嵌入式SoC或与CPU争未来统领

soc,systemonchip,也即片上系统。soc在目前的大数据时代也将迎来新一轮爆发性增长。soc在很多领域都有应用,包括物联网、工业制造、交通和商业等等。而如今的soc也将突破原有的“片上系统”的范畴,将成为越来越智能的微小系统,并涵盖cpu、ip核、存储器等在内的一系列模块。另一方面,这两年arm与x86之间的争斗愈演愈烈。以intel为首的x86阵营渗透移动终端,蚕食arm市场份额;而不甘寂寞的arm也向企业级领域进军,意欲分得一杯羹。
soc是信息系统核心的芯片集成,它将系统上最为关键的部件集成在一块芯片上。从广义角度来说的话,它是一个微小型系统,包括微处理器、模拟ip核、数字ip核和存储器(或片外存储控制接口)等部件。这种soc通常具有鲜明的行业应用特征,以具体的客户需求为主导并设计开发。soc设计的关键技术主要包括总线架构技术、ip核可复用技术、软硬件协同设计技术、soc验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等。
soc的应用十分广泛。最为常见的当属我们日常生活中使用的智能手机。比如苹果a4处理器就是基于arm处理器架构的soc,它集成基于45纳米制程的一颗armcortex-a8处理器内核以及一颗powervrsgx535图形处理内核。a4采用堆叠封装技术pop(packageonpackage),内部包括处理器核心和内存部件。
另外,便携式无人飞机也有这种soc。比如内置arm9cpu,linux操作系统,通过wwan管理开放的linux内核控制重力感应装置、陀螺仪、机械控制芯片协同工作。从这里我们不难看出,soc嫣然就是一个微小型计算机系统,涵盖了软硬件和各个部件,从而形成无人机的“大脑”。
在嵌入式领域,基于arm架构的处理器颇受关注。在powerpc、risc、mips和sparc等众多处理器市场领域,采用arm处理器作为实际标准的soc嵌入式应用十分丰富,包括从标准产品到软核armip,直至在可编程逻辑和asic中实现的硬核ip等。
arm微处理器因其卓越的低功耗、高性能在嵌入式应用中位居世界第一。今年年初,为通信和多媒体产业开发片上系统和基于arm和arm指令集兼容应用程序处理器的高通公司,开始着手致力于“针对功耗优化服务器市场的高通新型armv8基于服务器的socasic的架构/系统设计”。armv8是面向服务器级别的arm64位架构,具有ecc、能够满足常见企业应用程序的高扩展和高性能。
与该armv8兼容的内核,包括专为低功耗使用的cortex-a53和对性能要求较高而设计的cortex-a57。高通也是第八家基于arm服务器开发soc片上系统的公司,其他还包括amd、appliedmicro、cavium、calxeda、marvell、nvidia和三星。预计首个64位架构的armv8芯片将在2014年推出。
今年4月,amd面向全球推出了全新一代嵌入式g系列处理器。amd全新的嵌入式处理器,将原有的apu产品进行了全面升级。amd的嵌入式处理器源于apu,此前amd成功的尝试了将cpu与gpu进行融合,产生了当时的高性能高集成度处理器apu,在行业内引起广泛关注。除了我们熟悉的pc领域的apu,当时amd还推出了嵌入式g系列apu。在嵌入式领域,嵌入式g系列apu除了性能优势之外,还能够应对复杂的作业环境,应用领域变得更加广泛。
不过嵌入式g系列apu的使用依然要依赖于芯片组支持,其解决方案依然需要双芯片,即apu处理器以及南桥芯片。后来amd通过努力进一步提高了芯片的集成度,将cpu、gpu和南桥芯片整合到了一起,这样嵌入式g系列apu就进化成为了当今的嵌入式g系列soc芯片。
在应用领域方面,由于g系列嵌入式soc一个芯片就已经具备了整个硬件平台的全部功能,因此可以被广泛使用在数字标牌、瘦客户机、工程控制、游戏机等领域,有效降低系统开发的难度,同时为对应的平台提供优异的硬件性能。软件部分,amd联合了众多合作伙伴,基于opencl的开发环境对于soc开发人员来说驾轻就熟,在对操作系统的支持上,除了专用的控制系统以及传统的x86系统之外,目前还有一些组织把类似android这样的开放系统也移植到了这套硬件平台上面,因此嵌入式g系列soc也已经可以支持一些android系统的应用。
集成有4个cortex-a9的四核构成soc,芯片上配备了4mb二级缓存、连接内核与芯片间的交叉开关“energycorefabric”,以及ddr3、sata和pciexpress2.0等接口。在基于这种soc的calxeda服务器节点上,满负载(包括内存、磁盘等子系统的所有能耗)情况下,其功耗仅为5瓦,而在闲置状态下功耗仅为0.5瓦。相比传统意义上的服务器,其能耗可降低90%,同时也可以节约90%以上的空间,由此而带来的则是多达50%以上的成本节约。
通过fabric可集成数千个服务器节点,从而在满足低功耗、高能效的基础上避免性能上的短板。高带宽fabric可提供良好的节点互通、i/o、磁盘和网络数据吞吐速率。它最高支持5个通道,可在每通道1gb和10gb之间动态调整,延迟时间低于200ns(纳秒)。通过集群级别的能耗和系统优化,还可提供良好的管理应用体验。支持soc能耗管理自动化、fabric路径和能耗自动优化,而且也支持业界标准的系统管理接口ipmi、dcmi等。其下一代基于arm的soc代号为“midway”,它基于台积电28nm工艺设计的armcortex-a15芯片。这种28nm的cortex-a15芯片提供了50%的单线程整数性能提升,而与此相关功耗仅有少量增加,而且还支持16gb内存。

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