通用CPU是IC行業(yè)內最具代表性的高集成度產品之一,,其研發(fā)難度之高、資源投入之多均屬行業(yè)前列,,卻又與信息技術的發(fā)展息息相關,。2019年6月,兆芯推出的新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列處理器,,在采用16nm工藝,,將主頻提升到3.0GHz的同時,性能也進一步邁入國際主流水準,,為國產通用CPU的發(fā)展樹立了重要的里程碑,。
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新一代通用CPU的成功發(fā)布與量產,128mm Die 面積上集成的20億顆晶體管,,凝聚著無數的辛勤付出與汗水,作為CPU研發(fā)團隊的負責人,,兆芯副總經理/總工程師王惟林對國產通用CPU的發(fā)展與突破,,有著更深的體會。
兆芯副總經理/總工程師王惟林工作照
除了周期長投入大,更重要是尋找平衡
王惟林表示,,一顆通用CPU從微架構設計到最終發(fā)布量產,,是一個時間、人力,、物力各方面投入巨大的過程,。在整個芯片的研發(fā)歷程之中,微架構的設計開發(fā)占據著巨大的比重,。這項工作的實施既要考慮到未來的產品方向,、技術趨勢以及工藝的變化演進等因素,還要結合對功能,、性能,、頻率、功耗等方面的預期進行綜合的考慮,,在這些需求中間尋找到一個最佳的平衡點,。“比如說,,在某些單項參數方面,,我們已經可以做到比現有數值好很多。但是考慮到最終客戶的需求,、產品的穩(wěn)定性,、應用場景的功耗控制等,通常都會做一些取舍,?!?/p>
國產處理器研發(fā)歷程
微架構確定之后會進入到具體的設計階段,在這一階段,,一方面要根據目標市場,,進行更詳細、更密集的性能,、頻率,、功耗等方面不斷驗證、優(yōu)化,,另一方面基于未來IO的標準,、規(guī)格,進行芯片組功能的設計研發(fā),,特別是IP的研發(fā)測試也極為消耗時間和精力,。“整個產品設計階段,,需要經歷數次RTL代碼,、時序等方面的優(yōu)化,以及從電路級、到模塊級,、芯片級,,乃至系統(tǒng)級的驗證測試,而這些還不包括芯片流片之后的功能,、性能,、適配、良率等方面的更進一步測試和優(yōu)化工作,,”王惟林在說起這些需要日復一日重復進行的設計工作時語氣凝重,,依然有沉沉的責任感。
此外,,CPU的設計研發(fā)工作中,,設計方法的研究也是非常重要的組成,每一代工藝對應的設計實現的方法都在不斷演進,,高性能CPU的設計方法也需要不斷提升,,這樣才能夠基于目標工藝,讓最終的產品在頻率和功耗等方面達到最優(yōu),。
互聯改進,、頻率提升、自主IP,,新一代通用CPU三大突破得之不易
兆芯新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列處理器有三項技術突破的過程令王惟林印象尤為深刻,,一是片內、片間互聯的改進,,二是頻率的提升,,三是DRAMC DDR4 3200控制器自主IP的成功開發(fā)。
ZPI(Zhaoxin Processor Interconnect)是兆芯自主開發(fā)的全新片間互連技術
片內互聯方面,,兆芯的研發(fā)團隊基于上一代KX-5000系列處理器片內互聯帶寬,、傳輸效率、內部延遲等方面存在的問題,,通過建立多種軟件仿真模型進行了大量的測試和優(yōu)化,。片間互聯ZPI 2.0是兆芯自主設計的一套方案?!盎ヂ摷軜嫷脑O計研發(fā)以及測試驗證,,這些工作大約占據了整個芯片研發(fā)工作四分之一的比重?!痹谡麄€互聯協議,、內核間數據一致性上,研發(fā)團隊需要進行大量的,、非常復雜的測試和研究,。
至于用戶最關注的主頻提升,,王惟林表示,從上一代產品的2.0GHz提升到KX-6000/KH-30000系列處理器的3.0GHz,,除了對流水線的優(yōu)化、物理實現的優(yōu)化,,設計過程中也遇到了很多的問題,。
“處理器頻率和設計規(guī)模的不斷提升,高速和高密,,高功耗會使系統(tǒng)內的環(huán)境更加惡劣,。電磁環(huán)境的干擾和系統(tǒng)內部的相互竄擾,嚴重地威脅著處理器的穩(wěn)定性,、可靠性和安全性,。最典型的就比如PI(電源完整性)、SI(信號完整性)在3.0GHz下的抖動和損失,,為了解決這個問題,,整個團隊在后端、微架構,、電路,、邏輯設計等方面都進行了特別的處理,并開發(fā)了新的功能,,比如頻率根據電學抖動自適應等,。”
新一代通用CPU中還集成了很多兆芯自主研發(fā)的IP,,其中 DRAMC DDR4 控制器支持3200MHz,,達到了行業(yè)的主流標準。從上一代2400MHz到3200MHz,,頻率的提升同樣帶來了SI方面的很多問題,,針對這些問題,相關的設計團隊在IP設計,、電路和PCB板設計方面也都花費了巨大的精力來改進優(yōu)化,,直到最終各項指標達到預期。
兆芯新一代處理器集成的IP(部分)
正視差距,,上緊發(fā)條,,全力追趕
肯定成績也要正視差距,談及未來發(fā)展,,王惟林信心滿滿
就國內而言,,兆芯新一代通用處理器在頻率、性能,、IO標準等方面均處于前列,,但放到國際上看,,依然存在很大的差距。在談及國產通用CPU與國際同類產品的差距時,,王惟林表示,,我們也知道差距所在和努力的方向,但由于人力,、時間,、資金等外部因素的影響,讓兆芯在芯片研發(fā)過程中,,只能一次性的解決一些問題,,并且很難有試錯的機會,沒有辦法精雕細琢和深入研究,,只能盡全力一點點追趕上去,。“方法和流程,,如同材料學和飛機發(fā)動機一樣,,需要大量的試錯和基礎預研。但是兆芯一直處于趕路狀態(tài),,要確保每一顆芯片成功,,很多現實壓力讓你沒有時間也沒辦法進行試錯,找出某些關鍵問題的更優(yōu)解,?!?/p>
“與國際廠商相比,我們在研發(fā)投入,、人力資源方面都遠遠不足,,但依舊要保持正常的研發(fā)周期,團隊所要付出的時間成本就更加顯著,,唯有給自己擰緊“發(fā)條”,,加班加點自然也就變得稀松平常,再然后也成了一種習慣,,”王惟林說,。
關于接下來的工作重心,王惟林表示,,兆芯目前正在積極準備下一代的產品,,希望在微架構方面能取得更大的突破,“在KX-6000/KH-30000系列處理器的基礎上,,單核性能得到顯著的提升,,同時進一步優(yōu)化片內、片間互聯的性能,,并且在內存,、IO規(guī)格支持上達到國際同期主流水準,,力求打造出一款更好用的電腦芯,在滿足用戶需求的同時,,加速縮短與國際領先水平的差距,,“談及未來目標,王惟林信心滿滿,。