Xmos採用軟體定義晶片法部署多處理架構

無晶圓廠半導體新創公司Xmos Semiconductor近日正試圖部署多處理架構。Xmos公司的成立源於現任技術長David May的提議。May在1980年代時曾經是一位專為平行處理開發transputer處理器的架構師，也是相關Occam編程語言的創作者。

因此，Xmos的架構與transputer架構非常類似也就不足為奇了，不過，為了利用摩爾定律20年的發展成果，May重新設計了一種方案：多核心的單晶片建置方案。

實現單晶片平行機制還有許多其它方法。這些方法雖各有千秋，但並非都能成功。其中包括了超純量和多執行緒的單處理器、超長指令集(VLIW)處理器、採用類似FPGA方式鏈接的晶片上多處理器，以及整合內部管理處理器與類似FPGA的可再配置架構概念等。

Xmos選擇了一種事件驅動的多執行緒處理器，並將它應用於晶片系列的二維陣列中，這些晶片預期可在2008年第一季推出。這款32位元的XCore處理器具有專為快速即時響應和低矽晶成本而設計的固定指令集。XCore內部接腳控制功能的整合，並耦合名為XLink的核心內部通訊鏈路，可使包括介面在內的整個系統全部用軟體來建置。產品的開發則採用基於C語言的統一嵌入式軟體流程。

以前凡是成功的單晶片平行處理器總是必須對硬體進行修改，但這會限制其應用範圍。然而，利用C語言對平行資源進行編程，卻又會由於原生的問題而阻礙通用架構的產生。

有鑑於高效但卻未加妥善利用的Occam開發經驗，May與Xmos公司便試著尋求一種兩全其美的架構，可運用C或C++進行編程，但同時增加了一種稱為XC的語言。這種XC語言可用來為多執行緒性能與I/O埠進行更妥善的控制。

利用合適的C++、C和XC編譯器以及連接編譯後程式碼的鏈接工具，從開發角度來看，該架構就像是傳統的處理器，Xmos公司行銷副總裁Noel Hurley表示。處理器陣列使得在正常情況下用硬體實現的系統功能可由軟體實現，可實現軟體和硬體設計流程的整合，Xmos公司表示。

根據Xmos公司表示，事實上，用Xcore進行設計並不需要暫存器傳輸級(RTL)或更底層的硬體設計知識，它只需要一種利用C語言來執行介面、演算法和通用軟體的嵌入式軟體方法。因此，採用該方案的公司便無需等待ASIC開發或ASSP投片，即可實現矽晶片的創新或差異化。

“我們對從I/O到DSP的所有硬體功能都進行了模擬。我們還統一了設計流程；而且只有一種整合軟硬體的描述語言。”Hurley表示，“你必須決定是採用平行機制以提高性能，還是採用序列方式以提高矽晶效率。”



圖：Xmos編程哲學：多編譯器和XC語言是開發大多數平行XCore資源的關鍵。

採用90nm CMOS製程製造的單一XCore據稱可提供約500MIPS的軟體控制性能、16抽頭FIR濾波器的7MSps性能，以及200Mbps的通訊能力。

Xmos公司CEO James Foster希望該公司的晶片能在FPGA曾經獲得成功的領域中同樣取得成功，如通訊基地台和交換機等。然而，Foster補充道，Xmos晶片也將在消費電子產品、甚至行動手機等大量設備中取得設計訂單。

Xmos將該途徑描述為軟體定義晶片。該公司相信這項技術將可為消費電子系統設計師提供系統單晶片的單位成本優勢，卻無需同等的開發時間和成本；具有FPGA的靈活性，但其矽晶效率更高得多。開發人員可以透過編寫程式碼，在控制處理、DSP和I/O處理之間動態劃分資源，而所有任務都能在量產的晶片上完成。“約1美元即可實現完美的彈性化”(Around $1 for complete flexibility)是該公司宣傳內容的重點之一。

May指出：“今天人們追求什麼樣的選擇？ASIC的NRE費用意味著風險大、成本高。ASSP過於嚴格則意味著設計自由受限，實際的創造性被嚴重扼殺。而FPGA在編程上的高度複雜性以及矽晶成本使其無法用於大量的消費電子產品。”

還有一個問題是，編譯後的程式碼如何在基於Xmos架構的不同方案之間轉移？這或多或少都要佔用一些資源。“程式設計人員無需瞭解哪個處理器正在執行，他們只要把任務分配給執行緒即可，分配過程是透過手動完成的，”Hurley表示，“每顆核心有8個執行緒；執行緒數目應該會比任務數更多。”

Hurley的解釋並未回答有關架構功效的問題。在‘非運作’期間的功耗一直是VLIW機器和平行處理器的棘手問題，而在更先進的矽晶片中，只有漏電流本身才會消耗功率。

Xmos目前尚未披露有關其架構與如何實現等細節資訊，該公司為了將於2008年推出的新產品選擇先行隱藏部份資料。“這會是一款事件驅動的處理器，而且已針對no-ops進行了最佳化，”Foster表示。若執行緒並未強行通過，它將僅消耗些微功率，同時，我們也已經採用了混合Vt(閾值電壓)庫。

Xmos公司已經採用System C成功地開發出該產品架構，並在FPGA上進行展示。Xmos的第一款產品設計已經投片，並正由台積電(TSMC)採用90nm CMOS的製程製造。Xmos將提供晶片、軟體IP和開發工具。


作者：蔡培德