針對(duì)手機(jī)應(yīng)用的高性能Omap2420剖析

針對(duì)手機(jī)應(yīng)用的高性能Omap2420剖析

在最近的CTIA 無線資訊科技暨娛樂展上，眾多公司展出的主題驚人一致：語音、數(shù)據(jù)應(yīng)用、音樂和視頻，而且全都通過無線方式實(shí)現(xiàn)。這讓我在坐下來撰寫這篇關(guān)于德州儀器(TI)的Omap2420應(yīng)用處理器評(píng)論時(shí)，稍感輕松，因?yàn)檫@個(gè)共同的主題恰好總結(jié)了TI在該領(lǐng)域?qū)ψ约旱亩ㄎ弧?

Omap2420適合基于Linux、Windows和Symbian操作系統(tǒng)(OS)的高端手機(jī)應(yīng)用。它是Omap 2系列產(chǎn)品中的第一款，而Omap2系列最終將會(huì)轉(zhuǎn)向“調(diào)制解調(diào)和應(yīng)用處理器”的混合領(lǐng)域。或許這款芯片最吸引人的地方就是多處理器內(nèi)核，它包含了330MHz的ARM 11 RISC、220 MHz的TI C55 DSP、內(nèi)含ARM7的成像和視頻處理器，以及支持166 MHz移動(dòng)DDR SDRAM的Imagination Technologies公司3-D圖形處理器。該芯片還集成了顯示和相機(jī)控制器、SDRAM和閃存控制器，并附加了60多個(gè)外圍控制器。Omap 2420能夠?yàn)楦叨硕嗝襟w應(yīng)用提供強(qiáng)大支持，這些應(yīng)用包括30fps通用中間格式(CIF)的視頻會(huì)議、30fps的VGA編解碼、VGA和TV顯示，以及300萬像素以上的相機(jī)。使用該芯片的手機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間，估計(jì)馬上就會(huì)投放市場。

2420與TI前幾代Omap應(yīng)用處理器最大的不同，就是設(shè)計(jì)工藝由130nm縮減為90nm。另外，2420使用的ARM內(nèi)核性能也有所提高：之前的Omap芯片最高只能支持220MHz，而2420則將速度提高到了330MHz。2420的高速緩存容量和存儲(chǔ)器總帶寬都有所增加，此外TI還用ARM11 RISC取代了ARM9。

Omap2420的3-D圖形性能提高了40到50倍，視頻性能也提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而且通過并行處理，其多任務(wù)處理能力更為強(qiáng)大。

F1: TI的多內(nèi)核應(yīng)用處理器采用90nm工藝，時(shí)鐘頻率由220MHz提升到330MHz。

2420是一款多內(nèi)核設(shè)計(jì)的芯片，TI早已明確表示，今后將根據(jù)應(yīng)用需求支持盡可能多的內(nèi)核。這樣看來，并行處理或多內(nèi)核處理已經(jīng)成為TI未來在手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2420獨(dú)特的版圖層容納了TI的多引擎處理和電源管理功能。在這里，TI轉(zhuǎn)向了一種名為開放內(nèi)核協(xié)議(OCP)的標(biāo)準(zhǔn)化互連方法，OCP屬于一個(gè)獨(dú)立的非營利標(biāo)準(zhǔn)組織OCP-IP。

OCP方便了內(nèi)核復(fù)用，而且使內(nèi)核能夠獨(dú)立于集成子系統(tǒng)。OCP還實(shí)現(xiàn)了一組可用于整個(gè)芯片的定時(shí)規(guī)則，以及單獨(dú)的驗(yàn)證工具組。如果設(shè)計(jì)過程中有需要，它還允許IP模塊在系統(tǒng)內(nèi)四處移動(dòng)，這就使系統(tǒng)分析和芯片調(diào)試變得更加簡單和直接。

Omap2420的電源管理技術(shù)允許各處理器針對(duì)不同應(yīng)用分別進(jìn)行功耗優(yōu)化。在裸片級(jí)，TI將多個(gè)電源域組合在一起，每個(gè)域都能關(guān)斷電源至零漏電，從而極大地延長了電池壽命。Omap2420中采用的許多電源管理技術(shù)都是TI新型SmartReflex技術(shù)中的一部分。

在晶體管和軟件級(jí)，TI尤其關(guān)注如何適應(yīng)零漏電水平。通過使用預(yù)置在裸片上的多個(gè)電源開關(guān)，該架構(gòu)能夠?qū)Σ煌挠騿为?dú)斷電，從而幫助TI獲得需要的間隔尺度(granularity)。此外，芯片中還包含特殊的嵌入式“diode-footed SRAM”開關(guān)，用于減小嵌入式存儲(chǔ)器的功耗。

于終端用戶對(duì)功率的需求各有不同，所以TI實(shí)現(xiàn)了軟件可編程功率模式，可以根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)整。例如，通過定義“關(guān)斷”模式進(jìn)入最低功耗狀態(tài)。

目前，Semiconductor Insights(SI)公司正在對(duì)Omap2420進(jìn)行分析。我們已經(jīng)確定了TI的雙路(two-pass)電源開關(guān)控制電路，正在分析該控制電路在自動(dòng)布線電路中對(duì)整個(gè)電源管理系統(tǒng)的影響。通過對(duì)裸片進(jìn)行分析，SI還揭示了ARM內(nèi)核、DSP內(nèi)核以及圖形加速器的具體位置。曾經(jīng)產(chǎn)生懷疑的存儲(chǔ)控制器、TMS320C55x DSP、電源管理模塊以及成像視頻加速器(IVA)的位置也都得到了確認(rèn)。

2420中包含5種存儲(chǔ)器類型，所有嵌入式存儲(chǔ)器加起來大概占據(jù)了裸片面積的1/4，而Omap1710內(nèi)4種不同存儲(chǔ)器類型大約占裸片的17％。但是，Omap2420的裸片尺寸大概是Omap1710的1.9倍，看來獲得更高的集成度需要在裸片面積上做一些犧牲。

從軟件角度來看，TI讓代碼從兩方面管理電源狀態(tài)：首先，通過監(jiān)控工作負(fù)荷，軟件知道何種應(yīng)用正在使用；其次，軟件收集統(tǒng)計(jì)信息來確定工作量情況。這就使芯片能夠根據(jù)實(shí)際使用模式進(jìn)行基于預(yù)測的電源管理。

TI正努力使Omap的工藝向65nm轉(zhuǎn)移，在此過程中產(chǎn)生的一些額外工藝問題影響了芯片的漏電。我們都知道，TI擁有多項(xiàng)90nm工藝技術(shù)：有些采用高漏電晶體管，有些采用低漏電晶體管；因此可以推斷，TI在65nm工藝上會(huì)繼續(xù)延續(xù)這一戰(zhàn)略。此外，TI也會(huì)能在系統(tǒng)級(jí)對(duì)額外漏電進(jìn)行補(bǔ)償，所以我們期待TI為解決65nm漏電問題提出一些獨(dú)特的電路實(shí)現(xiàn)方法。

位于電源管理設(shè)計(jì)外圍的TWL92230是一款輔助的電源管理器件。它采用250nm模擬BiCMOS工藝設(shè)計(jì)，能夠提供一些特殊功能，例如板上電壓調(diào)節(jié)和DC/DC轉(zhuǎn)換，用來補(bǔ)充2420的功能。

事實(shí)上，TWL92230專為與2420配套使用而設(shè)計(jì)，它包含了一些適用于最新Omap的特殊保護(hù)機(jī)制，例如裸片發(fā)熱測溫計(jì)及過熱斷電保護(hù)。其中過熱斷電保護(hù)允許TWL92230關(guān)斷其DC/DC轉(zhuǎn)換器，然后向2420發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。由于手持式設(shè)備的外形在不斷縮小，類似的功能就十分重要。

TWL92230的使用還取代了許多外圍芯片以及單芯片中的離散元件。

在推出2420的整個(gè)過程中TI克服了無數(shù)困難。據(jù)TI的相關(guān)人士透露，在獲得最終設(shè)計(jì)審判前，版圖的復(fù)雜性是2420最大的挑戰(zhàn)。但2040最終從艱難中走出，并使用了標(biāo)準(zhǔn)工具的最新測試版進(jìn)行驗(yàn)證。

存儲(chǔ)器部分

TI支持在Omap2040上進(jìn)行封裝疊加(PoP)式存儲(chǔ)器堆疊。PoP是指直接將一個(gè)封裝置于另一個(gè)封裝之上，二者的封裝材料直接相連。然而這樣的存儲(chǔ)器堆疊會(huì)產(chǎn)生一些問題。由于漏電流會(huì)產(chǎn)生熱量，因此在Omap2420上放置另一塊芯片會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)熱量。

這里就輪到SmartReflex技術(shù)大顯身手。為了保證兼容性和穩(wěn)定性，TI分別以POP和標(biāo)準(zhǔn)裸片堆疊方式，對(duì)各存儲(chǔ)器廠商推出的適合SRAM或移動(dòng)DDR器件與Omap2420的耦合情況進(jìn)行了仿真。

從TI的角度來說，PoP是一種商業(yè)模式。因?yàn)镻oP促使客戶與存儲(chǔ)器廠商進(jìn)行談判，這樣TI就不必局限于支持某一種特定的存儲(chǔ)器。

三星最新的NAND閃存器件引發(fā)了一個(gè)問題：能夠堆疊接觸的存儲(chǔ)器總量是否有限。因?yàn)镹AND閃存和NOR閃存似乎都很盛行，所以有人可能會(huì)疑惑，用戶到底會(huì)采用哪種存儲(chǔ)器配置呢？其實(shí)這里不必?fù)?dān)心，因?yàn)門I支持各種閃存配置和類型，包括高達(dá)1GB的NAND或NOR，以及高達(dá)1GB的移動(dòng)DDR。即使NAND在高端手機(jī)的大容量存儲(chǔ)應(yīng)用中更受歡迎，TI仍將NOR視為其很好的競爭者。

總而言之，TI一直在非常努力地推動(dòng)利用Omap2420進(jìn)行設(shè)計(jì)的范圍，來滿足一些比較“瘋狂”的應(yīng)用。例如在運(yùn)行高質(zhì)量音頻應(yīng)用的同時(shí)運(yùn)行高質(zhì)量的3-D游戲，還要用OMAP2420來控制一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)電視進(jìn)行全屏游戲。按TI的說法，這樣的應(yīng)用將會(huì)變得非常普遍。同時(shí)，TI還宣稱OMAP2420能夠在兩臺(tái)顯示器上同時(shí)運(yùn)行圖形和視頻處理，并且能利用同一套存儲(chǔ)器件，在一個(gè)高級(jí)操作系統(tǒng)上并行運(yùn)行音頻、視頻和3-D游戲。

雖然Omap2420來勢(shì)兇猛，但在這個(gè)領(lǐng)域它并非沒有競爭對(duì)手。Broadcom今年就推出了其BCM2705多媒體處理器，而Nvidia和ATI科技也在繼續(xù)設(shè)計(jì)同類產(chǎn)品與TI競爭。此外，高通也仍然關(guān)注如何將高端多媒體功能和基帶功能相整合。

但是TI憑借Omap 2420，已經(jīng)將芯片的整體集成度和功能性又向前推進(jìn)了一步。希望2420能夠幫助TI繼續(xù)保持其在應(yīng)用處理器領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

Omap2420將首先用于高端手機(jī)，并隨市場發(fā)展向低端手機(jī)滲透。帶有該處理器的手機(jī)即將上市。