為了降低晶體管尺寸,，提高性能,，降低功耗和提供安全,，芯片制造商越來越重視軟件建模。

回溯半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)軟件建模的演變,，可以追溯到上世紀(jì)90年代的軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)的大型芯片制造商和系統(tǒng)公司采取了這種方案,。尤其是隨著客戶對芯片需求的日益增加,，這些日益復(fù)雜的SoC就必須內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和嵌入式代碼，引致軟件的流行,。

而隨著晶體管尺寸的變小,，帶來了芯片功耗和熱量的問題，除了大公司,，很多小公司也開始將目光投向了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的軟件建模,。

有幾個(gè)因素引致了技術(shù)“方程”的轉(zhuǎn)變：

（1）主流的工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)集中在65nm以下，這就讓漏電電流成為產(chǎn)業(yè)關(guān)注的首要問題,；

（2）越來越多依賴于電池供電的移動(dòng)設(shè)備,，讓芯片功耗成為關(guān)注重點(diǎn)；

（3）很多芯片采用了異構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì),，讓其整體的功耗預(yù)算比過往更緊張,，而新時(shí)代的設(shè)備需要頻繁的與外界通信,，傳輸數(shù)據(jù)，這無疑加劇了功耗問題,。

最初,，我們解決問題的方式增加芯片的核心數(shù)，但這會引致一個(gè)新的問題,，那就是對大多數(shù)應(yīng)用來說,，究竟多少個(gè)核心才是正確的選擇？在很多的應(yīng)用方案里,，即使在現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)多線程和并行計(jì)算的大潮流下,，兩個(gè)或者四個(gè)核心是最優(yōu)的選擇。

從某個(gè)方面看,，根據(jù)硬件內(nèi)部“交流”方式的不同,，可以引致軟件的改變。例如可以在一個(gè)處理器周期內(nèi),，通過軟件讓芯片執(zhí)行更多的工作,。同時(shí)它也能有兩個(gè)核心，有可能多大八個(gè)核心,。尤其當(dāng)其中的一些工作能夠被解析成不同的操作,，這就方案就更有效了。

同時(shí)軟件還能提供更高的彈性和可靠性,，在設(shè)計(jì)周期早期階段介入,，給設(shè)計(jì)提供幫助，并在產(chǎn)品上市之前清理掉這些代碼,，而不是通過通過后期添加補(bǔ)丁的方式實(shí)現(xiàn),。

Cadence的Frank Schirrmeister表示，軟件建模的目的是構(gòu)造軟件和硬件互相影響的新模式,。例如包含了重組序列,，減少緩存的重載。而這會對功耗造成很大的影響,。

軟件建模也會對設(shè)計(jì)流程產(chǎn)生重要的影響,。軟件的改善能夠影響芯片設(shè)計(jì)過程中的資源的選擇。這包括了存儲類型,、處理器類型和硬件加速器,。這種模型同樣能夠使得軟件和硬件之間的“交流”變得更加高效。

而根據(jù)eSilicon Mike Gianfagna的觀點(diǎn),，當(dāng)中的關(guān)鍵就是系統(tǒng)級別的軟硬件平衡,。

“功耗將會是大家持續(xù)關(guān)注的問題，他們在上面做了很多的分析和改變。而在關(guān)于軟件如何影響硬件上面,，也有很多不同的做法和觀點(diǎn),，所以說仿真在最近幾年才變得越來越重要?！盡ike接著說,。

Mike認(rèn)為，這將會是非常有用的,。

相比于過去,，現(xiàn)在的“消防演習(xí)”將會越來越少，尤其是在大型設(shè)計(jì)里面,，客戶的要求越來越復(fù)雜,，且他們對于系統(tǒng)的需求也很具體，對于晶圓級別的功耗也有很明確的要求,。這就推動(dòng)了復(fù)雜的軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)的發(fā)展,。

對系統(tǒng)的重新思考

在這種軟件潮流背后，是一股轉(zhuǎn)向更多系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的趨勢,，而這種趨勢已經(jīng)在軟件和硬件領(lǐng)域持續(xù)已久,。但在很多例子中，軟硬件的并向進(jìn)步比兩者的聯(lián)合解決更受歡迎,。但物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，推動(dòng)了新的轉(zhuǎn)變,。

在物聯(lián)網(wǎng)中,，由于大多數(shù)情況下資源都是有限的，同時(shí)對這些設(shè)備來說,，cost down的需求是很重要的,。解決這些問題的一個(gè)重要方式就是提供系統(tǒng)本身的效率，這樣就可以讓架構(gòu)師去設(shè)計(jì)更低成本的微處理器,，轉(zhuǎn)變存儲的混合類型,。

Mentor Graphics的Darrell Teegarden表示，這種轉(zhuǎn)來的不是說有更多更酷,、更快的處理器,，更重要的是這種方式對行業(yè)造成的影響。

現(xiàn)在有越來越多的高級別平臺,，這些平臺通常都包括了計(jì)算硬件,、傳感器、執(zhí)行硬件,、控制傳感器和執(zhí)行器的軟件,，平臺的戰(zhàn)爭也即將點(diǎn)燃。因此你需要對這些有一個(gè)大概的了解，為自己尋找最合適的解決方案,。

Cadence的Schirrmeister也認(rèn)同這種觀點(diǎn),。他認(rèn)為這種方式對某些應(yīng)用來說非常有效。但對另一部分的應(yīng)用,，這可能就沒那么強(qiáng)大了,。假設(shè)你關(guān)注邊緣計(jì)算，這就需要一個(gè)軟件模型,，一個(gè)營建模型,，或者一個(gè)軟硬件結(jié)合的模型。

這種軟硬件模型的分析和探索已經(jīng)存在一段時(shí)間了,，但直到最近才流行起來的,。

“有很多公司已經(jīng)打造了應(yīng)用負(fù)載模式，利用其去實(shí)現(xiàn)應(yīng)用處理和通信需求”,，Synopsys的Pat Sheridan說,。當(dāng)中包含了相關(guān)性、每個(gè)任務(wù)有不同處理器的處理器周期,，還有對不同區(qū)域的執(zhí)行讀或?qū)懙膬?nèi)存訪問等并行任務(wù),。

這類工具的一個(gè)好處就是它能夠提高抽象層的級別，這些的話在功能測試的時(shí)候就不需要針對軟件建模,。當(dāng)中的關(guān)鍵就是能將應(yīng)用負(fù)載需求和resources分離開,。你可以將任務(wù)映射到resources上，同時(shí)你也可以聯(lián)合不同的CPU和加速器,。

物聯(lián)網(wǎng)和安防

工具供應(yīng)商表示,，最初這些工具只是為移動(dòng)市場準(zhǔn)備，現(xiàn)在他們開始將其推廣到其他市場,，當(dāng)中包括了汽車,、物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器應(yīng)用。

特別是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,，由于對安全有很高的需求,，所以他們特別關(guān)注軟件建模。

現(xiàn)在的軟件涵蓋了高端到低端,。而那些經(jīng)過驗(yàn)證的高端軟件開始逐漸“入侵”簡單的設(shè)備,。 ARM的Bill Neifert說。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,，這主要是安全驅(qū)動(dòng)的,。這些軟件能夠加強(qiáng)對攻擊的防御。

安全問題是全球IC設(shè)計(jì)者關(guān)注的問題,，它能夠影響軟件的每個(gè)層級,。例如在一個(gè)通信芯片里,，包括整個(gè)通信棧、IP,、I／O,、硬件元器件，還有芯片內(nèi)外的存儲和總線,，都會有可能面臨安全威脅,。

安全和效率問題來到IoT上面，給開發(fā)者帶來的問題更多了,。這就帶來了新一代MCU的設(shè)計(jì),。這些MCU能夠應(yīng)對多樣化設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能需求和成本壓力。

ARM的Neifert表示,，在過去一年,，MCU領(lǐng)域的軟件建模需求快速增長。由于功耗限制,，你在設(shè)計(jì)芯片的時(shí)候?qū)PA有嚴(yán)格的需求,，另外還要著重考慮安全問題。

當(dāng)然,，關(guān)于軟件建模和硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)能給設(shè)計(jì)帶來多大的效率提升這個(gè)問題,，是沒有明確的答案的。三星在十幾年曾經(jīng)做過一個(gè)測試,，測試結(jié)果顯示性能提升了50％,。從三星當(dāng)時(shí)的報(bào)告開始，業(yè)界正在改變,，但基本規(guī)則是不變,，

而安全是方程式需要平衡的另一個(gè)方面。由于現(xiàn)在逐漸開始流行的智能汽車和健康醫(yī)療對安全有更高的需求,，安全也逐漸被導(dǎo)進(jìn)到軟件建模里。

在汽車電子里,，考慮安全的話,，芯片的設(shè)計(jì)有時(shí)候會比較冗余，有時(shí)候會導(dǎo)致芯片的集成電路的設(shè)計(jì)規(guī)模大50％,。再過去的話,，你可能會做這樣的一個(gè)設(shè)計(jì)。但是現(xiàn)在,，你需要確定你將要用哪一個(gè)版本的ASIL（汽車安全集成級別）,，再將其與性能、成本匹配,，然后實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo),。

大數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算

發(fā)展到現(xiàn)在,，半導(dǎo)體軟件建模在大數(shù)據(jù)中心上起的作用也越來越重要。這主要是由需要在低功耗的情況下處理飛速增長的數(shù)據(jù)現(xiàn)狀密切相關(guān),。

Cadence的Schirrmeister表示,，他們正在針對包括大數(shù)據(jù)在內(nèi)的某些特別任務(wù)做負(fù)載優(yōu)化，而硬件和軟件建模結(jié)合的模式很方便解決這個(gè)問題,。

現(xiàn)在有很多人討論FPGA在大數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用,，因?yàn)樵谀抢铮浖陀布穆?lián)合設(shè)計(jì)并不需要預(yù)先集成到芯片里,。你可以額外添加一個(gè)數(shù)據(jù)處理算法到硬件架構(gòu)里,。當(dāng)然在存儲那邊，也有操作的空間,，因?yàn)槟憧梢灾貥?gòu)存儲架構(gòu),，改變數(shù)據(jù)出入的方式，這也可以稱之為軟件建模,。

由于可以當(dāng)做一個(gè)定制的加速器平臺使用,，F(xiàn)PGA近年來在大數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來越廣泛。Rambus的Steven Woo說,。FPGA的優(yōu)勢在于其有足夠大的內(nèi)存,，其符合rack－scale架構(gòu)。

在大數(shù)據(jù)中心,，需要很多服務(wù)器,。傳統(tǒng)的配置會有CPU、I／O,、硬盤和內(nèi)存,，這樣會帶來很大的成本。但這些服務(wù)器的負(fù)載并沒有完美匹配,，這樣就會造成低效率的影響,。因此如果能夠完美匹配軟件和硬件，并在兩者之間做外媒的配置,，那么大數(shù)據(jù)中心的效率就會顯著提高,。這就解析了為什么谷歌和Facebook這樣的公司都在設(shè)計(jì)自己的硬件架構(gòu)。例如谷歌的TPU,，F(xiàn)acebook的Open Compute Project,。

總結(jié)

軟件和硬件的聯(lián)合設(shè)計(jì)在過去二十多年，一直是產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn),。從技術(shù)角度看,，這種結(jié)合能夠帶來更好的性能提升，更低的功率損耗,。但隨之而來也會帶來新的問題,，那就是很難去衡量,。

在很多的芯片公司，軟件工程師是遠(yuǎn)超過硬件工程師的,，他們對于通過購買什么類型的工具去協(xié)助改善功耗,、性能和成本有重點(diǎn)的關(guān)注和見解。

最終的目標(biāo)是降低時(shí)間和功耗,。而最好的效果就是當(dāng)你從Fab里把硬件拿回來的時(shí)候,，所有的驅(qū)動(dòng)就已經(jīng)都內(nèi)置好了。所以說,，軟件建模,，機(jī)會來了。