刪刪減無(wú)用邏輯門(mén) 降低芯片成本新方向減無(wú)用邏輯門(mén) 降低芯片成本新方向

　　工程師可以通過(guò)刪掉通用微控制器中未使用的邏輯門(mén)，將尺寸和功率削減一半。

　　伊利諾伊大學(xué)電氣和計算機工程副教授RakeshKumar表示：“處理器對于大多數應用來(lái)說(shuō)是過(guò)度設計的。一個(gè)眾所周知且必要的事實(shí)是：為了具有可編程性和靈活性，處理器上的內容要比任何應用所使用的內容更多。對于驅動(dòng)最新的嵌入式計算平臺(如可穿戴設備和物聯(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(gè)非常簡(jiǎn)單的應用程序，沒(méi)有別的東西(甚至連操作系統都沒(méi)有)，這意味著(zhù)芯片中的大部分電路完全沒(méi)看到半點(diǎn)數據。”

　　Kumar、明尼蘇達大學(xué)助理教授JohnSartori(曾經(jīng)是Kumar的學(xué)生)，以及他們的學(xué)生決定設法解決這種浪費問(wèn)題。他們的解決方案從研究通用微控制器的設計開(kāi)始。他們想出了一個(gè)快速的方法來(lái)確定哪些邏輯門(mén)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(mén)。其結果就是Kumar所說(shuō)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屆計算機體系結構國際研討會(huì )上，Kumar和Sartori詳細介紹了定制處理器項目。

　　Kumar說(shuō)：“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(gè)并集或超集，是數據可以使用的所有可能的路徑。然后我們移除沒(méi)有觸及到的硬件。”

　　他們從MSP430微控制器開(kāi)始，制作定制的設計，用于執行諸如快速傅里葉變換、自相關(guān)函數和插值濾波等應用程序。這些設計中只有不到一半的邏輯門(mén)是原微控制器設計的一部分。事實(shí)上，他們研究的15個(gè)常見(jiàn)的微控制器應用程序中，沒(méi)有一個(gè)需要超過(guò)60%的門(mén)。平均而言，設計出的芯片體積縮小62%，功耗降低50%。通過(guò)利用較短距離信號傳輸所節省的時(shí)間，平均節能高達65%。

　　Sartori說(shuō)：“真讓人大吃一驚。大多數人認為，在這樣一個(gè)小而簡(jiǎn)單的處理器中，幾乎所有的東西都被使用了;但是對于一個(gè)給定的應用程序，實(shí)際上有很多邏輯門(mén)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行兩個(gè)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外加應用程序。他們用實(shí)時(shí)操作系統FreeRTOS進(jìn)行了測試，當它單獨運行時(shí)，57%的門(mén)完全未被觸及。如果FreeRTOS和上述15個(gè)應用程序中的任何一個(gè)一起運行時(shí)，都只剩下不足27%的門(mén)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。

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

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

　　市場(chǎng)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(jiǎn)單。測試、驗證以及在開(kāi)發(fā)新的應用程序芯片過(guò)程中遇到的其他成本仍然存在。如果這項技術(shù)不能降低設計過(guò)程的成本，廉價(jià)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(shuō)：“如果這個(gè)概念具備他們所說(shuō)的那些功能，那么設計一個(gè)面向具體應用的處理器可能是一個(gè)更簡(jiǎn)單的過(guò)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(jiǎn)單。他們一直在努力開(kāi)發(fā)一個(gè)名為“PlasticARM”的項目，該項目是使用印刷電子技術(shù)在塑料上構建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(shuō)，經(jīng)過(guò)了整整一年的艱苦設計工作，終于完成了將其縮小到1平方厘米的目標，并可以根據應用程序定制它。今年夏天，在Sartori的一名學(xué)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果。

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