找克服AHB中部分低效的方法。他说：“我们必须看到，它无法突发式写入随机地址，并且不能规定足够多的突发写入。”为了解决这些问题，团队自己编写了 AHB 扩展，使内存控制器的效率翻了一倍。

在解决了规范阶段的多数问题以后，设计团队（其时有10个~15个设计与验证工程师）开始作RTL设计。Fujimoto将他的团队划分为多个小组。他说：“一个小组专注于内存控制器，一个管图形内核，另一个做音频内核，其它小组负责整体集成。”

Fujimoto称LSI的传统方法是让每个小组作设计，然后验证各个单独的块，最后用仿真器将这些块与系统中的其它核作验证。但他的团队这回首次采用了一种原型化系统，对图形核、内存控制器和一个 LSI 开发的器作验证和软、硬件的确认。

Fujimoto说：“在一个仿真环境中验证这个设计可能会有太多的极限情况。这是我们第一次采用原型化系统。回想起来，我们应该在设计早期对各个内核多做一些验证。”Fujimoto回忆说，一旦系统工作起来，事情就会进展得很快：“当我们遇到问题时，我们可以在连接到 FPGA 原型板的 屏幕上看到它。我们可以简单地停下调试器，查看错误发生处的内部寄存器。”

小组还找到了一些后来证明是 FPGA 编程软件中的错误（而不是设计的）。Fujimoto 说：“我们并不知道正在对付的错误是否是工具供应商造成的。FPGA 供应商提供的 控制器也有问题。”

Fujimoto 指出，图形小组在规范阶段创建了一个图形核的 C 模型。Fujimoto 说：“我们本可以用这个 C 模型作验证，但要做太多工作才能更新 C 模型和 RTL。”他指出，如果你采用一种固定的规范，则可以用 C 模型方法，此时可以用 C 模型输出来验证 RTL 的输出。但在 LSI 的案例中，当开始 RTL 时规格并未全部完成。他说：“一旦我们的 FPGA 系统开始运行了，我们就抛弃了 C 模型。”当设计在 FPGA 原型化系统上稳定下来时，小组还开始了驱动程序的初步开发。

原型电路板成为了验证电路板的基础，LSI 现在向希望用 Zevio SoC 开发其它系统的客户提供这块验证板。当小组的 RTL工作稳定下来后，便运行一个试验和一个试验布局，在初步布局的一部分中填充“空门”，以获得有关区域与核尺寸的一个粗略思路。Fujimoto 称他的团队由Synopsys 作，而由Magma 作布局和布线。

Fujimoto 称，实验布局对确定内存块的正确布放尤其重要。设计中带有 240 kB 。因此，Zevio 布局小组必须与 RTL 小组一起工作，将各个块分解，以保证多个核能够高效地访问内存，而不致占用太多的布局空间。他说：“我们有这么大的内存，但我们同时允许图形引擎和 DSP 访问相同的内存。在功能寄存器中，我们指定了哪个核有权访问内存，哪个将访问，这样我们就必须为 DSP 和图形引擎预先定义某些段。”为实现这个目标，布局与 RTL 小组通过多次重复，确定了内存的最佳布局。最后，整个 Zevio SoC 包含200万个门。

为保持设计低功耗，小组采用了一个多电压阈值的 0.13 微米库。Fujimoto说：“我们的想法是，将整体设计用所有低泄漏、低性能门作，然后确序中的瓶颈和关键路径，并将这些路径转换为高速门。”通过这个过程，团队就能够实现低泄漏与高性能晶体管的正确混合。

Fujimoto 称物理验证和设计出带都相当顺利。“原型硅片回来了，三天以后，我们所有的演示都在实际系统上运行起来。客户能够提前一周回家。采用成熟的技术，以及在过程的早期作验证和预备工作，所有这些都得到了真实的回报。”

电路板开发的快速“结束”也意味着 VTech 的软件小组可以快速地进入产品开发阶段，最终使 VTech 在 2006 年圣诞期间及时将系统推向市场。

但是，VFlash 并非 Zevio 系列产品的唯一应用。事实上，Fujimoto 称由于设计团队创建的 SoC 模块化，LSI 可以为其它客户的应用作修改。Fujimoto 说：“我们平台的设计目标是，只需六个月就能创建出派生的平台。”

他指出，模块化平台使用户能够相当容易地将 ARM 核换成 核，因为 LSI 同时拥有两者的许可。用户还可以换用一些外设核。LSI 正在为系统增加 USB 支持。Fujimoto 称，下一代 Zevio 平台也将很快用 DDR 代替 。虽然 Koto 为平台创建了最初的操作系统，但 LSI 正在扩展该平台支持的操作系统数量，现在可以工作在 OS 和 Windows CE 上。

Fujimoto称，他的团队已在 Zevio 上为一个匿名客户完成了另一个项目。他说，硅片已经生产，但该客户还没有推出产品。

LSI 在 2004 年 12 月开始 Zevio 规范的制定过程，在 2005 年底启动设计，在 9 个月后的 2006 年 9 月进入生产。

Zevio 项目是消费市场中成功的又一个案例，说明成功并非总是意味着采用最新最好的工艺技术实现最快的 SoC。LSI 的团队在架构阶段作了大量规划，并在整个过程中做了一些创新的工程实践，建立了一个比较强大而有性价比的平台，帮助 VTech 抓住了市场窗口，LSI 也获得了一个帮助其它客户实现商机的通用工具。我们颇有兴趣的是 LSI 会在多长时间内将 Zevio 继续作为可行平台，以及能为其它客户创造出多少派生产品。