刪刪減無用邏輯門 降低芯片成本新方向減無用邏輯門 降低芯片成本新方向

　　工程師可以通過刪掉通用微控制器中未使用的邏輯門，將尺寸和功率削減一半。

　　伊利諾伊大學電氣和計算機工程副教授RakeshKumar表示：“處理器對于大多數(shù)應用來說是過度設(shè)計的。一個眾所周知且必要的事實是：為了具有可編程性和靈活性，處理器上的內(nèi)容要比任何應用所使用的內(nèi)容更多。對于驅(qū)動最新的嵌入式計算平臺(如可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器)的超低功耗微控制器而言，情況尤其如此。它們通常運行一個非常簡單的應用程序，沒有別的東西(甚至連操作系統(tǒng)都沒有)，這意味著芯片中的大部分電路完全沒看到半點數(shù)據(jù)。”

　　Kumar、明尼蘇達大學助理教授JohnSartori(曾經(jīng)是Kumar的學生)，以及他們的學生決定設(shè)法解決這種浪費問題。他們的解決方案從研究通用微控制器的設(shè)計開始。他們想出了一個快速的方法來確定哪些邏輯門從未參與到需要運行的應用程序中，然后刪去這些多余的門。其結(jié)果就是Kumar所說的“定制處理器”，這是一種體積更小、復雜度更低版本的原微控制器，旨在僅執(zhí)行所需的應用程序。6月，在多倫多舉行的第44屆計算機體系結(jié)構(gòu)國際研討會上，Kumar和Sartori詳細介紹了定制處理器項目。

　　Kumar說：“我們的方法是找出應用程序保證不使用的所有硬件，而不考慮輸入。剩下的是一個并集或超集，是數(shù)據(jù)可以使用的所有可能的路徑。然后我們移除沒有觸及到的硬件。”

　　他們從MSP430微控制器開始，制作定制的設(shè)計，用于執(zhí)行諸如快速傅里葉變換、自相關(guān)函數(shù)和插值濾波等應用程序。這些設(shè)計中只有不到一半的邏輯門是原微控制器設(shè)計的一部分。事實上，他們研究的15個常見的微控制器應用程序中，沒有一個需要超過60%的門。平均而言，設(shè)計出的芯片體積縮小62%，功耗降低50%。通過利用較短距離信號傳輸所節(jié)省的時間，平均節(jié)能高達65%。

　　Sartori說：“真讓人大吃一驚。大多數(shù)人認為，在這樣一個小而簡單的處理器中，幾乎所有的東西都被使用了;但是對于一個給定的應用程序，實際上有很多邏輯門可以完全刪除，而且軟件仍然工作得非常完美。”

　　如果您希望處理器執(zhí)行兩個或更多的應用程序，這種方法依然有效;它甚至可以處理操作系統(tǒng)外加應用程序。他們用實時操作系統(tǒng)FreeRTOS進行了測試，當它單獨運行時，57%的門完全未被觸及。如果FreeRTOS和上述15個應用程序中的任何一個一起運行時，都只剩下不足27%的門未使用，但是Kumar指出，這些應用程序通常“裸機”運行——它們不需要操作系統(tǒng)。

　　為什么不訂購ASIC(專用集成電路)呢?一句話：成本。Kumar表示，嵌入式微控制器適用于低容量、低成本的用途，從頭設(shè)計并測試ASIC的成本太高。通過從標準的微控制器設(shè)計入手，這個過程簡化了，而且更便宜。

　　庫馬爾說，這就像個“黑盒子”。“輸入應用程序，它輸出處理器設(shè)計。”

　　市場研究公司IHS的嵌入式處理器首席分析師TomHackenberg表示，事情可能不是那么簡單。測試、驗證以及在開發(fā)新的應用程序芯片過程中遇到的其他成本仍然存在。如果這項技術(shù)不能降低設(shè)計過程的成本，廉價的微控制器(平均約為1美元，但可以低至25美分)仍然是成功的解決方案。

　　然而，Hackenberg說：“如果這個概念具備他們所說的那些功能，那么設(shè)計一個面向具體應用的處理器可能是一個更簡單的過程。”

　　英國劍橋市ARM公司的研究工程師們希望事情可以變得如此簡單。他們一直在努力開發(fā)一個名為“PlasticARM”的項目，該項目是使用印刷電子技術(shù)在塑料上構(gòu)建1美分的一次性微控制器。他們的第一次嘗試占用了7.5平方厘米。項目負責人JamesMyers說，經(jīng)過了整整一年的艱苦設(shè)計工作，終于完成了將其縮小到1平方厘米的目標，并可以根據(jù)應用程序定制它。今年夏天，在Sartori的一名學生的幫助下，他們計劃使用定制處理器技術(shù)，看看他們能否達到同樣或更好的結(jié)果。

　　他說，“利用印刷電子技術(shù)，設(shè)計芯片的門檻應該比硅片低。對于面向具體應用的設(shè)計，應該有更多的機會，但如果設(shè)計成本保持不變，則不應如此。我想要的是降低設(shè)計成本和制造成本。如果能夠自動生成一個定制版本的處理器的話，則大有益處。”