“魂芯”DSP处理器的现在与未来.pdf

魂芯 魂芯 DSP处理器的现在与未来处理器的现在与未来 中国电子科技集团公司第三十八研究所 洪一 中国电子科技集团公司第三十八研究所 洪一hongyi 汇报内容汇报内容 一 处理器应用概述 二 魂芯 DSP发展 2 3 3 模拟系统数字系统软件系统编程系统 系统设备硬件发展阶段图 着重具备处理能力强调稳定性和一致性强调模块化 标准化强调维护 升级便利 电子管 三极管 大 中 小规模数字 集成电路 FPGA DSP DSP CPU 信息系统处理设备正从编程系统向软件系统过渡 4 软件系统正向我们走来 用户需求 产品质量 Q 上市时间 D 开发成本 C 高层次平台可多人组合开发 产品快速高效成型进入市场 高层次平台可多人组合开发 产品快速高效成型进入市场 工艺发展需求 240 180 120 60 212 7M DFM Physical Implementation Verification Architecture IP Qualication 14 16nm FINFETS 101 7M 56 0M 20nm Planar CMOS28nm Planar CMOS 集成电路设计价格 7nm NRE费用过亿 平台器件实现 量大面广 分摊费用 费用过亿 平台器件实现 量大面广 分摊费用 产品研制希望 型号型号66AK2H06H12H14 DGIPs CPU 9 8 1 4G19 6 1 4G19 6 1 4G GFLOPs DSP 99 2 198 4198 4 GMACs DSP 153 6307 2307 2 器件具备能力 接收通道接收通道 2 200GMACS 波束形成波束形成 1 10TMACS 高性能计算高性能计算 0 5G 2T FLOPS 28nm DSP 运算过千亿 运算过千亿 10nm超万亿 运算要求小于万亿占据多数信息系统 构建软件平台硬件条件已具备 超万亿 运算要求小于万亿占据多数信息系统 构建软件平台硬件条件已具备 5 硬件优化 算法优化 算法优化 算法优化 接口优化 前提条件前提条件 硬件平台设备量在可接受前提下 运算能力大于实际系统要求运算量 硬件平台设备量在可接受前提下 运算能力大于实际系统要求运算量 良好便利软件开发环境良好便利软件开发环境 软件化平台带来的益处 硬件层面统一化 应用层面软件化 环境层面平台化 用户软件编程与系统硬件松耦合 两者升级和维护各自独立 基础架构和体系开放 组件标准化 软件规范化 环境建设多人参与 软件化系统特点 人们对系统硬件要求人们对系统硬件要求 绿色适应性 满足实际系统运算能力要求下 功耗接近最佳 产品延续性 器件和应用软件松耦合 各自独立升级和维护 使用便利性 应用软件丰富 多人共享应用开发 便于交流 未来发展性 硬件性能遵循 绿色适应性 满足实际系统运算能力要求下 功耗接近最佳 产品延续性 器件和应用软件松耦合 各自独立升级和维护 使用便利性 应用软件丰富 多人共享应用开发 便于交流 未来发展性 硬件性能遵循Moore定律 定律 DSPGPU SOCCPU FPGA 数据流 产品延续性和 使用便利性 绿色适应性和 未来发展性 产品延续性和 使用便利性 绿色适应性和 未来发展性 时序驱动 数据驱动 时序器件在产品延续性和使用便利性方面 其固有特性难有大的改观 时序器件在产品延续性和使用便利性方面 其固有特性难有大的改观 数据器件随工艺进步和结构调整 在绿色适应性和未来发展性随之能调整 数据器件随工艺进步和结构调整 在绿色适应性和未来发展性随之能调整 软件化处理平台一定是数据流器件构成的平台 7 器件种类优势劣势器件种类优势劣势 数据流器件数据流器件 DSP CPU 逻辑层面设计 对设计师要求较低 逻辑层面设计 对设计师要求较低 支持高级语言 支持高级语言 升级维护 调试方便升级维护 调试方便 无法实现小延时 无法实现小延时 接口数量不够 时序流器件 接口数量不够 时序流器件 FPGA 电路底层设计 设计师需较高电路设计能力 电路底层设计 设计师需较高电路设计能力 计算能力强 计算能力强 接口丰富 接口丰富 编译调试时间长 编译调试时间长 软件无缝维护升级困难软件无缝维护升级困难 当数据流器件性能满足设备运算要求时 快捷方便开发成为设计师的第一追求 时序器件运算能力强的优势会被忽略 产品延续性和使用便利性的劣势被放大 边缘化成为必然 构建系统硬件类型 8 型号型号66AK2E02E05H06H12H14L06 DGIPs CPU 4 9 1 4G19 6 1 4G9 8 1 4G19 6 1 4G19 6 1 4G8 4 1 2G GFLOPs DSP 33 667 299 2198 4198 496 GMACs DSP 44 844 8153 6307 2307 2153 6 DSP计算性能 TI 28nm GPU性能 28nm GTX680 HD7970 流处理器数15362048 纹理单元数128128 核心频率 M 1006925 28nm运算能力DSP达100G GPU达1T 10 7nm DSP达1T GPU达10T可预见 随着100G以太网高速数据接口逐步推行 相互间数据传输方式趋于统一 16nm是平台转化的一个临界点 软件处理平台逐步成为系统实现基本形态 未来5年是软件处理平台重要的时间节点 软件系统成立的基本条件 9 未来市场硬件特点未来市场硬件特点 平台化平台化 处理性足够强 除接口处理性足够强 除接口IP外 内部功能全部软件化 不同应用差异在软件外 内部功能全部软件化 不同应用差异在软件 垄断性垄断性 NRE费用提升导致设计门槛提高费用提升导致设计门槛提高 产品将聚集在高性能和环境优良的平台上 产品将聚集在高性能和环境优良的平台上 CPU ARM DSP CEVA 是软件系统典型案例 最佳计算效能是设计师永远追求 各种数据器件相互组合是未来系统常态 大型系统 DSP GPU CPU NP以单独形态出现 中型系统 DSP或以个体出现 或以DSP CPU异构形态出现 小型系统 DSP CPU异构单体出现 各种处理器特点各种处理器特点 DSP 完成信号处理算法效能最佳 DSP 完成信号处理算法效能最佳 CPU 完成数据处理和调度效能最佳 CPU 完成数据处理和调度效能最佳 GPU 并行度极高 完成图形处理效能最佳 GPU 并行度极高 完成图形处理效能最佳 随着集成电路工艺进步 处理器运算能力增强 系统划分门槛在不断上升 10 处理能力足够情况时 设计师系统设计关注 未来嵌入式处理器发展方向 在特定运算能力情况下 如何获得最小功耗 0 15um C6000发展历程发展历程 工作频率 运算能力 标称 1k点FFT时间 64k点FFT时间 BDTI测试结果用理论值归一化 C66711 25 GHz20 GFLOPS5 47 us557 27us8670 12860434 643 TS201600 MHz3 6 GFLOPS15 70 us7239 46us3730 44801036 1244 TI 40nm 8核核 1 25GHz 28nm 8核核 1 4GHz 未来 未来16nm 若扩展到 若扩展到16 软件成最大问题 故 软件成最大问题 故TI DSP发展遇到瓶颈 未来性能提升空间不大 市场需要一个高性能处理核来填补 发展遇到瓶颈 未来性能提升空间不大 市场需要一个高性能处理核来填补 魂芯 希望担当这个角色 魂芯 希望担当这个角色 汇报内容汇报内容 一 处理器应用概述 二 魂芯 DSP的发展 12 构建平台的基本原则构建平台的基本原则 性能高性能高 转换平台依据转换平台依据 前景优前景优 设计师愿意使用设计师愿意使用 环境良环境良 器件发展基础器件发展基础 覆盖广覆盖广 挤压其他器件空间挤压其他器件空间 魂芯 DSP按照构建平台思路来规划 按照高密集计算各个领域需求 按照软件环境统一 运算能力成系列 构建各种规格的处理平台 以满足各 领域系统对运算能力和功耗要求 实现未来系统硬件实现的基本框架 14 计算平台 有源阵面 通道数众多 结构模块化 射频数字化 计算平台 架构刀片式 数量由系统计算需求确定 数据传输 协议规范 高速串行数据互联互通 高密集计算军事电子系统基本构成 实现软件化处理平台首要条件 各个单元运算能力满足系统计算要求 通用处理平台系统架构通用处理平台系统架构 15 基于VPX自主可控处理平台基于VPX自主可控处理平台 全数据流驱动器件构成完整的软件化处理系统 DSP的市场在哪 的市场在哪 FPGA 16 DSP若想抢占若想抢占FPGA市场 需解决两个问题 运算效能和数据接口市场 需解决两个问题 运算效能和数据接口 运算能力运算能力 运算效能运算效能 17 RapidIO 数据网络 以太网 控制网络 I2C 监控网络 DAM DAM DAM DAM DAM DAM DAM DAM DAM DAM DAM DAM D B F D S P 显 示 控 制 显 示 控 制 显 示 控 制 航 迹 处 理 航 迹 处 理 目 标 分 类 识 别 接 口 处 理 资 源 管 理 备 份 备 份 通 信 处 理 情 报 综 合 处 理 记 录 存 储 D S P 记 录 存 储 电 源 模 块 交 换 模 块 综合处理信号处理 显示控制 综合处理信号处理 显示控制 计算机计算机计算机 计算机计算机计算机计算机 计算机计算机计算机 计算机计算机计算机 计算机计算机计算机计算机 计算机计算机计算机 人机交互情报上报 波束控制 光纤 射频前端 在系统硬件实现结构中 FPGA应用场景 DAM DBF DSP接口 特点 运算能力强 效率高 接口丰富 系统平台 DSP CPU 射频系统射频系统 射频处理 射频处理 处理模块构建 处理模块构建 数字 模拟转换由国产ADC DDS完成 数字 模拟转换由国产ADC DDS完成 时序同步 协议转发 监控 通道处理等由魂芯器件完成 时序同步 协议转发 监控 通道处理等由魂芯器件完成 与高性能计算平台互连采用高速互联协议实现 与高性能计算平台互连采用高速互联协议实现 平台特点 平台特点 通道间同步在DAM 完成 后续处理归并到数据流计算 通道间同步在DAM 完成 后续处理归并到数据流计算 数据流器件硬件处理平台 硬件和软件各自独立升级 数据流器件硬件处理平台 硬件和软件各自独立升级 应用软件可远程加载 功能调整可在一个节拍内完成 应用软件可远程加载 功能调整可在一个节拍内完成 18 VPX总线通用信号处理平台总线通用信号处理平台 高性能计算平台高性能计算平台 平台构建 平台构建 模块之间的DBF DSP板卡处理器相同 差异在于板卡输入 输出数 模块之间的DBF DSP板卡处理器相同 差异在于板卡输入 输出数 信号处理用DSP 数据处理用CPU 显示用GPU 高效搭配 信号处理用DSP 数据处理用CPU 显示用GPU 高效搭配 板卡间数据采用高速互联协议 与高性能计算平台互连 板卡间数据采用高速互联协议 与高性能计算平台互连 平台特点 平台特点 由数据流驱动器件构成 硬件和软件升级各自独立 功能软件化 由数据流驱动器件构成 硬件和软件升级各自独立 功能软件化 按准最佳效能比和性价比按准最佳效能比和性价比 配置相应资源配置相应资源 或单处理器或单处理器 或多处理器组合或多处理器组合 总线标准统一 按照分布 高速 海量存储等 总线标准统一 按照分布 高速 海量存储等 构建集群化的高性能计算平台构建集群化的高性能计算平台 多计算节点通过数据交换 网络和任务管理网络形成集 群化的高性能计算平台 20 层次化的开放体系架构层次化的开放体系架构 结构分层 功能应用和操作环境分离 为应用提供统一 开放程序接口结构分层 功能应用和操作环境分离 为应用提供统一 开放程序接口 硬件层根据硬件实际接口相互连接 系统层通过操作系统实现调度和管理 异构通信层按标准通信协议传输 各功能插件实现即插即用 完成信息系统实际功能 22 一。