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MPP系统芯片体系结构发展对策研究（theMassivelyparallelProcessingSystem-on-chips)（西安微电子技术研究所，710054）二OO七年九月沈绪榜ZeonPDFDriverTrial目录一、研究背景二、存在问题及分析三、对策分析四、措施与建议ZeonPDFDriverTrial年代，芯片国产化受到了重视，微处理器芯片和操作系统被列为信息产业的核心技术。由于种种原因，我国的微处理器采用了国外微处理器的ISA体系结构与兼容的封装，与国外产品雷同，提高了芯片的自给率，但为量产和体系结构的突破造成了困难。一、研究背景ZeonPDFDriverTrial硅技术与应用要求的迅速上升，越来越迫使芯片设计者要采用面向系统的设计方法。系统芯片就是实现一个完整电子系统的大部分或全部功能的集成电路。MPP系统芯片是芯片集成度发展到上亿晶体管之后，芯片体系结构是要随之变化的产物，是微电子技术发展的必然趋势，也是军民两用的必要选择，它为我国赶超集成电路技术国际水平提供了难得的机遇。ZeonPDFDriverTrial系统芯片是微电子技术发展的必然趋势从晶体管发展到中小规模集成电路，开创了信息时代。从中小规模集成电路发展到处理器与存储器等大规模集成电路，使计算机应用从科学的殿堂走进了千家万户百姓人家。从处理器等芯片发展到系统芯片，功能到体系结构的协同设计，将使芯片设计的抽象层次更高，能普及到各行各业。ZeonPDFDriverTrial（1）系统芯片的发展为了同时满足高性能、实时性、低功耗与经济性的嵌入式应用要求，系统芯片逐渐形成了两种体系结构：一是异构的总线互连的Multiprocessor系统芯片(MPSoCs)，它包含有多个不同ISA的CPU;二是同构的网格互连的MassivelyParallelProcessing系统芯片(MPPSoCs)，它包含有许多相同ISA的PE（ProcessingElement)。ZeonPDFDriverTrial（2）芯片体系结构是提高芯片功能密度的重要途径功能设计芯片面积特征尺寸ZeonPDFDriverTrial（3）硅技术的“红墙”问题Devices201X20XXComputingparadigm（功能域）Diodes,TransistorSSI,MSI,LSIchipsVLSIChips(Memories,Processors)ASIC,SoCchipsRCSoCchipsBio-InspiredchipsNaturecomputingchips19571967197719871997200X19571967197719871997200X201X20XX1947NaturecomputingSelf-computingI+D+C(configurationstream)basedcomputingI(instructionstream)basedcomputingI+D(datastream)basedcomputingChipArchitectures(30nm)(10nm)RedBrickwallRedBrickwallTTLPMOSNMOSCMOSCMOSCMOSSiGeCMOSMolecularDevice（结构域）（几何域）ZeonPDFDriverTrial（4）“红墙”问题对体系结构的影响一是线的延迟比门的延迟越来越重要，在过去的技术中，导线是用来连接逻辑门的，在今后的技术中，导线是用逻辑门来连接的，为此，设计上要采用局部通信技术。二是特征尺寸已小得使芯片缺陷不可避免，设计上要采用避错的自主重构技术。三是漏电流与功耗变得非常重要，设计上要采用功耗的自主管理技术。ZeonPDFDriverTrial电子设备的应用环境有地基、海基和天基三种。在同一种应用环境中，军用和民用的差别不大；而在不同的应用环境中，特别是天基应用环境中，差别是很大的。现在，人类可以把整个地球作为一个系统来研究，利用地球轨道空间进行地面上无法或难以进行的科研生产活动，为人类创造多方面的福利。开发适应天基环境的工艺实现技术，是集成电路产业支持我国太空网络发展的历史任务。2MPP系统芯片是军民两用的必要选择ZeonPDFDriverTrial（1）军事应用是推动科技进步的先导1958年基尔比刚发明集成电路时，由于价格昂贵，无法商品化。美国弹载计算机的小型化需要，使得集成电路得到应用和发展。以军事应用为先导的孵化过程，促进了集成电路商品化的发展。ZeonPDFDriverTrial（2）“两弹一星”推动我国集成电路发展20世纪60年代第771所研制的中小规模集成电路，实现了在弹载计算机上的应用突破1977年采用NMOS大规模集成电路研制了LS77型16位定点微计算机1978年向全国科学大会献礼，实现了微计算机的应用突破但是，由于20世纪80年代国外芯片进入中国市场以后，国产芯片的发展缓慢下来，没有得到量产突破。ZeonPDFDriverTrial（3）星上信息处理技术军民两用的星上信息处理的高性能嵌入式计算机是要用到图像处理等的MPP系统芯片的。美国国家导弹防御系统（NMD）中的天基红外导弹预警卫星系统(SBIRS)，由6颗高轨道卫星和24颗低轨道预警卫星组成。高轨道卫星上装有基于线阵和焦平面的凝视成像红外探测器。低轨道卫星在多个轨道面上成对工作，以提供立体探测和监视。ZeonPDFDriverTrial（4）空间虚拟探测技术美国空军提出“21世纪技术星（TechSat21）”发展计划，利用三维编队飞行的若干颗小卫星协同工作，构成低成本、高可靠性、多任务平台以及具有扩展能力的“虚拟卫星”，实现分布式星载微波雷达（SAR）。空间虚拟探测技术在我国也开展了相关研究，例如，中科院空间中心的“空间虚拟成像技术”，国防科大等的分布式合成孔经雷达等。ZeonPDFDriverTrial目录一、研究背景二、存在问题及分析三、对策分析四、措施与建议ZeonPDFDriverTrial二、存在问题及分析MPP系统芯片的体系结构研究工作已经开展20多年，国外针对星上信息处理与地面科学计算，人们早在图像处理计算机与高性能计算机两个方面，开展了MPP系统芯片的研制工作。我国已开展了MPSoCs与多核处理器芯片的研制工作，但MPP系统芯片体系结构的研究工作不多。ZeonPDFDriverTrial计算机用于在直升机上实时目标识别，包含64×64PE阵列。1980年英国伦敦大学学院推出了一种96×96PE阵列的计算机，用于生物医学图像分析。1983年美国GoodyearAerospace公司研制了一种128×128PE阵列的MPP计算机，用来分析处理航天飞机发回的地貌图像。1987年美国ThinkingMachine公司推出了CM-2，PE阵列中可有65536个处理元PE，主要用于人工智能和图像处理。ZeonPDFDriverTrial“革命性体系结构概念”美国国家科学基金会认为，高性能计算机正处于重要的转折期，从2001年开始启动一系列项目，鼓励“革命性体系结构概念”的研究。在当前的高性能计算机中，采用的是单核或多核的高性能处理器，处理器之间采用共享路由器的复杂的线接技术。MPP系统芯片上的处理元PE要比高性能处理器简单，PE之间采用分布路由器的简单的邻接技术。ZeonPDFDriverTrial在当前的芯片集成度水平下，针对图像处理的MPP系统芯片的体系结构发展很快。处理元PE的功能越来越强。例如，斯坦福大学的流处理器Imagine，MIT的图像处理器RAW，以及PACT公司的可重构的XPP（eXtremeProcessingPlatform）处理器等。在MPP系统芯片上处理元数目虽然远小于1000个，但利用这些MPP系统芯片构成的计算机的处理元数目，是远远超过1000个的，峰值速度大约在1万亿次左右。典型的例子还有GPU（GraphicProcessingUnit）系统芯片。ZeonPDFDriverTrial(1)Nvidia公司2007年推出的图像处理MPP系统芯片ZeonPDFDriverTrial个高效的流处理器（streamprocessor）。全芯片的计算能力达到520gigaflops(5200亿次)。ZeonPDFDriverTrial个流处理器。每80个组成一个SIMD阵列结构，共有4组。每个SIMD阵列包含16个SIMD处理器，理论最大处理速度达到470gigaflops(2)ATI公司2007年推出的图像处理MPP系统芯片ZeonPDFDriverTrial(3)我国图像处理的MPP系统芯片航天时代电子公司第771所于1999年研制了具有4096个处理元PE阵列的MPP计算机。ZeonPDFDriverTrial(4)图像处理存在的问题及分析由于图像处理中常用的是数据并行算法，MPP系统芯片采用SIMDPE阵列的体系结构，已经较好地解决了数据级并行计算的并行编程问题；对于G级像素帧的星载图像处理计算机来说，还存在实现上的虚拟并行PE阵列的实现问题。为了实现MPP系统芯片的SIMDPE阵列的微型化，我国目前所缺少的还有针对“红墙”问题的工艺实现技术，以及天基应用的抗辐射工