不久前，Micro Magic公司（加利福尼亞州桑尼維爾）推出了一款64位RISC-V處理器，該處理器時鐘高達5GHz，但可以接近閾值的電壓工作。
該公司首席執(zhí)行官Mark Santoro（馬克·桑托羅）指出，雖然該高時鐘頻率是罕見的案例，但更重要的成就是RISC-V處理器的低功耗性能。將工作電壓降到接近閾值電壓的 350mV 時，性能降低 5 倍，但計算功率效率可提高 9 倍以上。
Santoro指出，該公司的歷史可以追溯到Sun Microsystems之前。該公司是一個相對較小的工程師群體（LinkedIn信息顯示不到50人），他們專門從事數(shù)據(jù)路徑設(shè)計、優(yōu)化和高速內(nèi)存設(shè)計。該公司最初成立于1995年1月，但于2000年12月被Juniper Networks以2.6億美元收購。Micro Magic的創(chuàng)始人在2004年重新啟動了公司。
盡管公司的創(chuàng)始人對研發(fā)領(lǐng)先的處理器很感興趣，但他們必須開發(fā)自己的 EDA 工具套件。自 2004 年進行改革以來，Micro Magic 一直是這些 EDA 工具的供應(yīng)商，也是一家設(shè)計服務(wù)公司，使用其工具改進客戶的 ASIC。
桑托羅說，這些EDA工具的一個優(yōu)點是能夠根據(jù)時序要求放置和布線電路，從而使性能和定時閉合設(shè)計更加容易。
每瓦CoreMarks
桑托羅說：“CoreMarks似乎是一個合理的基準(zhǔn)，但我們的設(shè)計是為能效而設(shè)計的，而不僅僅是性能。CoreMarks 是 EEMBC（嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟）生產(chǎn)的績效基準(zhǔn)套件，是一個非盈利的會員資助組織。
”但每 MHz 的 CoreMarks 并不顯著，因為 CoreMarks 不會直接降低時鐘頻率。更重要的措施是每瓦CoreMarks，“桑托羅說。然后，他提供了附加功耗的關(guān)鍵基準(zhǔn)圖。這是 RISC-V 內(nèi)核和一級緩存的功耗。
在 1.1V 時，處理器的時鐘頻率為 5.14GHz，在消耗約 500mW 時實現(xiàn)了 13，333 個 CoreMark。這相當(dāng)于近 27k CoreMark /瓦特。
0.8V的處理器運行在4.3GHz和達到11，111 CoreMark，同時消耗200mW。這是55.5k CoreMark /瓦特。
在 0.6V 下，處理器以 3.1GHz 的速度運行，達到 8，461 CoreMark，消耗約 70mW。這大約是121k CoreMark /瓦特。
運行到350mV，在消耗10mW的同時，實現(xiàn)了1GHz和2500 CoreMark的時鐘頻率。這是25萬個CoreMark /瓦特。
將電壓降到三分之一，處理器的基準(zhǔn)測試沒有”裝箱“，這意味著同一芯片將能夠?qū)崿F(xiàn)最高的時鐘頻率性能和最高的計算功率效率。
不幸的是，由于緩存大小不同以及包含的外圍邏輯量，因此比較處理器并不總是容易的。
Micro Magic仍然沒有透露是哪家晶圓代工廠為其生產(chǎn)的芯片。我們被告知的是，它采用了 FinFET 制造工藝，公司已經(jīng)比較了三個制造廠 PDK ，對比了兼容性。這表明所選制程為 28nm 或以下，并且由于成本等原因，不會低于 10nm。這樣猜測，代工廠只可能是Globalfoundries、三星或臺積電，英特爾和中芯國際也有可能。
沒有捷徑
但是當(dāng)我們問桑托羅，他的團隊是如何在10mW獲得2500個CoreMark的時，他說：”沒有靈丹妙藥。低功耗沒有一件事。它是我們必須關(guān)注的很多事情的結(jié)合。桑托羅指出，回到太陽實驗室，他和其他工程師取得了最高性能的SRAM與900皮秒的訪問時間。
“此外，當(dāng)您設(shè)計高性能時，您必須注意電源。如果你不為低功耗設(shè)計，你最終會熔化電線，”他補充說。Santoro 重申，當(dāng)他最初創(chuàng)立 Micro Magic 時，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)工具并不適合這種設(shè)計風(fēng)格?！拔覀儽仨毦帉憣Ｓ霉ぞ邅順?gòu)建和分析記憶。我們必須創(chuàng)建用于計時感知放置和路由的工具。
他繼續(xù)說：”你可能還記得SiByte在宣布一個能夠以2GHz運行的MIPS處理器時引起了轟動。這是使用Micro Magic軟件放置的。西比特是由丹·多伯波爾創(chuàng)立的初創(chuàng)公司。該公司于2000年披露了其網(wǎng)絡(luò)處理器，2000年11月被 Broadcom 以價值超過 20 億美元的股票收購。
實現(xiàn)高時鐘速度的傳統(tǒng)方法之一是在 ALU 中創(chuàng)建細粒度管道，以便完成較小的處理區(qū)塊，每個階段所需的邏輯更少，因此能夠以更高的時鐘頻率執(zhí)行。這也意味著許多指令正在管道中并行執(zhí)行。但是，這種好處伴隨著成本。
桑托羅指出，管道越深，當(dāng)管道中存在停滯時，處理過程必須被丟棄。這種偶爾但大量浪費的努力會降低能效。此類停滯可能出于各種原因，包括中斷和在緩存中找不到指令或數(shù)據(jù)輸入，需要加載新頁面。
此外，更深層次的管道需要更多的控制邏輯，這也會損害電源效率，并且有一種誘惑，即通過訂單和投機性執(zhí)行來增加復(fù)雜度，而這一切最終都需要更多的翻牌和更多的功率。
Santoro 不承認(rèn) Micro Magic 設(shè)計有多少管道階段，事實上，這樣的問題往往取決于如何定義處理階段?！八中∮趾唵?。即使在設(shè)計團隊內(nèi)部，人們也爭論它有多少個管道階段。我們的 CoreMarks 可能很高，但我們不是為 CoreMarks 設(shè)計的。他繼續(xù)說：”建筑確實很重要，但工具很重要。
Santoro 解釋說，通過設(shè)計高速接入數(shù)據(jù)路徑，Micro Magic 可以快速完成管道階段，同時保持 ALU 的簡單性，從而提升低功耗。
桑托羅也不會透露設(shè)計成工作芯片的 L1 緩存的大小?！澳憧偸窍胍?，但我們是在傳統(tǒng)大小某處。16k字節(jié)或32k字節(jié)在5GHz下難以運行。這表明4kbyte或8kbyte的 L1 緩存大小。
盡管 Micro Magic 生產(chǎn)的工作芯片是單一內(nèi)核，但 Santoro 承認(rèn) IP 的被許可方很可能希望將內(nèi)核部署在四核或八核配置中。他說，Micro Magic設(shè)計可以很容易地去多核實現(xiàn)，有一些掛鉤存在，這將有助于這樣的設(shè)計。
當(dāng)被問及Micro Magic是否會考慮實施完全耗盡的絕緣硅工藝時，桑托羅說：”FDSOI非常有趣。我們的設(shè)計中沒有任何東西可以排除 FDSOI 的使用。
然而，桑托羅指出，該公司選擇了FinFET制造工藝，試圖最大限度地提高該行業(yè)的可用性。FinFET 還提供通往領(lǐng)先制造工藝的明顯途徑 - 現(xiàn)在為 7nm 和 5nm。FDSOI 可能無法歸結(jié)為這樣的幾何形狀。
FinFET 流程和 FDSOI 之間有一些區(qū)別，但我們設(shè)計的工具具有適應(yīng)性，因此很容易將設(shè)計重新定位到不同的流程。他說。桑托羅確實提出了警告。“如果你想利用 FDSOI 的后偏置功能，它確實會更多地參與其中。
Santoro 表示，值得注意的是，10nm 以下的前沿 FinFET 制程的應(yīng)用往往側(cè)重于兩極功能，適用于應(yīng)用領(lǐng)域：智能手機和高性能計算。一個是受功耗限制，同時仍然需要顯著的性能。另一個要求高性能，但仍必須追求能效。桑托羅將芯片的性能留給 5GHz 和 1GHz 來為自己說話。
桑托羅在分手時指出，在工具集方面，Micro Magic已經(jīng)擁有三維布局工具超過15年。然而，由于主流EDA供應(yīng)商不支持3D設(shè)計，它未能像桑托羅想象的那么快。”如果你太超前，你就不被接走，“他渴望地說。
現(xiàn)在，隨著芯片級封裝開始進入主流制造，Micro Magic完全有能力實現(xiàn)這樣的設(shè)計。
業(yè)務(wù)選擇
此外，Micro Magic 似乎也是從設(shè)計服務(wù)（它已成功執(zhí)行多年但無法很好地擴展的業(yè)務(wù)）遷移到更具可擴展性、面向產(chǎn)品的 IP 許可業(yè)務(wù)的好去處。或者，它也可以作為 EDA 公司（也是可擴展的商業(yè)模式）繼續(xù)使用工具許可。
作為 EDA 工具供應(yīng)商的風(fēng)險是，公司可能會卷入設(shè)計服務(wù)。許可核心作為產(chǎn)品也有挑戰(zhàn)。它需要權(quán)力堅持產(chǎn)品計劃，并拒絕要求額外的鐘聲和口哨的核心。屈服于這一點的 IP 供應(yīng)商也融入了有效的定制設(shè)計。
”我們構(gòu)建了 RISC-V 設(shè)計，以展示我們能做什么，以及我們的工具可以做什么，“Santoro 說?！蔽覀儸F(xiàn)在得到了很多的興趣。計劃是許可出核心，雖然事情已經(jīng)變得更加復(fù)雜。如果我們即將被收購，我們不想許可出核心。
鑒于Micro Magic在首次銷售中和2000年由SiByte實現(xiàn)的溢價價值，可以看明桑托羅為什么考慮公司的選擇。