当前SOC设计挑战越来越大,因为上市时间要求越来越短,差异化越来越难。系统级的复杂性越来越高,包括软硬件的集成,以及大量异构的核的使用。另外,对于安全性、安全防范的要求也越来越高,要求芯片无论是在实验室还是追踪应用的过程中性能更高。

2017年11月14日,领先的嵌入式分析技术开发商Ultra SOC在深圳举行媒体见面会。并宣布Microsemi在基于Risc-V开源处理器架构的产品中全面采用UltraSOC架构。Microsemi在存储、网络卡领域处于全球领先的地位。UltraSOC是主要的开发和支持工具,这个新闻对于Risc-V社群是非常重要的发布。同时Microsemi也是Risc-V社区非常重要的玩家。

此前,Ultra SOC曾宣布了一项重要的全球性扩展,以满足一系列电子产品对更复杂、且能自我感知的硅芯片日益增长的需求,这些产品包括从轻量级传感器到支持互联网的服务器群组等。Ultra SOC的RISC-V处理器跟踪功能实现方案将在2017年Q4推出。

Ultra SOC的半导体知识产权(SIP)产品可简化系统级芯片(SOC)的开发,并未涉及人员提供有价值的嵌入式分析功能。Ultra SOC的技术最初开发出来时是一种芯片开发工具,用来帮助开发人员做出更好的产品。目前它主要应用在一系列应用需求中:如汽车行业中的安全性和安防,因为自动驾驶汽车发展带来了前所未有的变化和风险;又比如从互联网搜索到数据中心等大数据应用的优化;以及IoT的安全性等。

根据Semico Research估计,芯片制造商通过在开发流程中使用UltraSOC的技术,可使得众多项目盈利翻倍,开发成本可削减1/4。UltraSOC的授权客户包括海思、imagination 、Movidius(被Intel收购)和Microsemi。另外还有一部分客户因为签了NDA协议,是不能透露名字的。合作伙伴则包括晶心科技、ARM、Cadence、CEVA、Cadence、Codasip、MIPS等IP公司。

UltraSOC是一家什么公司?

esmc11141202 UltraSOC首席执行官Rupert Baines

UltraSOC首席执行官Rupert Baines表示,UltraSOC是一家英国剑桥的小公司。总部位于英国的剑桥,办公室离徐志摩当年生活的地方很近。

UltraSOC目前还是一家由VC提供资金的公司,所有的技术来源于大学。特别是投资阵容很强大,公司的董事长是加州伯克利大学分校的一位教授,同时他也是Snopsys和Cadence的联合创始人。

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UltraSOC的商业模式如同ARM,是一家半导体IP公司。它们不销售芯片,所有的IP都卖给Intel、海思、imagination、Microsemi这些芯片公司中。UltraSOC的IP是帮助客户解决半导体行业面临的最大问题。今天的SOC设计面临很多大的挑战,芯片变得越来越复杂,多种单元和处理器,还有很多软硬件的集成。

正因为如此,所以设计一个芯片,以及把设计芯片推向市场所需要的成本都越来越高。所以产生这个现象的原因主要是设计方法还没改变,大家都还在用30年历史的设计方法。

这些面临的挑战比如系统级的复杂性,大家可能听到Synopsys的总裁兼CEO反复提到系统复杂性,因为有太多的单元和软硬件的协同。另外一个挑战是安全性,比如汽车业有对SOC的标准,另一方面是信息的安全。开发和上市成本提升非常快的原因,是设计方法比较传统,主要是单元级上做开发。其实每个单元内部都有非常好的成功的方法,但都不是系统级的解决方案。这就是UltraSOC要解决的问题。

所以,UltraSOC帮客户解决很多业务本质的问题,可以改变行业内如何让产品更快上市,如何去优化硬件、软件的协同,怎么引入RISC-V。

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对于UltraSOC来说,它们的技术为什么能解决这些问题?是因为有一个库,这个库大约有30多个组件。因为幻灯片中浅蓝色的问题就是这些组件解决的问题,这些系统设计师就是把这些组件应用到芯片设计的不同部分。

UltraSOC的组件能够智能的懂得SOC中各个单元和软硬件,包括可以读懂ARM和RISC-V的软件,也可以读懂硬件。换句话说,UltraSOC可以把SOC的各个部分放到一个系统中去,可以全面的看到硬件和软件设计的整体状态。

这是一个非常典型的设计,是手机处理器,里面有ARM的处理器,也有可以理解ARM软硬件的组件,同时也有CEVA的DSP。对于UltraSOC的软件也能理解DSP的设计,同时也可以作为一个整体来进行理解。它们也有专门针对硬件的组件,比如针对总线和芯片类的互联。同时它们把所有这些软硬件分析功能,放到一个整体的分析功能下面。所以UltraSOC的IP可以解决很多问题,比如很常见的是我在做一个芯片设计的时候,CPU的确工作,但是速度没有做产品定义和规划的时候这么快。

UltraSOC的系统还可以解决很多系统级的问题,比如系统的被挂起和锁死,这是电子系统常见的问题。当年TD-SCDMA大发展的时候,曾经的合作伙伴是系统每8天要死一次机,对于系统设计人员来说这是很头痛的事情。

这个系统的被挂起和锁死是一个系统设计中非常严峻的挑战,因为你去做仿真,大概每8天死一次机,仿真速度很慢。要做一次仿真,不一定能找到问题。对于UltraSOC来说,去解决这样的问题非常快,从而给设计人员和UltraSOC带来很大的方便。

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这个幻灯片上列的是UltraSOC在片上分析IP的好处,其中很重要的原因是如果能够了解SOC设计里面的每一件事情,就会有针对性的解决相关的问题。由于这个IP是一直处在芯片内部的,所以既可以用在实验室做产品研发的时候去做调试工作,也可以在产品应用现场,不同的应用场景下去了解和优化你的芯片设计。

因为UltraSOC支持相关的安全性,有一个标准是用于信息安全的,用于防止黑客入侵,也有支持ISO26262的标准。这个IP可以观察这个芯片是否可以正确正常的工作。正式因为UltraSOC出售的是IP,所以只需要不到1%的DIE面积,就可以大大提高性能,同时减少BUG,还可以降低功耗。按照一项研究,同时也可以加速产品上市,利润率可以达到2.3倍。

UltraSOC的IP是如何工作?

那么UltraSOC的IP是如何工作的呢?一共有3个层面上的工具,第一层是大约30种的分析模组,他们的功能是能够理解芯片的SOC的不同的部分。比如ARM的软件和CEVA的软件,以及总线、内联的硬件。他们的优点是本地化的智能,所有这些模组都是在本地化工作,就在相关单元的旁边以系统级的速度来工作,同时不是侵入性的,不会影响任何系统的性能。

第二层是它们的单元模块之间的结构,可以被重新配置的。当他们发现一个处理器有问题的时候,相互之间会沟通,把更多的资源集中到处理器中去做相应的分析。然后,但是他们是独立的不会去影响处理器的工作。

最后一部分是他们的连接通讯器,因为需要把他们的单元和外部世界连接到一起,所以这些通讯器可以用芯片设计中非常标准的协议来做连接,也可以用常用的USB协议把芯片内部的IP和外部环境连接到一起。另外一个是,UltraSOC只在片上工作的模式,比如这个芯片已经发货了,他们的IP不需要跟设计师再做沟通,也会帮助芯片去优化性能和功能。

UltraSOC提供所有软硬件的全面可视化操作系统,这就是UltraSOC的典型操作界面。中间有紫色编码的部分是软件跟踪显示,他们的IP已经找到另一个断点,同时右边已经显示到了硬件,当断点出现的时候,总线上当时正在做什么操作,有什么信息的沟通?相应的硬件的行为也可以看到,右边是统计数字,包括内部架构上的延迟。

最左边是模块的工作情况,中间是处理器的工作情况,可以支持UltraSOC的IP,可以支持目前来看客户开发最多的数量是256个核,还有客户正在开发最多4000个核的芯片。(比如超级相控阵雷达)

在绝大多数芯片或电子系统中,右上角的统计数据来看,系统工作都是一开始性能慢慢提升,到了一个高点后,系统性能下降,有可能是你的内存出现泄漏,或者总线出现拥堵,或者其它的一些原因。UltraSOC就是帮助你分析和找出具体的是哪些原因。

如果是软件开发工具,很多公司都有,但是市场上还没有硬件的这种商业化的跟踪分析工具。所以能够把软硬件和相关统计数据同时提供的目前只有UltraSOC。

现在我们看到的是更多的案例,有一个非常常见的问题:UltraSOC的缓存问题,这个时候大家的CPU设计并没有问题,这是一个软件的问题。你需要去找相关的软件问题,如果用它们的工具可以很方便的解决这一类的问题,缓存的优化可以提升CPU 20%的性能。

后面两种情况是存储器、控制器的问题,这是芯片中非常复杂的设计,需要很优化的设计。在高速存储数据中,存储器、控制器有可能成为数据存储的瓶颈。比如左边的存储器的情况,是系统的存储不平衡;右边是存储的流量峰值的波动,用UltraSOC就可以很方便的帮助设计人员发现这些问题。左下角的案例,如果不用UltraSOC就基本不可能去发现这些问题,但是在系统实时工作的情况下,出现一个小小的问题让Moden宕机了,用别的工具很难发现,用UltraSOC就很容易找到这个原因。

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UltraSOC也可以在实验室作为工程开发工具来使用。同时UltraSOC在产品生命周期都能用,比如一个很大的一家客户用UltraSOC的片上分析 IP。这家客户的芯片在汽车使用中会不断检测芯片的状态,这是可以满足IS026262标准的IP,这个标准在汽车领域是非常难通过的,也是非常重要。

另外一个跟安全性一样重要的是安全防范,因为实施的硬件检测可以发现任何工作不正常的地方,比如CPU的工作情况。如果CPU被锁死了,CPU会不断跟系统打招呼,停止其它一切工作,这个时候你可以知道CPU被攻击了。这是因为UltraSOC的IP是在硬件中,对于藏在OS后面的,是看不见的。所以进攻者不可以停止监测,去干扰监测。不像其它的软件层信息防范工具,黑客进攻是可以去停止或欺骗看得见的防范工具。

那么,UltraSOC是否可以在芯片具体使用之前进行提前的仿真测试?实际上UltraSOC也希望进入更大的空间,目前已经在这个领域把软件授权给了Mentor,用在它的仿真模拟的平台上去,可以使得UltraSOC的仿真更高效,但是更多的客户还是应用到系统级的设计或监测工具。

为什么百度、亚马逊要开发自己的服务器芯片?

对于UltraSOC最大的市场是数据中心和服务器,这些数据大的互联网公司都在开发自己的芯片去优化网络。比如美国的亚马逊、微软、Facebook,国内的百度、阿里巴巴、腾讯都在做自己的硬件,包括华为的海思、高通这些公司都在做用于服务器的芯片。

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为什么他们要自己开发芯片?因为类似阿里这样庞大的营业收入,他们要确保自己的服务器工作很流畅。亚马逊有一个研究,100毫秒的延迟等于自己的营业收入减少1%,对于亚马逊的收入来说这是很大的损失了。所以这些互联网公司都在努力让系统工作得很流畅和正常。(PS:读者可以到UltraSOC的网站去看一下,很全面的介绍互联网和服务器之间的关系,其中一份谷歌和微软做的调查,会详细介绍延迟带来的损失。)

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总结一下UltraSOC能提供的产品,UltraSOC的IP在客户的SOC中不断的分析芯片和收集相关数据,这些数据可以被设计人员用在不同的地方,在开发阶段缩短上市时间,可以创建更好的产品。除了刚才说的开发阶段用的数据外,还有非常有价值的信息,可以用在更多的地方,让芯片可以工作得更好,更少的问题。而且你也可以在产品的整个生命周期上去使用IP,比如用于安全性,以及信息安全方面的防护,可以监控芯片,防止恶意攻击。

UltraSOC是一个开源的CPU,包括商品化的CPU设计,类似于Linux。所以在CPU设计领域,可以下载Risc-V的源程序自己做设计,也可以买SiFive的授权来做设计。

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对于UltraSOC来说,中国市场非常重要,许多中国公司都在关注和投入Risc-V的芯片,他们希望芯片设计更多的本地化。除了很多大客户,中国还有很多半导体初创企业,比如很多一些中国的新创公司去开发很先进的应用。

UltraSOC是业内唯一一家提供商品化的Risc-V开发环境的公司,包括追踪、监测、调试CPU的运行,也可以用在完全的OPEN-SOURCE里面。因为他们的产品提供开发环境,如果完全从开源的做起,支持运行控制,追踪、调试。也可以去全球最领先的几家做Risc-V内核开发的公司。

从ARM到Risc-V,从“霸权主义”到“民生”模式

20年前,信息产业高度垂直化,Intel做了所有的事情,比如CPU、内存、GPU和芯片架构都由一家公司决定。同样的事情发生在MoTO、TI、富士通这些公司,在不同的领域都出现了垄断的局面。

但是现在这个情况改变了,比如说几年前大家可以购买不同的授权,比如ARM的CPU,CEVA的DSP来集成到产品中去。根据不同的需求来做产品,从完全垂直的产业结构到今天已经有很大改变。但是类似于Risc-V这样的CPU的开源架构更推进了一步,大家不用买了,可以通过分享、交流获得知识产权,如同Linux在开源软件领域的地位。

那么Risc-V和ARM架构来比较的话,哪个更具优势呢?如果从市场比较来看,这种比较还太早。从技术上来比,比如功耗、性能和面积比较来看,因为最终芯片的性能是由芯片开发商来实现的。Risc-V只是一个架构,目前的产品类似于ARM的M/5,因为是开源的,需要优化,因此需要找SiFive这样的公司来优化。如果是免费的,可能性能不会最好。从功能来看,Risc-V主要是M系列的功能,明年会推出64位的产品,相当于ARM A53的产品性能。

“对于我们这些半导体产业的人来说,我们正看到设计模式的一种转变,即从老牌独家厂商的‘霸权主义’转移到一个更加开放和接近‘民生’的模式,” Rupert Baines表示“这得到了Risc-V群体创新活动的力争,而UltraSOC在其中扮演了重要角色。我们的技术可解决当今科技公司面临的更多样化的问题,尽管这些技术被深度嵌入在硅芯片中且不会被周遭的世界看见。”

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