0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學習在線課程
  • 觀看技術視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

芯片架構師需要考慮哪些問題

安芯教育科技 ? 來源:半導體行業(yè)觀察 ? 作者:半導體行業(yè)觀察 ? 2022-10-18 10:20 ? 次閱讀

我們認為半導體世界中的許多事情是理所當然的,但如果幾十年前做出的某些決定不再可行或最優(yōu)了,我們應該怎么辦?我們看到了一個使用 finFET 的小例子,平面晶體管將不再擴展。今天,我們面臨著幾個更大的破壞,這些破壞將產(chǎn)生更大的連鎖反應。

技術通常以線性方式發(fā)展。每一步都提供了對以前存在的增量改進,或者克服了一些新的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)來自新節(jié)點、新物理效果或限制等。雖然這非常有效,而且許多單獨的步驟都很出色,但它建立在紙牌屋的基礎上,如果基礎上的某些東西從根本上來說變化,整個設計、實現(xiàn)和驗證的連鎖反應可能非常顯著。

單個連續(xù)內(nèi)存

這些更改之一已經(jīng)進行了一段時間。1945 年首次描述的馮諾依曼處理器架構,具有單一的連續(xù)內(nèi)存空間,是絕對的突破。它提供了一個圖靈完備的解決方案,可以解決任何有限問題。這成為幾乎所有計算機的實際架構。

內(nèi)存很快成為了大小和性能方面的限制。為了克服這個問題,引入了緩存以使廉價的大容量內(nèi)存看起來像更昂貴、更快的內(nèi)存。隨著時間的推移,這些緩存變得多級,跨多個主機連貫,并在越來越大的地址空間上工作。

但這不再是許多現(xiàn)代計算功能的要求。在基于對象的軟件功能和特定領域計算的時代,對內(nèi)存組織的需求可能是有害的。它基于這樣一個前提,即程序可以隨機訪問它想要的任何東西——安全專家希望這不是真的。

必須充分考慮緩存和一致性的全部成本?!霸谛酒袑崿F(xiàn)一致性是復雜且昂貴的,” Imperas Software的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Simon Davidmann 說?!爱斈M行多級緩存時,內(nèi)存層次結構變得越來越復雜,并且越來越充滿錯誤,并且消耗越來越多的功率?!?/p>

當任務很好理解時,可以避免這種開銷。“在數(shù)據(jù)流引擎中,一致性不那么重要,因為您將在邊緣移動的數(shù)據(jù)直接從一個加速器傳送到另一個加速器,” Arteris IP的研究員兼系統(tǒng)架構師 Michael Frank 說?!叭绻銓?shù)據(jù)集進行分區(qū),一致性就會成為障礙,因為它會花費你額外的周期。您必須使用查找表。您必須提供更新信息?!?/p>

面向?qū)ο笙到y(tǒng)的采用,以及限制類型轉(zhuǎn)換的強類型語言和對程序員的一些限制,可以使執(zhí)行流程可預測并避免對單個連續(xù)內(nèi)存空間的需求。諸如在圖形和機器學習中發(fā)現(xiàn)的任務在有限的內(nèi)存塊上運行,并且不會從復雜的內(nèi)存管理或?qū)?nèi)存的硬件控制中受益。

特定領域的計算正在導致人們重新考慮這方面的許多方面?!袄?,DSP 傾向于提供分布式內(nèi)存池,通常直接在軟件中管理,” Arm研發(fā)團隊的高級首席研究工程師 Matt Horsnell 說?!芭c傳統(tǒng)的共享內(nèi)存系統(tǒng)相比,這可能更適合專門應用程序的帶寬要求和訪問模式。這些處理器通常通過提供對特定訪問模式(例如,N 緩沖、FIFO、行緩沖區(qū)、壓縮等)的直接支持來提供某種形式的內(nèi)存專業(yè)化?!?/p>

新的內(nèi)存類型

改變內(nèi)存架構有很大的影響。“挑戰(zhàn)在于,在過去,人們有一個很好的抽象模型來思考計算系統(tǒng),” Rambus的研究員和杰出發(fā)明家 Steven Woo 說?!八麄儚膩頉]有真正考慮過存儲。它最初是免費出現(xiàn)的,而編程模型只是讓你在引用內(nèi)存時,它就發(fā)生了。你永遠不必明確說明你在做什么。隨著摩爾定律的放緩和功率縮放的停止,人們開始意識到有很多新的存儲可以進入方程式。但要讓它們真正有用,你必須擺脫我們過去擁有的非常抽象的觀點。”

第二個相關的變化是通過新的內(nèi)存技術實現(xiàn)的。長期以來,SRAM 和 DRAM 都針對速度、密度和性能進行了優(yōu)化。但是 DRAM 的擴展已經(jīng)停滯不前,而且 SRAM 受到最新節(jié)點的可變性的影響,因此難以保持密度。基于不同物理特性的新內(nèi)存類型最終可能會更好,但這可能不是主要好處。

例如,如果采用ReRAM,存儲單元本質(zhì)上就會變成模擬的,這就開辟了許多可能性。Mythic 負責產(chǎn)品和業(yè)務開發(fā)的高級副總裁 Tim Vehling 說:“模擬的一個基本理念是,您實際上可以在存儲單元本身中進行計算?!?“你實際上消除了整個內(nèi)存移動問題,因此功率大幅下降。當模擬發(fā)揮作用時,您可以進行高效的計算和很少的數(shù)據(jù)移動。借助模擬內(nèi)存計算技術,它的能效實際上比數(shù)字等效技術高出幾個數(shù)量級?!?/p>

這與機器學習所需的乘法/累加函數(shù)完全一致?!皥?zhí)行這些 MAC 操作所消耗的能量是巨大的,”西門子 EDA產(chǎn)品經(jīng)理 Sumit Vishwakarma 說。“神經(jīng)網(wǎng)絡有權重,這些權重存在于內(nèi)存中。他們必須不斷地訪問內(nèi)存,這是一項非常耗能的任務。計算能力是傳輸數(shù)據(jù)所需能力的十分之一。為了解決這個問題,公司和大學正在研究模擬計算,它將權重存儲在內(nèi)存中?,F(xiàn)在我只需要輸入一些輸入并得到一個輸出,這基本上是這些權重與我的輸入的乘積。”

當模擬和數(shù)字解耦時,模擬電路不再受阻。Semtech 信號完整性解決方案集團營銷和應用副總裁 Tim Vang 說:“我們可以設計模擬電路,在某些情況下提供與數(shù)字等效甚至更好的功能,而且我們可以在較舊的節(jié)點上做到這一點?!?“成本可以更低,因為我們不需要所有的數(shù)字功能,因此芯片尺寸可以更小。我們可以降低功耗,因為我們沒有那么多功能?!?/p>

當內(nèi)存發(fā)生變化時,軟件堆棧中的所有內(nèi)容都會受到影響。Synopsys產(chǎn)品營銷總監(jiān) Prasad Saggurti 說:“通常會發(fā)生一種算法,我們看到了一種優(yōu)化它的方法,優(yōu)化內(nèi)存,以便更好地實現(xiàn)算法?!?“另一方面,我們擁有這些不同類型的內(nèi)存。你能改變你的算法來利用這些新的記憶嗎?過去,使用 TCAM 主要是一種網(wǎng)絡域結構來查找 IP 地址。最近,ML 訓練引擎開始使用 TCAM。這需要根據(jù)可用存儲器的類型來改變軟件或固件?!?/p>

CMOS 的終結

但到目前為止,最大的潛在變化是 CMOS 的終結。隨著器件變得更小,摻雜的控制變得具有挑戰(zhàn)性,這會導致器件閾值電壓的顯著變化。摻雜定義了器件的極性,例如器件是 PMOS 還是 NMOS,正是這些器件的配對創(chuàng)建了 CMOS 結構,這是創(chuàng)建的所有數(shù)字功能的基礎。隨著行業(yè)向全柵 finFET 結構遷移,出現(xiàn)了一種新的可能性。

“使用水平堆疊的納米線,您實際上可以構建具有兩個柵極的晶體管,”洛桑聯(lián)邦理工學院電氣工程和計算機科學教授 Giovanni De Micheli 在 DAC 2022 主題演講中說?!澳闶褂玫诙€柵極來極化晶體管并使晶體管成為 P 或 N 晶體管(見圖 1)。你會得到一個更強大的晶體管,因為它創(chuàng)建了一個比較器而不是一個開關?,F(xiàn)在,有了這些類型的設備,您就可以擁有全新的拓撲結構?!?/p>

d4e397d2-4e86-11ed-a3b6-dac502259ad0.jpg

圖 1. GAA 極性門的 3-D 概念圖。

資料來源:Michele De Marchi 論文,EPFL,2015

理論上,這可以通過將極性門一分為二來進一步實現(xiàn)。除了是 p 型或 n 型之外,這將增加每個晶體管也成為高或低閾值電壓器件的能力。因此,每個晶體管在運行期間都可以具有不同的功率/性能特性。

讓我們回到邏輯抽象。“幾十年來,我們一直在用 NAND 和 NOR 設計數(shù)字電路,”De Micheli 說?!盀槭裁??因為我們一開始就被洗腦了,因為在CMOS中那是最方便的實現(xiàn)。但是,如果您從多數(shù)邏輯的角度思考(見圖 2),您就會意識到這是進行加法和乘法運算的關鍵運算符。今天,我們?yōu)闄C器學習實現(xiàn)的所有電路,其中的主要部分就是進行加法或乘法運算。這就是為什么多數(shù)是極其重要的。此外,多數(shù)邏輯是超導體、光學技術、內(nèi)存中的非易失性邏輯等許多技術的自然模型。”

d4ee785a-4e86-11ed-a3b6-dac502259ad0.jpg

圖 2. 基于極性門器件的新邏輯元件。

資料來源:De Micheli/EPFL

De Micheli 的研究表明,采用多數(shù)邏輯設計的電路可以使用今天略微修改的 EDA 工具將延遲減少 15% 到 20%。

但這些類型的變化確實需要對綜合和其他步驟進行重大重新思考。Synopsys 的技術策略師 Rob Aitken 說:“如果這被證明是一個很有前途的載體,你真的需要徹底重新考慮合成引擎?!?“許多新設備不會有效地采用 NAND/NOR 電路并從中構建東西,而是將本機調(diào)整為 XOR、多數(shù)門或其他一些邏輯功能。會發(fā)生什么?綜合關注您正在構建的基本事物,雖然它過于簡單化,但邏輯綜合需要一個 PLA,然后將其折疊成一個多層次的對象。以不同的邏輯風格重新思考很重要?!?/p>

改變基本的晶體管功能對流程的許多方面都有重大影響。例如,設備現(xiàn)在有四個或五個終端,而不是三個,這會對布局和布線產(chǎn)生什么影響?它將如何影響扇入扇出和擁塞?

結論

改變是困難的。一項有前途的技術必須克服現(xiàn)有技術數(shù)十年的優(yōu)化,這會帶來巨大的慣性挑戰(zhàn)。它還可能需要同時更改解決方案的許多部分,例如硬件和軟件,或整個實現(xiàn)鏈中的工具。但隨著該行業(yè)接近半導體的一些基本物理極限,它需要變得更加靈活并愿意改變。

編輯:黃飛

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
  • CMOS
    +關注

    關注

    58

    文章

    5996

    瀏覽量

    238143
  • 晶體管
    +關注

    關注

    77

    文章

    9983

    瀏覽量

    140752
  • 機器學習
    +關注

    關注

    66

    文章

    8493

    瀏覽量

    134140
  • reram
    +關注

    關注

    1

    文章

    52

    瀏覽量

    25628

原文標題:學習分享 | 芯片架構師需要思考的一些問題

文章出處:【微信號:Ithingedu,微信公眾號:安芯教育科技】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

收藏 人收藏

    評論

    相關推薦
    熱點推薦

    kintex產(chǎn)品架構設計文檔(成為架構師也是電子人不錯的選...

    kintex產(chǎn)品架構設計文檔(成為架構師也是電子人不錯的選擇) ROCE(儒仕),用心為每一位電子人!Xilinx7系列普及講座,架構師設計方案模板,交流學習 內(nèi)容請下載附件pdf,更多內(nèi)容請登錄ww..rocetech..co
    發(fā)表于 04-30 16:41

    關于架構師的詳細介紹

    溝通能力被排在架構師能力的第一位,它既是架構師入門能力,也是最難用量化標準來的能力。本文將為大家介紹架構師——能說會道的程序員。
    發(fā)表于 07-11 07:20

    架構師的能力鍛煉

    架構師每天都需要做選擇題。什么選擇?怎么做選擇?架構師需要進行怎樣的學習、培訓和鍛煉來進行正確的選擇?讀了本篇文章,你會對架構師為什么會
    發(fā)表于 07-11 08:29

    架構師最重要的是什么

    軟件架構師的定義乃至所需要的特質(zhì)歷來眾說紛紜。下面從一些另類的角度來做點分析。
    發(fā)表于 07-15 08:12

    好的架構師為什么是出色的程序員

    一個優(yōu)秀的軟件架構師,首先一定是一個出色的程序員,這是本篇文章的議題。從本文我們可以了解到一個架構師的工作是什么,他容易遇到的問題是什么,因此他為什么必須是一個出色的程序員。
    發(fā)表于 07-17 07:03

    女性會更適合做架構師?

    人們往往發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀的數(shù)學家、物理學家以及軟件架構師有著很多相似的素質(zhì),甚至往往能夠一人精通這好幾個領域,其中很重要的原因就是這個抽象思維的能力。架構師們潛意識中會覺得女性更適合做架構師?讓我們看看這是為什么。
    發(fā)表于 07-17 06:15

    怎樣成為軟件架構師

    “軟件架構師”這個名詞也不知是什么時候進入我的腦中的,不過一直就很疑惑,總覺得和軟件的Team Leader之間有些糾纏不清。不過以我的觀點來看,軟件架構師除了沒有行政上的職責以外,與Team
    的頭像 發(fā)表于 10-19 09:55 ?3095次閱讀

    怎樣成為一名資深Java架構師

    要想往架構師的方向發(fā)展首先要知道架構師是什么?
    的頭像 發(fā)表于 10-17 09:03 ?3334次閱讀

    大數(shù)據(jù)架構師的職責有哪些

    架構師按照專注領域不同,可分為企業(yè)架構師、基礎結構架構師、特定技術架構和解決方案架構師等,專職架構師
    的頭像 發(fā)表于 04-04 16:24 ?4033次閱讀

    架構師是干什么的

    架構師不是不食人間煙火,不是只在一個人的隔間里設計架構,而是需要和產(chǎn)品方,需求方,程序員等各路人馬打交道。
    的頭像 發(fā)表于 04-04 16:28 ?1.2w次閱讀

    開發(fā)工程架構師的區(qū)別

    架構師是程序員的職業(yè)生涯發(fā)展的一個方向,很多架構師都是從開發(fā)人員逐步過渡來的,程序員想要成為架構師,平時就應該身負“架構師”職責,用架構師
    的頭像 發(fā)表于 04-04 16:35 ?1.4w次閱讀

    如何成為一個優(yōu)秀的區(qū)塊鏈架構師

    這篇文章是為那些想進入?yún)^(qū)塊鏈的人準備的。特別強調(diào)那些想要進入架構師角色的人,因此需要理解所有的理論,但是實際上不需要對任何東西有深入的了解。作為架構師,您應該知道如何在
    發(fā)表于 10-17 10:20 ?1701次閱讀

    架構師需要具備什么技能

    成為一名云架構師的基礎是具備部署和操作不同網(wǎng)絡類型的知識,以及通常要掌握與SDN相關的一些知識。
    發(fā)表于 03-17 11:14 ?1723次閱讀

    什么是 SoC 設計中的系統(tǒng)架構師

    否是您或可能是您。 對系統(tǒng)架構師的需求不斷增長,因為領先的數(shù)字 ASIC 設計每年都變得更加復雜,并且需要數(shù)十人的團隊在它的所有不同方面工作。根據(jù)先進的芯片設計公司 Sondrel 的說法,系統(tǒng)
    的頭像 發(fā)表于 07-18 16:26 ?2304次閱讀
    什么是 SoC 設計中的系統(tǒng)<b class='flag-5'>架構師</b>?

    阿里專家:架構師是一個什么樣的角色

    架構其實是每個業(yè)務線都有,有些技術同學本身也是架構師的角色。阿里很早以前是專門有架構師崗位,專門的去做架構,但是做著做著架構師就做沒了。
    的頭像 發(fā)表于 03-14 09:25 ?988次閱讀

    電子發(fā)燒友

    中國電子工程師最喜歡的網(wǎng)站

    • 2931785位工程師會員交流學習
    • 獲取您個性化的科技前沿技術信息
    • 參加活動獲取豐厚的禮品