意法爱立信移动平台多核处理技术(三)

2013-10-14 19:33:19来源: 互联网
硅制造工艺的新进展: FD-SOI

近些年,为确保硅制造技术节点进一步降低,突破传统技术即将达到的极限,半导体企业进行了大量新技术研发,取得了很多具有突破性的开发成果,例如, FinFET 和 FD-SOI 制造工艺。

意法·爱立信将意法半导体的FD-SOI (全耗尽型绝缘体上硅)技术用于其性能非常优异的下一代28nm 移动平台。在这里,我们只从计算性能的角度简要分析FD-SOI 的技术优势,说明此项技术如何能够进一步提升单核处理器的性能,让我们继续专注速度更快的双核处理器,以获得更高的软件性能。

如图7 所示,由于插入超溥埋氧层衬底,FD-SOI 使晶体管电特性得到大幅提升,同时继续使用非常成熟的平面工艺制造芯片。

下面概括FD-SOI 的优点

· 速度更快:在相同的技术节点,FD-SOI 晶体管的沟道比体效应晶体管的沟道短,而且前者是全耗尽型沟道,无掺杂剂。在这两个因素共同作用下,FD-SOI 晶体管在相同电压时开关速度更快,在功耗相同条件下,高压工作频率提高35%,低压工作频率提高。

· 功耗更低:有多个因素促使功耗降低:全耗尽沟道消除了漏极引起的寄生效应,在低功耗模式,可更好地限制载流子从源极流向漏极;更厚的电介质层可降低栅极泄漏电流;更好地控制体偏压技术 (为更好地控制速度和功耗而向晶体管体施加的电压)。结果,在高性能时,功耗降低 35%;在低性能时,功耗降幅更大,高达50% 。

· 工艺更简单:FD-SOI 制造工艺与28nm 体效应技术(bulk)的相近程度达到 90%,总工序减少15%,研发周期更短。此外,FD-SOI 技术无需压力源或其它类似的复杂技术,而其它工艺可能需要这些技术。最终工艺的复杂度低于体效应技术,远远低于技术。

从微处理器设计角度看, 相对于体效应技术,FD-SOI 的优势十分明显(见图

· 电压/功耗相同时,FD-SOI 可取得更高的频率,或者在频率相同时,FD-SOI 的功耗更低;

· 可取得的最高频率更高

· 采用FD-SOI 技术的处理器能够以更低的电压维持非常不错的频率 (比如,1GHz,0.65V),在低功耗模式时, FD-SOI 的对比优势更加突出,如图8 的低压区所示,在低功耗模式,的频率比bulk 技术高100%。

在高频率时,能效提高幅度大约35%。在大量的用例中,这个成绩足以让FD-SOI 双核处理器战胜速度较慢的bulk 四核处理器,如前文所述,这是因为目前软件性能提升受限。

在低功耗方面,FD-SOI 技术的影响更大,无需采用更复杂且还不成熟的异构多核处理器降低功耗的方式。

上文论述的扩展的工作模式是以前提到的FD-SOI 的技术优势共同实现的,其中体偏压(body biasing)扮演重要作用。体偏压是在晶体管体上施加特定电压,根据每个特定工作模式优调晶体管特性。FD-SOI 技术无需体效应晶体管的管体与源漏极之间的寄生二极管,所以,FD-SOI 准许施加电压范围更宽的偏压。

)实际上,我们似乎用两个不同的处理器设计取得了相同的效果(见图9)。其中一个是为高性能优化的,另一个则是为低功耗优化的,但是我们只使用一个电路,通过改变体偏压,利用电压控制高性能和低功耗模式的转换。意法·爱立信将这个概念称为 “eQuad”,最终特性相当于甚至高于前文提及的异构四核处理器。

图10 比较了我们的首款 FD-SOI 产品 NovaThor? L8580 与采用big.LITTLE 配置的四核处理器;前者内置一颗基于两个ARM Cortex-A9 处理器的 eQuad 处理器,后者的工作频率在最近新推出的四核处理器中具有代表性。因为电压/频率范围被扩展,不论是在高频工作还是低功耗时,在相同的功耗下总能提供更高的性能,这归功于Cortex-A9 处理器。与相比,Cortex-A9 是ARM 的上一代处理器架构。除更高的性能和更低的功耗外,还有一个重要优势:采用简单的传统的双核处理器结构,且处理器管理软件的技术也非常成熟,而big.LITTLE 产品则需要前文讨论的异构多核处理器所需的复杂的软硬件管理方法。

意法·爱立信计算技术开发蓝图

意法·爱立信计算产品战略与开发蓝图 (图11) 反映了目前可以例证的观点:采取能够让当代手机软件充分发挥处理器全部潜能的方式,充分利用随着硅技术演进而不断提高的处理器性能,这意味着速度较快的双核处理器是最佳选择。

值得一提的是,设计频率更高的双核处理器,同时遵守移动功耗限制标准,比复制缺乏主动性的设计,开发频率较低的四核处理器,需要投入更大的研发资源。我们始终坚持这个发展方向的原因是,目前软件性能直接受益于更高的频率,而无需对软件代码做任何修改,要想发挥双核以上的处理器的全部潜能,需要在软件上投入巨大的研发资源。

考虑到将来,我们正在研究各种不同的可行方案,其中包括四核处理器以及此后的技术演进。

像PC 处理器一样,移动处理器的频率提升迟早受到功耗限制。我们的下一代产品还将受益于取得的硅技术突破,但是,将来频率开始无限接近PC 处理器的情况,不可避免地达到饱和状态,转向四核处理器是继续提升性能的唯一途径。希望软件在此之前有长远的发展,以便更有进攻性的四核处理器的全部潜能被全部发挥出来。

结论

本文重点介绍了PC 机处理器与智能手机处理器在产品演进路线上的主要不同之处:2005 年,机处理器频率引起的功耗达到饱和后,PC 多核处理器上市,这是必然结果;而智能手机的多核处理器却远在频率饱和前就提前问世。

手机提前进入双核时代要归功于PC 业。双核技术已经成熟,可随时实现和应用。双核处理器之所以卓有成效,是因为:在操作系统和应用软件内,存在原生、但有限的并行代码。然而,从双核演进到四核主要是智能手机市场的进攻性营销策略导致。从技术层面讲,不存在令人信服的动因,软件还不能有效地利用双核以上的处理器。事实上,不论是10 年来的PC 业,还是最近的智能手机业,还没有充足的动力推动大多数开发人员从事成本昂贵且费事的软件并行化项目。由于双核以后的处理器需要软件并行化,这导致现有的四核处理器无法发挥全部潜能。

关键字:爱立信  移动平台  多核  处理技术

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1014/article_20002.html
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