創(chuàng)造高密度的VoIP處理器

創(chuàng)造高密度的VoIP處理器

任何高密度VoIP平臺的關(guān)鍵需求之一，是它必須在低功耗和有限使用面積下，盡可能提供最多的通道。對于信道數(shù)目超過1,000個的電信等級產(chǎn)品，其核心基本建構(gòu)方塊會為DSP引擎執(zhí)行PCM或LBR語音編碼，這些芯片也是機柜內(nèi)重復性最高的零件。除此之外，由于每顆組件必須同時處理數(shù)百個語音編碼信道，使得用于存放數(shù)據(jù)和程序內(nèi)存需求就變得極為龐大，平均每顆組件高達24-50MBits，使得內(nèi)存成為占用硅晶粒面積的主要零件；一個高密度平臺擁有高達50-100顆這類組件，對其內(nèi)存配置方式和架構(gòu)有所改善，整體解決方案就會獲得非常可觀的回報。

VoIP處理器的發(fā)展最好是以DSP模塊為基礎(chǔ)，這樣才會得到最高效能。典型的模塊包含中央處理器核心、內(nèi)存系統(tǒng)組件以及DMA系統(tǒng)界面，其中內(nèi)存系統(tǒng)組件可能是內(nèi)存和快取控制器；由于核心通常會提供多種內(nèi)存組態(tài)供設(shè)計人員選擇，因此內(nèi)存架構(gòu)將對VoIP系統(tǒng)造成重大影響。傳統(tǒng)上，DSP核心的MHz效能改善速度會遠超過內(nèi)存速度，絕大多數(shù)的半導體制造商則會利用同樣制程技術(shù)提供多種類型的記憶位晶胞(memory bitcells)，例如廠商會提供高密度記憶位晶胞，它們的泄漏功耗 (leakage power) 較小，但必須在較低速度下工作，高速記憶位晶胞的工作速度則能達到或超過處理器頻率頻率。此外，內(nèi)存設(shè)計人員也試圖發(fā)展最佳化的內(nèi)存架構(gòu)，讓內(nèi)存速度能跟上中央處理器的工作速度，下圖即是Harvard架構(gòu)所實作的單階層和兩階層內(nèi)存系統(tǒng)。

單階層和兩階層內(nèi)存系統(tǒng)的Harvard架構(gòu)

規(guī)劃新處理器時，選擇單階層或兩階層內(nèi)存系統(tǒng)是很重要的技術(shù)取舍，對于特定不同的應用，這些架構(gòu)必須在面積、功耗和效能取得最佳平衡。根據(jù)我們前面討論結(jié)果，要支持所需的信道密度，內(nèi)存架構(gòu)可采用三種實作方式，其中兩種架構(gòu)屬于單階層內(nèi)存系統(tǒng)，一種采用快速的記憶位晶胞，另一種則采用速度較慢而密度較高的記憶位晶胞；設(shè)計人員可以選擇兩階層內(nèi)存系統(tǒng)，選擇第一層快速內(nèi)存，或是第二層高密度內(nèi)存來達到與第一層相同的總內(nèi)存容量。

不同方法會對系統(tǒng)造成不同影響，這并不令人意外。首先是功耗的問題，下圖是前述三種方法的功耗特性，包括兩種單階層內(nèi)存系統(tǒng)和一種兩階層內(nèi)存系統(tǒng)，圖中所示的功耗主要是處理器存取功耗和漏電功耗，DMA存取功耗則是數(shù)據(jù)從第二層內(nèi)存移到第一層內(nèi)存 (假設(shè)未使用快取) 的功耗需求。若以HD語音系統(tǒng)的假設(shè)為基礎(chǔ)，下圖就證明在這種制程設(shè)計條件下，兩階層內(nèi)存架構(gòu)通常是較好的解決方案。

內(nèi)存系統(tǒng)功耗的比較

如前所述，若組件必須內(nèi)建24-50 MBits內(nèi)存，那么絕大多數(shù)的硅晶粒面積都會被這些內(nèi)存占用；在這種情形下，未來內(nèi)存架構(gòu)的使用面積也會成為另一項重要的芯片層級影響因素，下圖即是單階層和兩階層內(nèi)存系統(tǒng)對于面積的影響。

內(nèi)存系統(tǒng)使用面積的比較

若整個內(nèi)存都是由快速記憶位晶胞組成，面積和功耗都會受到?jīng)_擊，如果整個內(nèi)存只包含高密度記憶晶胞，那么受影響的就是速度；因此若能以最佳方式把快速和高密度內(nèi)存結(jié)合至兩階層內(nèi)存系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)即可提供最佳的功耗、面積和效能。根據(jù)這個范例，我們能得到以下結(jié)論：兩階層內(nèi)存系統(tǒng)為VoIP處理器提供最佳效能，同時帶來以下優(yōu)點：
?? 使用龐大的第二層內(nèi)存 (L2)，并采用高密度而低泄漏功耗的記憶晶胞，即可減少整體的晶粒面積和功耗。
?? 使用少量的第一層內(nèi)存 (L1)，并采用高速、但密度較低的記憶晶胞，即可支持更高處理器速度，并做為速度較慢的L2內(nèi)存的緩沖區(qū)。
?? 在L1中結(jié)合快取和映像內(nèi)存 (mapped memory)，即可將攸關(guān)運算效能的關(guān)鍵程序代碼儲存在L1映像內(nèi)存，同時透過高速緩存來利用「本地參照」(locality of reference) 特性；另一種方法則是利用本地DMA系統(tǒng)，在L1和L2內(nèi)存之間切換數(shù)據(jù)頁 (page data)。
?? 使用適當?shù)牡谝粚映绦蚝蛿?shù)據(jù)快取，即可讓全系統(tǒng)的泄漏功耗、操作功耗(ac tive power)、面積和效能最佳化。

從以上討論可發(fā)現(xiàn)，只要結(jié)合中央處理器、L1程序內(nèi)存、L1數(shù)據(jù)存儲器和L2內(nèi)存系統(tǒng)，即可提供最佳設(shè)計支持VoIP應用。我們現(xiàn)在將討論多核心DSP處理器的系統(tǒng)層面問題，這類組件是目前市場上的主流架構(gòu)，而且原因非常簡單：假設(shè)每個PCM語音信道需要同樣的MHz效能，那么在乘加器(MAC) 數(shù)目不變的情形下，若要將信道密度加倍，就需要兩倍的MHz效能；雖然OEM廠商通?？稍?2至18個月內(nèi)將VoP系統(tǒng)速度加倍，DSP速度卻無法在同樣時間內(nèi)加倍。為了克服這個時間落差，廠商會試圖將多顆DSP核心整合至單顆晶粒，這種方法的困難在于：如何在我們前面提到的各種內(nèi)存架構(gòu)中，以最佳方式來分割系統(tǒng)功能。

程序代碼通常是由多顆DSP共享，因此最好由L2內(nèi)存系統(tǒng)提供共享程序內(nèi)存 (shared program memory)；雖然程序內(nèi)存是在L2共享，每個核心仍擁有專屬而高速的第一層程序(Level 1 Program，簡稱LIP) 內(nèi)存。LIP可由快取和SRAM組成，SRAM負責儲存攸關(guān)運算效能的程序代碼，留下L1快取很有效率的利用「本地參照」特性，這會讓常用程序代碼儲存在LIP高速緩存，不必從共享的L2內(nèi)存擷??；透過這種方式，LIP和共享L2內(nèi)存之間的總線頻寬將只用于程序代碼傳輸，不會受到數(shù)據(jù)傳輸或外圍傳輸?shù)闹袛唷?/font>

L1P和L1D內(nèi)存控制器都能存取本地L2內(nèi)存，但要獲得更高效率，最好是將整個本地L2內(nèi)存都用來儲存?zhèn)€別信道的數(shù)據(jù)、堆棧或其它，確保LID和L2之間的總線頻寬都用于數(shù)據(jù)傳輸，不會受到程序傳輸或外圍傳輸?shù)闹袛唷?/font>

到目前為止，我們在這些分析中只考慮內(nèi)部存儲器，但對VoIP處理器而言，選擇正確的內(nèi)部和外部內(nèi)存組合也是重要的架構(gòu)考慮因素。內(nèi)部存儲器的某些重要考慮包括：
?? 晶粒面積
?? 功耗
?? 信道密度目標
?? SRAM、DRAM和數(shù)據(jù)非揮發(fā)型內(nèi)存 (NV memory)的比較
?? MHz和內(nèi)存間的平衡

在許多VoIP系統(tǒng)中，內(nèi)存大小都是由信道密度目標所決定，DSP供貨商通常會讓每顆DSP支持DS3密度的整數(shù)倍，因此只要設(shè)計目標高于這個DS3整數(shù)倍，就表示內(nèi)存容量必須增加；但由于制程技術(shù)每進步一個世代(process nodes)，記憶位晶胞體積的縮小幅度都超過50%，因此面對內(nèi)存容量的增加，占用的有效面積也會隨之增加。能整合至芯片的內(nèi)存種類并不多，最常見包括SRAM和DRAM，我們對此并沒有太多選擇；如果內(nèi)存的讀取頻率遠超過寫入次數(shù)，那么數(shù)據(jù)非揮發(fā)型內(nèi)存也很受到歡迎，例如閃存、鐵電內(nèi)存 (Ferro-electric) 和ROM。

相較于內(nèi)部存儲器，外部內(nèi)存的重要考慮包括：
?? 功耗
?? 可用頻寬 vs. 需求
?? 外部內(nèi)存的種類
?? I/O電壓
?? DMA架構(gòu)的負擔 (infrastructure loading)
?? 內(nèi)存成本和面積

絕大多數(shù)VoIP系統(tǒng)都支持外部內(nèi)存，原因有幾個，例如我們雖能利用內(nèi)部存儲器來達成MHz和內(nèi)存的良好平衡，但外部內(nèi)存卻提供未來擴充性；新功能或是語音編碼譯碼器(voice codec) 能由外部內(nèi)存來支持芯片已有的內(nèi)建功能。

對于使用外部內(nèi)存的VoIP系統(tǒng)，每個Mb頻寬的功耗也是重要考慮；由于VoP系統(tǒng)的效能指針包括mW/通道，故在選擇外部內(nèi)存時，應確保整體解決方案的通道功耗不會受到太大影響。成本和面積也是高密度VoIP電路板設(shè)計的重要考慮，雖然SDRAM是很受歡迎的選擇，但DDR SDRAM正獲得越來越多支持，未來有可能取代SDRAM成為這類應用的內(nèi)存選擇。下圖是SDRAM和DDR的功耗比較，頻寬利用率增加，內(nèi)存功耗就會降低；雖然圖中是以數(shù)據(jù)讀取為例，但數(shù)據(jù)寫入以及讀寫混合都會呈現(xiàn)同樣的趨勢(讀寫混合會影響可用頻寬，因為必須考慮總線的turnaround延遲時間)。從圖中可以看出，在所有接受比較的內(nèi)存當中，每個Mb功耗以1.8 V時的DDR-II最低。

外部內(nèi)存比較 – 功耗/Mb

在這些高密度VoIP引擎中，內(nèi)存確實會占用可觀的芯片面積，而且在未來數(shù)個產(chǎn)品更新周期內(nèi)，這個趨勢還可能繼續(xù)。我們已經(jīng)看到數(shù)種方法可以加強內(nèi)存的功能分割和架構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計人員也正在對它們進行評估，他們努力絕不會白費 - 因為如同我們在文中所介紹，正確的架構(gòu)最佳化終將為整體解決方案帶來可觀回報。

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