王惟林:新一代通用CPU三大突破得之不易

发布日期:

2019-10-17 10:36:11

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通用CPU是IC行业内最具代表性的高集成度产品之一,其研发难度之高、资源投入之多均属行业前列,却又与信息技术的发展息息相关。2019年6月,兆芯推出的新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列处理器,在采用16nm工艺,将主频提升到3.0GHz的同时,性能也进一步迈入国际主流水准,为国产通用CPU的发展树立了重要的里程碑。


“新一代通用CPU的成功发布与量产,128mm Die 面积上集成的20亿颗晶体管,凝聚着无数的辛勤付出与汗水,作为CPU研发团队的负责人,兆芯副总经理/总工程师王惟林对国产通用CPU的发展与突破,有着更深的体会。”


王惟林:新一代通用CPU三大突破得之不易

兆芯副总经理/总工程师王惟林工作照


除了周期长投入大,更重要是寻找平衡


王惟林表示,一颗通用CPU从微架构设计到最终发布量产,是一个时间、人力、物力各方面投入巨大的过程。在整个芯片的研发历程之中,微架构的设计开发占据着巨大的比重。这项工作的实施既要考虑到未来的产品方向、技术趋势以及工艺的变化演进等因素,还要结合对功能、性能、频率、功耗等方面的预期进行综合的考虑,在这些需求中间寻找到一个最佳的平衡点。“比如说,在某些单项参数方面,我们已经可以做到比现有数值好很多。但是考虑到最终客户的需求、产品的稳定性、应用场景的功耗控制等,通常都会做一些取舍。”


王惟林:新一代通用CPU三大突破得之不易

国产处理器研发历程


微架构确定之后会进入到具体的设计阶段,在这一阶段,一方面要根据目标市场,进行更详细、更密集的性能、频率、功耗等方面不断验证、优化,另一方面基于未来IO的标准、规格,进行芯片组功能的设计研发,特别是IP的研发测试也极为消耗时间和精力。“整个产品设计阶段,需要经历数次RTL代码、时序等方面的优化,以及从电路级、到模块级、芯片级,乃至系统级的验证测试,而这些还不包括芯片流片之后的功能、性能、适配、良率等方面的更进一步测试和优化工作,”王惟林在说起这些需要日复一日重复进行的设计工作时语气凝重,依然有沉沉的责任感。


此外,CPU的设计研发工作中,设计方法的研究也是非常重要的组成,每一代工艺对应的设计实现的方法都在不断演进,高性能CPU的设计方法也需要不断提升,这样才能够基于目标工艺,让最终的产品在频率和功耗等方面达到最优。


互联改进、频率提升、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系列处理器有三项技术突破的过程令王惟林印象尤为深刻,一是片内、片间互联的改进,二是频率的提升,三是DRAMC DDR4 3200控制器自主IP的成功开发。


王惟林:新一代通用CPU三大突破得之不易

ZPI(Zhaoxin Processor Interconnect)是兆芯自主开发的全新片间互连技术


片内互联方面,兆芯的研发团队基于上一代KX-5000系列处理器片内互联带宽、传输效率、内部延迟等方面存在的问题,通过建立多种软件仿真模型进行了大量的测试和优化。片间互联ZPI 2.0是兆芯自主设计的一套方案。“互联架构的设计研发以及测试验证,这些工作大约占据了整个芯片研发工作四分之一的比重。”在整个互联协议、内核间数据一致性上,研发团队需要进行大量的、非常复杂的测试和研究。


至于用户最关注的主频提升,王惟林表示,从上一代产品的2.0GHz提升到KX-6000/KH-30000系列处理器的3.0GHz,除了对流水线的优化、物理实现的优化,设计过程中也遇到了很多的问题。


“处理器频率和设计规模的不断提升,高速和高密,高功耗会使系统内的环境更加恶劣。电磁环境的干扰和系统内部的相互窜扰,严重地威胁着处理器的稳定性、可靠性和安全性。最典型的就比如PI(电源完整性)、SI(信号完整性)在3.0GHz下的抖动和损失,为了解决这个问题,整个团队在后端、微架构、电路、逻辑设计等方面都进行了特别的处理,并开发了新的功能,比如频率根据电学抖动自适应等。”


新一代通用CPU中还集成了很多兆芯自主研发的IP,其中 DRAMC DDR4 控制器支持3200MHz,达到了行业的主流标准。从上一代2400MHz到3200MHz,频率的提升同样带来了SI方面的很多问题,针对这些问题,相关的设计团队在IP设计、电路和PCB板设计方面也都花费了巨大的精力来改进优化,直到最终各项指标达到预期。

王惟林:新一代通用CPU三大突破得之不易

兆芯新一代处理器集成的IP(部分)


正视差距,上紧发条,全力追赶

王惟林:新一代通用CPU三大突破得之不易

肯定成绩也要正视差距,谈及未来发展,王惟林信心满满


就国内而言,兆芯新一代通用处理器在频率、性能、IO标准等方面均处于前列,但放到国际上看,依然存在很大的差距。在谈及国产通用CPU与国际同类产品的差距时,王惟林表示,我们也知道差距所在和努力的方向,但由于人力、时间、资金等外部因素的影响,让兆芯在芯片研发过程中,只能一次性的解决一些问题,并且很难有试错的机会,没有办法精雕细琢和深入研究,只能尽全力一点点追赶上去。“方法和流程,如同材料学和飞机发动机一样,需要大量的试错和基础预研。但是兆芯一直处于赶路状态,要确保每一颗芯片成功,很多现实压力让你没有时间也没办法进行试错,找出某些关键问题的更优解。”


“与国际厂商相比,我们在研发投入、人力资源方面都远远不足,但依旧要保持正常的研发周期,团队所要付出的时间成本就更加显著,唯有给自己拧紧“发条”,加班加点自然也就变得稀松平常,再然后也成了一种习惯,”王惟林说。


关于接下来的工作重心,王惟林表示,兆芯目前正在积极准备下一代的产品,希望在微架构方面能取得更大的突破,“在KX-6000/KH-30000系列处理器的基础上,单核性能得到显著的提升,同时进一步优化片内、片间互联的性能,并且在内存、IO规格支持上达到国际同期主流水准,力求打造出一款更好用的电脑芯,在满足用户需求的同时,加速缩短与国际领先水平的差距,“谈及未来目标,王惟林信心满满。