通用CPU是IC行業(yè)內(nèi)最具代表性的高集成度產(chǎn)品之一,，其研發(fā)難度之高,、資源投入之多均屬行業(yè)前列,，卻又與信息技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),。2019年6月,，兆芯推出的新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列處理器,，在采用16nm工藝，將主頻提升到3.0GHz的同時,，性能也進(jìn)一步邁入國際主流水準(zhǔn),，為國產(chǎn)通用CPU的發(fā)展樹立了重要的里程碑。
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新一代通用CPU的成功發(fā)布與量產(chǎn),，128mm Die 面積上集成的20億顆晶體管,，凝聚著無數(shù)的辛勤付出與汗水，作為CPU研發(fā)團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人,，兆芯副總經(jīng)理/總工程師王惟林對國產(chǎn)通用CPU的發(fā)展與突破,，有著更深的體會。
兆芯副總經(jīng)理/總工程師王惟林工作照
除了周期長投入大,，更重要是尋找平衡
王惟林表示,，一顆通用CPU從微架構(gòu)設(shè)計到最終發(fā)布量產(chǎn)，是一個時間,、人力,、物力各方面投入巨大的過程。在整個芯片的研發(fā)歷程之中,，微架構(gòu)的設(shè)計開發(fā)占據(jù)著巨大的比重,。這項工作的實施既要考慮到未來的產(chǎn)品方向,、技術(shù)趨勢以及工藝的變化演進(jìn)等因素，還要結(jié)合對功能,、性能,、頻率、功耗等方面的預(yù)期進(jìn)行綜合的考慮,，在這些需求中間尋找到一個最佳的平衡點,。“比如說,，在某些單項參數(shù)方面,，我們已經(jīng)可以做到比現(xiàn)有數(shù)值好很多。但是考慮到最終客戶的需求,、產(chǎn)品的穩(wěn)定性,、應(yīng)用場景的功耗控制等，通常都會做一些取舍,?！?/p>
國產(chǎn)處理器研發(fā)歷程
微架構(gòu)確定之后會進(jìn)入到具體的設(shè)計階段，在這一階段,，一方面要根據(jù)目標(biāo)市場,，進(jìn)行更詳細(xì)、更密集的性能,、頻率,、功耗等方面不斷驗證、優(yōu)化,，另一方面基于未來IO的標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)格，進(jìn)行芯片組功能的設(shè)計研發(fā),，特別是IP的研發(fā)測試也極為消耗時間和精力,。“整個產(chǎn)品設(shè)計階段,，需要經(jīng)歷數(shù)次RTL代碼,、時序等方面的優(yōu)化，以及從電路級,、到模塊級,、芯片級，乃至系統(tǒng)級的驗證測試,，而這些還不包括芯片流片之后的功能,、性能、適配,、良率等方面的更進(jìn)一步測試和優(yōu)化工作,，”王惟林在說起這些需要日復(fù)一日重復(fù)進(jìn)行的設(shè)計工作時語氣凝重,，依然有沉沉的責(zé)任感。
此外,，CPU的設(shè)計研發(fā)工作中,，設(shè)計方法的研究也是非常重要的組成，每一代工藝對應(yīng)的設(shè)計實現(xiàn)的方法都在不斷演進(jìn),，高性能CPU的設(shè)計方法也需要不斷提升,，這樣才能夠基于目標(biāo)工藝，讓最終的產(chǎn)品在頻率和功耗等方面達(dá)到最優(yōu),。
互聯(lián)改進(jìn),、頻率提升、自主IP,，新一代通用CPU三大突破得之不易
兆芯新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列處理器有三項技術(shù)突破的過程令王惟林印象尤為深刻,，一是片內(nèi)、片間互聯(lián)的改進(jìn),，二是頻率的提升,，三是DRAMC DDR4 3200控制器自主IP的成功開發(fā)。
ZPI（Zhaoxin Processor Interconnect）是兆芯自主開發(fā)的全新片間互連技術(shù)
片內(nèi)互聯(lián)方面,，兆芯的研發(fā)團(tuán)隊基于上一代KX-5000系列處理器片內(nèi)互聯(lián)帶寬,、傳輸效率、內(nèi)部延遲等方面存在的問題,，通過建立多種軟件仿真模型進(jìn)行了大量的測試和優(yōu)化,。片間互聯(lián)ZPI 2.0是兆芯自主設(shè)計的一套方案?！盎ヂ?lián)架構(gòu)的設(shè)計研發(fā)以及測試驗證,，這些工作大約占據(jù)了整個芯片研發(fā)工作四分之一的比重,?！痹谡麄€互聯(lián)協(xié)議、內(nèi)核間數(shù)據(jù)一致性上,，研發(fā)團(tuán)隊需要進(jìn)行大量的,、非常復(fù)雜的測試和研究。
至于用戶最關(guān)注的主頻提升,，王惟林表示,，從上一代產(chǎn)品的2.0GHz提升到KX-6000/KH-30000系列處理器的3.0GHz，除了對流水線的優(yōu)化,、物理實現(xiàn)的優(yōu)化,，設(shè)計過程中也遇到了很多的問題。
“處理器頻率和設(shè)計規(guī)模的不斷提升,，高速和高密,，高功耗會使系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境更加惡劣,。電磁環(huán)境的干擾和系統(tǒng)內(nèi)部的相互竄擾，嚴(yán)重地威脅著處理器的穩(wěn)定性,、可靠性和安全性,。最典型的就比如PI（電源完整性）、SI（信號完整性）在3.0GHz下的抖動和損失,，為了解決這個問題,，整個團(tuán)隊在后端、微架構(gòu),、電路,、邏輯設(shè)計等方面都進(jìn)行了特別的處理，并開發(fā)了新的功能,，比如頻率根據(jù)電學(xué)抖動自適應(yīng)等,。”
新一代通用CPU中還集成了很多兆芯自主研發(fā)的IP,，其中 DRAMC DDR4 控制器支持3200MHz,，達(dá)到了行業(yè)的主流標(biāo)準(zhǔn)。從上一代2400MHz到3200MHz,，頻率的提升同樣帶來了SI方面的很多問題,，針對這些問題，相關(guān)的設(shè)計團(tuán)隊在IP設(shè)計,、電路和PCB板設(shè)計方面也都花費了巨大的精力來改進(jìn)優(yōu)化,，直到最終各項指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。
兆芯新一代處理器集成的IP（部分）
正視差距,，上緊發(fā)條,，全力追趕
肯定成績也要正視差距，談及未來發(fā)展,，王惟林信心滿滿
就國內(nèi)而言,，兆芯新一代通用處理器在頻率、性能,、IO標(biāo)準(zhǔn)等方面均處于前列,，但放到國際上看，依然存在很大的差距,。在談及國產(chǎn)通用CPU與國際同類產(chǎn)品的差距時,，王惟林表示，我們也知道差距所在和努力的方向,，但由于人力,、時間、資金等外部因素的影響，讓兆芯在芯片研發(fā)過程中,，只能一次性的解決一些問題,，并且很難有試錯的機會，沒有辦法精雕細(xì)琢和深入研究,，只能盡全力一點點追趕上去,。“方法和流程,，如同材料學(xué)和飛機發(fā)動機一樣,，需要大量的試錯和基礎(chǔ)預(yù)研。但是兆芯一直處于趕路狀態(tài),，要確保每一顆芯片成功,，很多現(xiàn)實壓力讓你沒有時間也沒辦法進(jìn)行試錯，找出某些關(guān)鍵問題的更優(yōu)解,?！?/p>
“與國際廠商相比，我們在研發(fā)投入,、人力資源方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足,，但依舊要保持正常的研發(fā)周期，團(tuán)隊所要付出的時間成本就更加顯著,，唯有給自己擰緊“發(fā)條”,，加班加點自然也就變得稀松平常，再然后也成了一種習(xí)慣,，”王惟林說,。
關(guān)于接下來的工作重心，王惟林表示,，兆芯目前正在積極準(zhǔn)備下一代的產(chǎn)品,，希望在微架構(gòu)方面能取得更大的突破，“在KX-6000/KH-30000系列處理器的基礎(chǔ)上,，單核性能得到顯著的提升,，同時進(jìn)一步優(yōu)化片內(nèi)、片間互聯(lián)的性能,，并且在內(nèi)存,、IO規(guī)格支持上達(dá)到國際同期主流水準(zhǔn),，力求打造出一款更好用的電腦芯,，在滿足用戶需求的同時，加速縮短與國際領(lǐng)先水平的差距,，“談及未來目標(biāo),，王惟林信心滿滿。