富士通Custom SoC解決大數(shù)據(jù)背后的高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

　　歲末年初，當(dāng)我們回顧2014年產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展時，少不了IoT（物聯(lián)網(wǎng)）和Big Data（大數(shù)據(jù)）這兩個2014年科技界人們談?wù)撟疃?，捧的最高的科技名詞。在IEEE公布的2014 TOP10熱搜排行榜上，他們也榜上有名。不過，撥開他們?nèi)A麗的外衣，我們看到的是隱于其背后的各種先進(jìn)的高性能及超低功耗半導(dǎo)體技術(shù)令人驚喜的發(fā)展。

　　功耗成為HPC和Networking的關(guān)鍵設(shè)計挑戰(zhàn)

　　毫無疑問，IoT促進(jìn)了低功耗的發(fā)展，但是，這只是問題的一個方面。另一方面，無所不在的移動設(shè)備產(chǎn)生了巨大的數(shù)據(jù)洪流，越來越多的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)也產(chǎn)生了龐大的數(shù)據(jù)集，一些數(shù)據(jù)流只是在網(wǎng)絡(luò)上流過而已。而有些會進(jìn)行精細(xì)的分析，例如，從監(jiān)控圖像流中找出綁架了兒童的汽車牌照，或者每月才出現(xiàn)一次的希格斯玻色子等。大數(shù)據(jù)迫使我們大幅度提高網(wǎng)絡(luò)和計算帶寬。不過，在為數(shù)據(jù)中心加速的同時，功耗的問題就擺在眼前。

　　“大多數(shù)人們對于能耗受限的深切認(rèn)識到來源于移動設(shè)備的電源續(xù)航能力的限制，這就給我們造成了一種錯覺，以為只有移動設(shè)備是功耗敏感的應(yīng)用，其實，在諸如數(shù)據(jù)中心等的高性能計算（HPC）及網(wǎng)絡(luò)（Networking）領(lǐng)域，對于功耗的要求更加的苛刻。”富士通半導(dǎo)體市場部經(jīng)理陳博宇（Alex Chen）先生在一年一度的中國集成電路設(shè)計業(yè)年會暨中國內(nèi)地與香港集成電路產(chǎn)業(yè)協(xié)作發(fā)展高峰論壇（簡稱ICCAD峰會）上表示。

　　圖1. 富士通半導(dǎo)體市場部經(jīng)理陳博宇先生在ICCAD上演講

　　和手機固定功率的電源不同，數(shù)據(jù)中心的電源是永遠(yuǎn)開啟的，整個機房的每個芯片無時無刻不在工作，對整個供電系統(tǒng)，包括散熱系統(tǒng)的壓力巨大。據(jù)統(tǒng)計：當(dāng)服務(wù)器小于1萬臺，全年耗電約0.35億千瓦時（電是次要因素）；當(dāng)服務(wù)器小于10萬臺，全年耗電約3.5億千瓦時（電是重要因素）；當(dāng)服務(wù)器小于50萬臺，全年耗電約17.5億千瓦時（電是主要成本）；當(dāng)服務(wù)器小于100萬臺，全年耗電約35億千瓦時（電是TOP1成本）。

　　而和消費類的應(yīng)用非常不同，在通信領(lǐng)域，對每個板卡的功耗都有要求，只有達(dá)到每塊板卡的功耗要求，整個系統(tǒng)的功耗才能達(dá)標(biāo)。“在高性能應(yīng)用領(lǐng)域，億門級的設(shè)計規(guī)模使得芯片的復(fù)雜度增加，如何在功耗上進(jìn)行優(yōu)化，而又能達(dá)到性能要求，這是在大規(guī)模設(shè)計上特別要考慮的。” 陳博宇指出。

　　多種方法應(yīng)對高性能設(shè)計的功耗挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)在的高速低功耗設(shè)計，最多有超過7億多門級電路和超過2GHz的工作頻率的設(shè)計。因此，設(shè)計人員需謹(jǐn)慎評估如何在最短的設(shè)計周期內(nèi)，針對整個芯片的低功耗策略做定義及最佳化，并思考如何讓封裝設(shè)計滿足超高的功耗。

　　大規(guī)模版圖設(shè)計能夠幫助設(shè)計人員應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)，如下圖所示2，富士通半導(dǎo)體的協(xié)同設(shè)計技術(shù)優(yōu)化了芯片、IP、及從封裝到板級設(shè)計等所有方面。為使其達(dá)到性能最優(yōu)化，貫穿規(guī)劃，設(shè)計，建模和分析所有過程，富士通半導(dǎo)體使用了可以預(yù)估的電源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并使用了層次化的電源網(wǎng)絡(luò)分析，這種分析可以優(yōu)化電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，并且最小化全芯片的功耗。低噪聲的芯片架構(gòu)設(shè)計可以承受超過300瓦的功耗。

　　圖2. 大規(guī)模版圖設(shè)計能夠幫助設(shè)計人員應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

　　此外，特別值得一提的是富士通半導(dǎo)體獨特的ASV（Adapter Support Voltage）技術(shù)。如下圖3所示，該技術(shù)用以監(jiān)控制程（process）的快慢。

　　圖3. 全功耗設(shè)計解決方案應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

　　陳博宇進(jìn)一步解釋：“因為晶圓廠的制程存在快（fast）、慢（slow）、標(biāo)準(zhǔn)（typ）的狀態(tài)，在芯片中放置’Process Monitor’，使得我們可以讀出制程的參數(shù)，這樣就能知道電源的大小，例如，如果我們讀出是偏快的制程，就可以幫助降低電壓，因為功率是和電壓的平方成正比，所以降低電壓就能降低功耗，ASV技術(shù)就像一個彈簧一樣，把芯片拉向typ。”

　　再次，高性能封裝解決方案在應(yīng)對功耗挑戰(zhàn)上必不可少。富士通半導(dǎo)體在高性能封裝市場也處于領(lǐng)先地位，在開發(fā)這些高可靠性封裝的過程中，富士通半導(dǎo)體進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪M，優(yōu)化了技術(shù)原型。如下圖4所示。

　　圖4. 高性能封裝解決方案應(yīng)對高速低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)

　　“我們的球形封裝技術(shù)支持到超過4000個pin腳，并且每一邊的封裝尺寸可以到達(dá)60mm，我們的多層基板封裝設(shè)計可以支持到32層，對于BGA封裝，我們獨特的金屬TIM實現(xiàn)了超低Theta JC，Theta JC小于0.05度，并通過了最新的熱阻測量技術(shù)驗證。我們正在為中央處理器和服務(wù)器，研制新一代2.5和3D封裝技術(shù)。” 陳博宇表示。