微纳信息系统(ULSI,NoC,SoC)的发展现状

微纳信息系统－ULSIULSI的发展历史ULSI已经遵循着Moore定律发展多年了。ULSI在历史中发生了两次转变。第一次是在上世纪70年代，由于直流功耗的扩大，ULSI转向CMOS；第二次是为了避免CMOS尺寸缩小所带来的直流功耗的增加，芯片尤其是CPU从单纯的高主频向一定主频多核方向转变[1]。ULSI的发展现状然而随着ULSI特征线宽进入深亚微米、纳米范畴。包括量子力学效应在内的许多制约MOSFET进一步尺寸缩小的“次级”效应变得越来越难于克服了。这导致CMOSULSI极限的出现。在这个时候提高ULSI的性能能量效率(EEP－EnergyEfficientPerformance)成为了设计者们所追求的目标。Intel的EEP的解决方案[2]Intel从架构和硅工艺的两个方面提高EEPArchitectureinnovation方面的新技术Intel®QuickPathTechnology,Dynamicresourcescaling,Anintegratedmemorycontroller(IMC),Intel®SmartCacheSiliconinnovation方面的新技术Dramaticallydifferenttransistormaterials,hafnium(铪)circuitry解除ULSI极限虽然在ULSI即将达到极限的时候提高EEP是当前的热门，但是人们还是不遗余力地研究怎么解除ULSI极限解除ULSI极限最直接、最根本的办法之一是，引用更有效的、全新原理的开关器件来替代今日的MOSFET，以消除当前scaling所面临的各种次级效应，克服芯片的功耗障碍。当前正在研究的纳电子器件低维电子器件：利用低维（降低电子运动自由度）条件下的一些特殊效应构成新的电子器件。自旋电子器件：利用运动电子的自旋信息构成新的电子器件超导电子学：基于超导Josephson结中的宏量子干涉效应构成新的量子器件。ULSI展望21世纪信息电子学的新突破寄希望于纳电子学、bio-inspired新兴电子学和量子信息处理等信息电子学的新方向。参考目录[1]李志坚.从ULSI芯片的性能能量效率展望21世纪信息电子学的发展[J].电子学报.2007,Vol35No.5.[2]Intel.EnergyEfficientPerformance[EB/OL].微纳信息系统－NoC国外研究现状片上网络(NoC:Network-on-Chip)是一种针对多核SoC设计的新型片上通信架构。针对传统共享总线通信结构中存在的延迟、通信性能瓶颈以及设计效率问题,NoC提供了一种新的片上通信结构解决方案片上网络的研究始于2001左右。术语“片上网络”由瑞典皇家理工学院（KTH）的Hemani等几位研究者2000年11月份在“TheIEEENorChipConference”上提出。典型的NoC结构示意图NoC设计空间NoC设计空间“HardNoC”（网格部分）指基本架构确定，各PE节点的内容也固定的一类NoC结构，其设计空间只是图中一矩形部分，设计余度最小；“FirmNoC”（灰色阴影空间）指其基本架构已确定，网络通道宽度与通讯节点缓存大小不确定，其他维度对设计者完全自由的一类NoC结构，设计者可以根据确定的应用实现最优的布图规划、通讯调度与任务分配算法、IP映射算法和路由交换解决方案，设计空间比较灵活；“SoftNoC”（白色立方体部分）指设计者需要根据应用来优化NoC设计空间的所有问题，设计灵活性最高，但设计难度和工作量也相应最大。NoC包括计算和通信两个子系统，计算子系统（图中由PE，ProcessingElement构成的子系统）完成广义的“计算”任务，PE既可以是现有意义上的CPU、SoC，也可以是各种专用功能的IP核或存储器阵列、可重构硬件等；通信子系统（图中由Switch组成的子系统）负责连接PE，实现计算资源之间的高速通信。通信节点及其间的互连线所构成的网络被称为片上通信网络（On-ChipNetwork,OCN），它借鉴了分布式计算系统的通信方式，用路由和分组交换技术替代传统的片上总线来完成通信任务。国外研究现状2001年6月，斯坦福的Dally和Towles提出NoC作为互连IP模块的一个结构化的通信方式2001年10月，荷兰飞利浦实验室的K.Goossens等人提出了在片上网络中同时支持尽最大努力和保证吞吐量的通信方式，重点是片上互连网络的服务质量国外研究现状2002年1月，意大利博洛尼亚大学的LucaBenini和斯坦福大学的GiovanniDeMicheli合作在“IEEEComputers”上发表了题为“Networksonchips:AnewSoCparadigm”的概念性的论文。在论文中，他们系统的阐述了作为一种新的SoC设计模式的NoC，从而又赋予了NoC一个设计方法学的高度。国外研究现状第一家基于NoC技术公司—Arteris公司于2003年在法国成立。现在商用研究成果主要包括：SONY公司的PS3，Philips公司的AEtherealNoC，SONICS公司的SMARTinternational，ST公司的STNoC,Intel公司的Polaris80核处理器等等。国外研究现状NoC已经成为集成电路设计领域许多重要国际会议的核心议题，第一届片上网络的国际会议NoCs2007于2007年5月在美国普林斯顿大学召开；第二届于2008年4月在英国纽卡斯尔大学举行。第三届会议于2009年5月10-13日在美国加利福尼亚州的圣地亚哥举行。国外研究现状现在国际上有几十个单位（包括许多著名的大学、研究所以及工业界的研究院等）正在积极从事NoC相关方面的研究工作。其中影响较大的单位有：瑞典皇家理工学院、卡耐基梅隆大学、意大利博洛尼亚大学、斯坦福大学等等。国外研究现状具体成果展示在与NoC设计相关性能优化工具和EDA方面：瑞典KTH研发的NoC架构Nostrum研究从物理层到应用层的通信问题：意大利Bologna大学和美国Stanford大学联合开发的一个可综合、高性能的NoCXPipes工程:荷兰Philips公司研发的具有报政府务必给提供最大努力服务的NoCASEthereral工程：英国Manchester大学研发的使用握手信号进行数据交换的自定时NoC国内研究现状中国在这个领域的研究尚不多，与国际最前沿的研究相比有一定的距离。但自从2006年开始，国内不少单位也开始了NoC方面的研究，并获得国家自然科学基金的资助。近几年来国内研究NoC的大学包括合肥工业大学，清华大学，电子科技大学，西安电子科技大学等，研究成果局限于理论部分。国内研究现状具体成果展示合肥工业大学的周干民等开展的关于NoC基础理论的研究。清华大学的徐宁仪等提出的基于簇的层次化网络CHNoC。电子科技大学的李忠琦等开展的面向面向软件无线电的片上网络基础研究和MSNS仿真器的自主研发。NoC技术优势有利于提高通讯带宽NoC的网络拓扑结构提供了良好的可扩展性；NoC连线网络提供了良好的并行通信能力，从而使得通信带宽增加几个数量级；此外，NoC将长的互连线变成交换开关之间互相连接的短连线，这对功耗控制变得极为有利；另一方面，NoC借鉴了通讯协议中的分层思想，这就为从物理级到应用级的全面功耗控制提供了可能。NoC技术优势有利于提升重用设计由于NoC所使用的通信协议层本身属于独立的资源，因此提供了支持高效率可重用设计方法学的体系结构：现有规模的SoC可以基于片上通信协议作为计算节点“即插即用”于NoC的网络节点；给定的互连拓扑结构使得芯片集成可以采用基于片上通信的设计方法（Communication-basedDesign，CBD）来完成。通信和计算完全分离的技术（也就是通信与计算的正交设计）将重用范围从计算单元可重用扩展到计算与通信单元皆可重用的层次，从而大大提升了重用设计的水平。NoC技术优势有利于解决全局同步的难题纳米工艺所带来的各种物理效应使得片上全局同步越来越困难。当采用50nm工艺，时钟频率为10GHz时，全局线延迟将达6～10个时钟周期，时钟偏斜（Skew）变得难以控制，而时钟树又是影响芯片功耗和成本的一个主要因素。这些问题，随着集成器件尺寸越来越小，时钟频率越来越高，将变得越来越突出。NoC的片内网络通信方式，资源之间的短线互连和天然的全局异步局部同步（GALS）时钟策略等特性是解决这些问题有效途径。NoC技术难点NoC关键技术主要包括系统建模、拓扑结构、路由方法、交换方法、缓存策略、服务质量和映射优化等，近年来都不同程度地取得研究进展，而阻碍NoC走向大规模应用的瓶颈在于以下几方面：1、存储结构问题2、软件并行化问题3、功耗管理问题NoC发展趋势向层次化众核方向发展世界排名第二的超级计算机BlueGene/L（212992个核）基本特征就是小核大阵列和层次化管理。而超级计算机告诉我们，小核大阵列和层次化管理必将成为众核处理器的主流技术发展方向。BlueGene/L的层次化阵列结构NoC发展趋势向三维NoC方向发展三维NoC是在单个芯片上将资源节点（Resource）分布在不同的物理层上，并用三维立体架构实现资源间的互连，以构建高带宽、低延时、低功耗的NoC系统。微纳信息系统－SoC定义SoC，systemonchip，片上系统，也成为系统级芯片SoC三大要素SoC一般包含三大基本要素:处理器，存储器，逻辑国外发展现状由于基于SoC开发平台的设计方法可以很好地消除产品快速上市所带来的竞争压力，并能极大地提高产品上市时间因此得到了几乎所有高技术公司的重视，甚至许多国家还投入巨资进行SoC技术的研究与发展。国外主要提供SoC的公司1.Atmel公司的可编程SoC芯片技术及其开发平台2.xillnx公司的可编程SoC芯片技术及其开发平台3.Altera公司的可编程SoC芯片技术及其开发平台4.Trlscend公司SoC芯片技术及其开发平台1.Atmel公司市场目标:商业和工业应用可应用于个人数字助理(PDA)及其附件、数码相机、MP3播放机和GPS模块，以及通过因特网将家用电器(保安系统、温度控制和大型家电)直接接至最终用户和制造商业服务中心的无线家庭网络等领域2.xillnx公司市场目标:需要大量数字信号处理的高端宽带和电信应用适合于网络、电信、数据通信、嵌入式和消费类市场3.Altera公司市场目标：主要也是面向需要大量数字信号处理的高端宽带和电信应用4.Trlscend公司市场目标：重点是电信与网络市场，此外在便携式/无线传输应用、嵌入式网际网络系统、仪器与工具控制等领域也是它的发展空间国内发展现状我国科技部已于2000年12月预启动“十五”国家“863”计划--超大规模集成电路SoC专项工作，并颁发了2000年一2001年度该专项预启动计划项目的申请指南国内发展现状国内移动通信类SoC的研发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司，数字家电类SoC的研发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司。发展机遇1.SoC的EDA工具算法研究与实现2.SoC的核心技术IP的研究与实现3.关键电子信息产品核心SoC技术开发与实现4.SoC技术应用产品的开发研制