與4G技術(shù)相比，新一代5G無線通信技術(shù)有望將吞吐量提高兩個數(shù)量級的同時將延時降低兩個數(shù)量級。5G標準的到來，為高級手機和融合固定及移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用定義了全新的算法和協(xié)議。

盡管我們研究5G已有一段時間，但新無線電(NR)的5G標準到2018年完成融合，到2020年才開始5G網(wǎng)絡(luò)部署，因此芯片的研發(fā)周期非常短。在過去兩年中，芯片制造商一直在競相研發(fā)5G芯片，以期在5G技術(shù)首次亮相時便能夠及時投放市場。所以，芯片制造商沒有坐等標準成熟，而是選擇在模塊中加入更多軟件可編程解決方案。這些解決方案傳統(tǒng)上會作為固定功能硬件，在物理層和數(shù)字前端等環(huán)節(jié)得以實現(xiàn)。

同時，5G令人生畏的吞吐量和延時要求促使各級通信協(xié)議全面加速。例如，第2層處理傳統(tǒng)上是在標準處理器中完成，但其實并無法達到實際所需的性能標準。

如何解決？

ASIP方案

專用指令集處理器(ASIP)成功彌合了高度優(yōu)化的固定功能硬件實現(xiàn)與標準處理器 IP 之間的差距(圖一)。對于絕大部分5G芯片而言，在實現(xiàn)架構(gòu)中的模塊時，如果需要特定硬件性能并且還要求處理器 IP 具備可編程性和靈活性，那么ASIP將是最優(yōu)的選擇 。

▲ASIP 彌合了固定功能 RTL 設(shè)計與通用處理器 IP 之間的差距(圖一)

研發(fā)團隊可以根據(jù)不同要求來開發(fā)ASIP去執(zhí)行一個特定的系統(tǒng)模塊，例如前向糾錯；或者用于整個系統(tǒng)，例如用于第1層基帶處理的矢量DSP。在第一種情況下，它的可編程性使得模塊能夠容納算法變量(例如，將其編程用于LDPC、維特比或極化碼)。每種情況下，設(shè)計人員都可以進行權(quán)衡，以平衡性能、靈活性、能耗、可重用性(或通用性)和設(shè)計時間。

ASIP Designer

ASIP Designer采用了涉及多個領(lǐng)域工作的ASIP方案，包括定義合適的ASIP架構(gòu)、實現(xiàn)處理器硬件和相應(yīng)的軟件開發(fā)工具包(SDK)、可幫助自動創(chuàng)建ASIP及其相關(guān)的SDK(圖二)。

▲ASIP Designer 工具流程(圖二)

處理器建模

ASIP使用nML描述，nML是一種條理清晰的體系結(jié)構(gòu)描述語言，能夠高效而簡潔地描述與編程手冊相同抽象級別的處理器體系結(jié)構(gòu)。

該語言用于定義設(shè)計的結(jié)構(gòu)特征(存儲器、寄存器、功能單元、連接等)和指令集體系結(jié)構(gòu)。nML還使用戶能夠描述數(shù)據(jù)路徑、 I/O 接口的周期精確和位精確行為。

SDK生成

ASIP Designer使軟件開發(fā)人員能夠直接在候選架構(gòu)上開發(fā)和分析C/C ++ 軟件，因為ASIP Designer提供了一個功能齊全的SDK(圖二中的第 1 步)，可以自動適應(yīng)nML中描述的已定義處理器架構(gòu)。SDK包含優(yōu)化的C/C ++ 編譯器、匯編器/反匯編器、鏈接器、周期精確和指令精確的指令集仿真器，以及圖形調(diào)試器。

編譯器獨具專利型編譯器可重定向性，可適應(yīng)所有候選架構(gòu)的細節(jié)。GNU或 LLVM等經(jīng)典編譯器框架，需要去開發(fā)架構(gòu)專用的編譯器后端，并且還必須對每個候選架構(gòu)重復(fù)此過程。編譯器的即時可用性支持快速迭代，也支持用于架構(gòu)探索的“循環(huán)內(nèi)編譯器”方法(圖二中的第2步)。

循環(huán)內(nèi)編譯器方法意味著軟件工程師可以向ASIP設(shè)計工程師提前反饋，處理器的動態(tài)性能可以即時分析和優(yōu)化。

硬件的生成和驗證

設(shè)計人員一旦確定建模的ASIP滿足所選算法的預(yù)期性能，就可以使用ASIPDesigner生成可綜合的 RTL，從而使用標準流程執(zhí)行實現(xiàn)級細化和詳細驗證(圖二中的第3步)，然后使用新思科技Design Compiler生成門級描述，并預(yù)測電路的功耗要求和面積，或使用布局布線工具來辨別布線擁塞的風(fēng)險。

采用這種“循環(huán)內(nèi)綜合”方法能夠作出有根據(jù)的決策，避免在設(shè)計后期出現(xiàn)意外情況。如果設(shè)計人員在實現(xiàn)過程中遇到問題，則可以回到nML描述進行調(diào)整。nML中采用單源條目，所以SDK和RTL會保持同步。

5G芯片專用ASIP示例

在大多數(shù)即將推出的5G芯片中都部署了ASIP，并且在基站和移動終端中均有部署，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括需要大規(guī)模信號處理的領(lǐng)域，例如第1層中的數(shù)字前端和基帶處理，以及第2層控制功能的加速。

如圖 1 所示，ASIP可以滿足各種架構(gòu)的需求，并且ASIP Designer用戶可以進行任何級別的架構(gòu)設(shè)計。5G專用ASIP包括具有專用數(shù)據(jù)類型、存儲器和寄存器配置以及指令集的寬矢量DSP，其性能優(yōu)于標準DSP。以下是兩個可供 ASIP Designer授權(quán)方使用的示例設(shè)計。

FFT/DFT 加速

PrimeCore是一款針對FFT/DFT操作進行了調(diào)整的處理器。它支持從8到2048的所有2次冪大小的FFT，以及從6到1536的所有質(zhì)因數(shù)分解大小的 DFT。

▲PrimeCore 架構(gòu)(圖三)

PrimeCore是一個256位8通道SIMD架構(gòu)，具有三個矢量數(shù)據(jù)路徑單元，處理復(fù)雜的定點操作數(shù)。VU0執(zhí)行專用蝶形運算，從定制的寄存器文件中讀取數(shù)據(jù)；VU1執(zhí)行向量乘法和加法；VU2專門執(zhí)行基數(shù)6蝶形計算。它具有兩個矢量存儲器，其中一個存儲器分配給VU1使用。加載及加載-存儲操作與向量操作并行發(fā)生，從而產(chǎn)生多達5路的指令級并行。架構(gòu)雖然經(jīng)過高度專業(yè)化，但通過ASIP Designer生成的編譯器充分利用并行，完全可以進行C編程。一些數(shù)據(jù)點說明了性能：256-FFT需要172個周期，2048-FFT需要1189個周期，1296-DFT需要798個周期。700MHz時鐘的綜合(16nm FF)結(jié)果是35萬門。

MMSE 加速

第二示例處理器可實現(xiàn)最小均方誤差(MMSE)均衡器算法，用于基站中的5GNR信道均衡。該算法在矩陣元素是復(fù)雜浮點數(shù)的矩陣運算中占有主導(dǎo)地位。最終形成一個非常寬(4096位)的SIMD架構(gòu)，具有4路指令級并行。該架構(gòu)特別關(guān)注高效存儲器概念。由于成本原因，使用了單端口存儲器，進行一次復(fù)雜的乘法累加運算需要訪問存儲器兩次，并且是流水線運算。為處理特定于該算法的三角矩陣，實現(xiàn)了許多專門的索引尋址模式。同樣，這種架構(gòu)完全可以進行C編程，能夠利用ASIP Designer的編譯器處理流水線運算。基于MMSE算法的嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)，編譯器就具備為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)執(zhí)行軟件流水運算的獨特能力，從而顯著減少周期數(shù)。

結(jié)語

向5G的轉(zhuǎn)變促使系統(tǒng)架構(gòu)師在設(shè)計中尋找針對各個模塊的實現(xiàn)方法，突破在商用處理器IP上運行軟件或人工、定制的固定RTL之間二選一的局面。

ASIP是一種成熟的實現(xiàn)方案，具備高度優(yōu)化的RTL和軟件可編程性等優(yōu)勢。許多公司借助ASIP Designer來設(shè)計ASIP，降低風(fēng)險的同時加快了設(shè)計進度，而其獨特的循環(huán)內(nèi)編譯器和循環(huán)內(nèi)綜合方法能夠高效地指導(dǎo)架構(gòu)的選擇。此外，ASIP Designer自動提供質(zhì)量優(yōu)異、功能齊全的專業(yè)SDK，無需聘請編譯器、仿真器或調(diào)試GUI專家，即可以快速支持軟件開發(fā)團隊。

因此，依賴ASIP Designer的設(shè)計團隊現(xiàn)在可以考慮：

●用ASIP取代固定功能硬件實現(xiàn)，將設(shè)計和驗證過程中復(fù)雜、費神且容易出錯的過程轉(zhuǎn)移到軟件中，這樣就可以在軟件中解決出現(xiàn)的問題，從而加快產(chǎn)品上市時間。

●設(shè)計自己的專用DSP和算法特定加速器，例如5G物理層和數(shù)字前端處理，以及第2層加速所需的加速器。

幾十年來，不同細分市場的領(lǐng)先公司都采用了ASIP方法，而現(xiàn)在大多數(shù)開發(fā)5G芯片的頂級公司都把ASIP Designer作為自動化設(shè)計流程的首選工具。