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DSP设计面临的终极挑战
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2017-10-20
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多年来，数字信号处理器 （DSP） 设计人员一直在应付这样一项艰难的工作：提供占用空间小的高性能芯片，而且要不影响灵活性和软件的可编程能力。
由于新的应用程序发展速度惊人，提供的 DSP 必须在功率、性能和使用寿命上跟上这种速度，应对当前面临的挑战，并准备好应对未来的应用。这些高性能多核心 DSP被越来越多地应用在电信接入、改进数据率GSM服务（EDGE）和基础设施设备领域，用来处理语音、视频和无线电信号。
以前，电信设备制造商使用专用的 ASIC 或 DSP-ASIC 组合来达到自己的目标。现在，这些新的 DSP 可以替代那些繁琐的解决方案；如果足够强大，它们还可以实现以前的解决方案所无法实现的灵活性。对于那些必须在网络部署中持续使用多年的接入和基础设施设备，而言， 这些灵活的解决方案是大有裨益的。假如这些类型的设备和应用程序的使用寿命得到延长，那么，成功的关键就是灵活性、适应性和现场可编程性。
在目前的技术条件下，ASIC 在灵活性或现场可编程性方面不如 DSP，但 DSP 的能耗较大，这让芯片设计人员左右为难。不过，还是有希望：新一代的多核心 DSP 可以同时做到高性能和高能效。做到这点的技术是存在的，但必须先解决“功率耗散”（功率极限）问题。
功率极限
目前，芯片功率耗散的源头有两个：以泄漏形式出现的静态现象；以开关运算形式出现的动态现象。在采用 90 纳米和以下工艺的 CMOS 技术中，这种功率耗散现象最为明显。但是，新一代的 DSP 设计不仅能减轻和避开这种功率极限，而且实际上可以提高基础设施、接入和 EDGE 设备的处理能力，同时限制功率消耗和热量耗散。
部分特定CMOS 技术下的能耗界定的关键度量指标：
• 电源电压
• 门开关速度
• 门输入电容
• 门功耗
• 每个 MAC 运算消耗的能源
研究表明，同等功能（如 MAC 单元）的功率密度（即单位面积的功率）在 0.13 微米（含）以上的芯片中相当稳定。但是，到达 90 纳米时，这个指标会突然升高。
在采用 0.13 微米技术以前，DSP 设计能够在提高性能的同时降低功率，从而可以在单个芯片中植入更多的电路。这主要是通过减小尺寸并降低电压实现的。采用了 90 纳米技术后，所有这一切就都行不通了。
现在面临的是以性能换功能的问题，这是设备制造商所不愿遇到的情况：在一个芯片中植入更多电路但降低性能，或者减少电路数以减少功能。
由于“功率极限”的情形继续存在，设计人员一直在通过增加功耗来获得性能和功能方面的优势。但是，这会带来一种新的风险：达到热量耗散的极限。所产生的问题可能已经在当前市场上最新一代的通用多核心 DSP 中出现。
零-和博弈：静态能效
因为性能是基础设施、接入和 EDGE 应用的主要目标，因此设计人员一般并不关心零待机功率问题。因此，通常采用通用硅工艺来优化性能，而不会选择低泄漏的硅。选择低泄漏的硅可以降低待机功率，但也会降低速度和性能。
这就要求有选择地使用晶体管。
在使用电池的设备中，高电压阈值 （HVT） 可能是最佳的；但在基础设施应用中，首选的是标准电压阈值 （SVT） 技术。
例如，假如某个设计使用 HVT 逻辑运算，并且电源电压为 1.2V，则将连续产生 20mW 的泄漏功率。如果以最大容量运算，则将消耗 1W 的动态功率。
使用 SVT 逻辑运算的相同设计在电源电压为 1.0V 时可以实现几乎相同性能，产生的泄漏功率多出 4 倍 （100mW），但动态消耗的功率只有 694mW （1.02 /1.22 = 0.694）。
因此，泄漏较高的 SVT 设计消耗的总功率只有 790mW，而相比之下，HVT 设计的消耗总功率为 1.02W。前者比后者节能 23%。
由于新的应用程序发展速度惊人，提供的 DSP 必须在功率、性能和使用寿命上跟上这种速度，应对当前面临的挑战，并准备好应对未来的应用。这些高性能多核心 DSP被越来越多地应用在电信接入、改进数据率GSM服务（EDGE）和基础设施设备领域，用来处理语音、视频和无线电信号。
以前，电信设备制造商使用专用的 ASIC 或 DSP-ASIC 组合来达到自己的目标。现在，这些新的 DSP 可以替代那些繁琐的解决方案；如果足够强大，它们还可以实现以前的解决方案所无法实现的灵活性。对于那些必须在网络部署中持续使用多年的接入和基础设施设备，而言， 这些灵活的解决方案是大有裨益的。假如这些类型的设备和应用程序的使用寿命得到延长，那么，成功的关键就是灵活性、适应性和现场可编程性。
在目前的技术条件下，ASIC 在灵活性或现场可编程性方面不如 DSP，但 DSP 的能耗较大，这让芯片设计人员左右为难。不过，还是有希望：新一代的多核心 DSP 可以同时做到高性能和高能效。做到这点的技术是存在的，但必须先解决“功率耗散”（功率极限）问题。
功率极限
目前，芯片功率耗散的源头有两个：以泄漏形式出现的静态现象；以开关运算形式出现的动态现象。在采用 90 纳米和以下工艺的 CMOS 技术中，这种功率耗散现象最为明显。但是，新一代的 DSP 设计不仅能减轻和避开这种功率极限，而且实际上可以提高基础设施、接入和 EDGE 设备的处理能力，同时限制功率消耗和热量耗散。
部分特定CMOS 技术下的能耗界定的关键度量指标：
• 电源电压
• 门开关速度
• 门输入电容
• 门功耗
• 每个 MAC 运算消耗的能源
研究表明，同等功能（如 MAC 单元）的功率密度（即单位面积的功率）在 0.13 微米（含）以上的芯片中相当稳定。但是，到达 90 纳米时，这个指标会突然升高。
在采用 0.13 微米技术以前，DSP 设计能够在提高性能的同时降低功率，从而可以在单个芯片中植入更多的电路。这主要是通过减小尺寸并降低电压实现的。采用了 90 纳米技术后，所有这一切就都行不通了。
现在面临的是以性能换功能的问题，这是设备制造商所不愿遇到的情况：在一个芯片中植入更多电路但降低性能，或者减少电路数以减少功能。
由于“功率极限”的情形继续存在，设计人员一直在通过增加功耗来获得性能和功能方面的优势。但是，这会带来一种新的风险：达到热量耗散的极限。所产生的问题可能已经在当前市场上最新一代的通用多核心 DSP 中出现。
零-和博弈：静态能效
因为性能是基础设施、接入和 EDGE 应用的主要目标，因此设计人员一般并不关心零待机功率问题。因此，通常采用通用硅工艺来优化性能，而不会选择低泄漏的硅。选择低泄漏的硅可以降低待机功率，但也会降低速度和性能。
这就要求有选择地使用晶体管。
在使用电池的设备中，高电压阈值 （HVT） 可能是最佳的；但在基础设施应用中，首选的是标准电压阈值 （SVT） 技术。
例如，假如某个设计使用 HVT 逻辑运算，并且电源电压为 1.2V，则将连续产生 20mW 的泄漏功率。如果以最大容量运算，则将消耗 1W 的动态功率。
使用 SVT 逻辑运算的相同设计在电源电压为 1.0V 时可以实现几乎相同性能，产生的泄漏功率多出 4 倍 （100mW），但动态消耗的功率只有 694mW （1.02 /1.22 = 0.694）。
因此，泄漏较高的 SVT 设计消耗的总功率只有 790mW，而相比之下，HVT 设计的消耗总功率为 1.02W。前者比后者节能 23%。
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