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越来越多的与I / O性能

芯片制造商超越处理器速度性能改进的速度缓慢。

受欢迎程度

加快输入和输出成为基石为提高性能和降低电力soc和asic尤其是扩展处理器和添加更多的核心生产收益递减。

在所有类型的处理器继续改善,改善的速度正在放缓,每一个新的节点。获得预期的30%到50%的性能提升和更低的权力不再可以实现通过收缩功能或增加时钟速度。此外,对于许多新的应用程序处理器速度只是几个关键性能指标之一。同样重要的是数据的速度可以之间来回移动设备,如智能手机和数据中心,或在一个处理器和各种类型的内存。

“速度上升,但不仅仅是因为它们所需的企业应用程序,“说Navraj Nandra,高级营销主管Synopsys对此“DesignWare模拟& MSIP解决方案组。“他们也被移动应用程序驱动。但它不仅仅是处理器了。你怎么快速获取数据的内存和I / o .”

这种转变有几个关键因素:

  • 热效果越来越成问题。后急剧减少泄漏电流通过引入finFETs 16/14nm,问题是重修的复仇10 nm和7海里。表现为热泄漏,会造成电迁移,降低可靠性,有时摧毁一个芯片。最简单的方法来解决处理器热量较低的时钟频率,但这意味着芯片制造商必须利用更多的处理器运行在较低的频率或替代方法。是有限度的多少可以利用核心,虽然。虽然一些应用程序可以利用多核,绝大多数不能同时利用许多核心。
  • 处理越来越分散。与个人电脑和智能手机不同,大多数在本地处理,有一个全新的设备要求的混合波本地和外部处理。做多少钱取决于应用程序和体系结构,但是基本的计算模式正在发生变化。输入/输出(I / O)是推动者。
  • 正在上升的数据量,数据的价值。但值是不同的对于不同的人来说,有时甚至对相同的数据。把一个溢价来回移动数据尽快使用最少的权力。

所有这些因素加起来,就解释了为什么I / O突然受到这么多关注的新设计。但是,如下详细的I / O都有自己的问题。

架构设计的I / O
对于大多数设计,逻辑与记忆填补一个芯片的中心和I / O在外围。的挑战是把信号和I / O的基础设施,这一问题变得更加困难,因为电线收缩和信号需要旅行的距离增加。信号仍然需要路由在芯片的房地产,这在大多数情况下几乎是平均分布在记忆、逻辑与I / O。

在网络和数据中心应用的芯片,I / O几乎完全被并行转换器,普拉萨德说,研发和设计技术的副总裁eSilicon。“我们在两种类型的设备上工作。一是对网络,几乎没有任何通用I / O。所有的针都是高速,转化为大约120到200道并行转换器。这也是增加每一代,。去年,我们有15 g并行转换器。现在是在28 g和搬到56 g-all短短两三年。第二个设备我们正在努力是一个内存接口。我们仍然看到DDR4,但不是高带宽内存(HBM),它提供了高达2 gb每秒每针。如果您添加24针和八频道,这是巨大的ASIC之间的I / O和内存。”

建筑的挑战是获取数据的I / O。“真正的问题是销访问,”苏说。“当你缩小逻辑,没有足够的空间路线的信号。你加入多个金属层和很多复杂的电路。可能会有一个横梁从不同的I / o,或者你可能有一个总线信号需要被路由到公共汽车。可以解决,通过增加管道阶段,但这介绍延迟,这是一个日益严重的问题。客户说多少延迟他们愿意容忍。”

这些问题在10纳米和7纳米变得更糟。在5 nm,量子效应开始进入画面,他们预计整个芯片架构需要反思的。

在其他市场,这可以说是更糟的是,因为有更多的I / O协议来应对。在移动端,有蓝牙,无线个域网,z - wave, WiFi, 4 g, 5 g LTE, z - wave, WiGig。这些数量激增,因为没有协议是否一切都完美。一些仅仅是新一代标准,有了自己的生命。甚至数据中心充斥着I / O协议PCI Express,并行转换器、光纤通道和一系列其他的问题,可以利用遗留系统。

大多数这些协议都是开放式的开发工作,这意味着他们是向后兼容的,为未来的增长。集体,他们增加I / O方案的复杂性,因为芯片需要能够支持任何协议。例如,考虑一个智能手机SoC。它需要能够连接到汽车信息娱乐系统使用蓝牙,一辆新车的内置WiFi热点,各种蜂窝基站在高速驾驶时(包括3 g、4 g LTE,在一些国家5 g),和那叫无缝地转移到家庭环境当司机离开了汽车,进入他们的房子。它还能够发送文本或图像、流视频,或者进行视频会议使用相同的设计。

“有很多讨论下一代I / Os,“说Synopsys对此Nandra。“他们还必须是低功耗,因为你不可能每针瓦的功率。然后谈话通常可靠性。当你设计芯片I / o,使用人体模型,带电设备模型(CDM)和ESD测试的机器模型。但CDM的需求正在增加,因为包越来越大,这样就增加了速度同时要求。”

还有其他挑战。“现在的SoC核心电压低于I / O电压,”他说。“在7海里,栅氧化层厚度是如此之低,不能承受高I / O电压。现在的问题是我们是否能把所有在1.8伏特。电压的你想要的I / O。如果你使I / O更小,在会议将是一个挑战的动态范围I / O .”

在5 nm,量子效应开始爬到图片,这直接影响I / O电压。“有压力设计I / O电压较低,但是,这引起了辐射封闭的问题,可真的弄乱了可靠性、“Nandra说。“这影响pn结,翻转设备为一个“在”和“关闭”状态,而传统上由铸造的设计规则。这些决定如何空间设备。”

这已经成为复杂,至少这是理解在智能手机等设备。在其他市场存在不确定性将如何使用设备最终和需要什么样的连接或部署。考虑一块商业机械,例如,从来没有连接到任何电子。添加连接的远程诊断和现场警报还需要更新这些协议的能力随着时间的推移,和目前尚不清楚哪一种协议将成为普遍。

日益增加的数据值
随着这些技术的挑战,还有另一个根本性转变正在影响I /的增加的价值数据,许多公司和个人在这些企业。这不仅仅是矿业营销趋势和异常的数据。在某些情况下,它的核心业务。

电子商务网站,更快的响应意味着你可以销售更多的项目,”史蒂文说哇,杰出的发明家和解决方案营销的副总裁Rambus。“但是你不能船所有的数据到云,因此有更多的计算做边缘和你只传送的数据是必要的。”

问题是,计算体系结构不优化。几十年来,常见的方法是加速处理器并添加固定数量的内存。现在的重点是集中在定制的硬件加速和定制大量的内存来促进更多的分布式数据处理。

“我们现在在post-Moore时代,因为摩尔定律是现代扩展不再工作,”吴表示。“数字数据的增长比以往任何时候都更快,并能通过数据分析,数据或搜索是不同于现有架构建造了做什么。您需要更改内存、I / O和整体架构,和这些都是活跃的研究领域。”

也有一批新的内存技术进行调查来填补这一缺口之间的DRAM和SRAM来帮助消除一些这些数据的瓶颈。最著名的是3 d-xpoint ReRAM MRAM,但有许多人。Woo预计一个或两个将会成功。

更多的I / O问题
所有这些问题和变化,I / O被添加到芯片从未支持I / O在过去,如微控制器。

“从成本的角度来看,能够使用单片机设计提供了一个优势在某些市场,”德鲁Wingard说,首席技术官超音速。“但是有一个缺点,如果你必须使用经过验证的无线解决方案。一些有更高的数据速率比你可以支持这些芯片,对高带宽的基础设施并不是友好的接口。所以你会做一些这方面的软件,即使I / O本身是在硬件完成。带来了安全的担忧,因为有更多的方式攻击设备。”

,这也引发了问题敏感,市场对于协议的数量需要支持。“物联网需要各种协议和过多的倾向,“Wingard说。“但你不能过多的厂商进入市场。你也不能把所有I / O的一些应用程序,因为他们不会工作,如果电池不会持续超过一周或一个月或一年,根据设备。你不能有接口消失的力量,你必须积极力量管理这些东西。”

一个解决方案可能是简单地减少协议的数量,而且似乎有至少一些方向的运动。斯科特•雅各布森节奏验证IP产品营销总监,说,蓝牙5.0很可能取代无线个域网,无线网络之间挣扎的机器对机器的空间,和蓝牙短距离点对点区域。

“新版本的蓝牙低能力,更高的性能,并介绍了网状网络地址点对点。这意味着当你一对耳机连接到汽车音响,不仅仅是局限于一个设备。如果一个用户走进一间办公室有蓝牙打印机和文件存储,所有的设备都可以在网注册。在新标准中,数据容量是上涨了800%,速度是2 x,范围是4 x。这意味着更高的信号覆盖率和速度的两倍。”

但没有什么是完美的在这个市场,因为是在不断变化。雅各布森说,很多公司没有做单独的蓝牙芯片。因此,他们正在全力解决隔离问题时结合多个射频元素。在处理更高的速度也有挑战的新标准。

结论
I / O在未来将继续主导芯片设计。计算模型已经改变了从独立计算连接计算的数据量增长超出了任何单个设备的能力。

作为回应,曾经是一个相当简单的建筑事后现在成为一个战略可以让一个成功的产品之间的差异,在所有指标表现糟糕。重要性将继续增长在每个新流程节点以及物联网和工业物联网增加移动数据除了处理的重要性。

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