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可配置处理器阵列在WiMAX基站中胜出

上网日期: 2005年08月01日 ?? 作者: 唐晓琪, 颜健 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:处理器阵列? 可配置处理器阵列? WiMAX基站? 互连结构?

通信领域对MIPS(每秒百万指令)的要求每四年就会增长十倍,而根据“摩尔定律”,传统处理器技术即便进行频繁的升级和密度改进,每六年才能提供相应的能力。于是,通信系统本身快速增长的信号处理需求与处理器处理能力之间的差距越来越大。这点,正是包括3G和WiMAX在内的下一代无线通讯系统所面临的难题。

在寻求新应对方法的过程中,一些新兴公司借助其独到的解决方案脱颖而出。英国的picoChip正是这样一家公司。成立于2000年的picoChip,以其专有的picoArray处理器阵列,专著于为3G和WiMAX基站提供芯片、设计工具、系统软件及参考设计等解决方案。

优于DSP+FPGA的性能

大多数基站解决方案一般将ASIC/FPGA、DSP和高速通用处理器结合起来使用。FPGA用于速率要求超过DSP范围的码片速率处理;DSP通常用于符号码率处理段;而通用处理器则用来管理整个系统。但是由于系统各器件使用不同的设计方法、编程模型、工具和测试框架,系统集成难度也大大增加。

图1: picoArray的完全集成环境。

picoChip认为,FPGA 和 DSP 并不是基站设计的最佳解决方案。FPGA 虽然可以提供高性能与可预测性,但只能在极低的抽象层进行设计,功耗大且成本高;DSP虽然有大量的现成代码可供使用,却不能提供所需的强大功能,且性能难以预测和测试。而将二者结合则需要在系统分割时执行大量复杂且困难的工作。

picoChip提出的是一种粗粒度的超大规模并行异构16位处理器阵列picoArray,用来代替传统的DSP+FPGA方案。picoChip现在已推出了PC101和PC102两个版本的picoArray芯片,而公司的CEO Guillaume d'Eyssautier,也以PC102为例,对picoArray与DSP和FPGA的性能进行了比较。

首先PC102具有更强大的处理结构。PC102含有308个处理器和14个协处理器,能够提供更高的每通道MIPS速率,在160MHz的主频下达到200GIPS和40GMACs(每秒千兆次乘法累加运算),是传统DSP的10倍以上。各个处理器均具有不同的“特性”,针对不同的任务而进行优化。

其次picoArray的最大创新在于其互连结构以及与工具链进行集成的方式。d'Eyssautier介绍:“所有的处理器可同时处理一个任务,从而极大地提高效率。”处理器阵列的路由编程是在设计时进行的,因此可以静态分配资源并具有确定性,而各个处理器间也可相互连接(不仅仅是最近邻的)。该结构不仅具有极高的带宽(Tbps),还??持TDM接入机制。

第三点是picoArray的开发工具套件。对使用者而言,picoChip提供的工具可以使用户在任何时刻清楚了解各处理器的工作情况。通过几颗picoArray器件替代多颗ASIC/FPGA、DSP及嵌入式处理器,可以实现一个工具套件替代多个工具套件,从而极大降低开发的复杂性,同时减少终端产品的最终尺寸。

第四点是功耗。picoArray的功率消耗与系统中正在工作的处理器数量和工作繁忙程度成正比。d'Eyssautier表示,在设计中如果部分处理器不被使用,则将自动关断并进入低功耗模式;如果处理器处于使用过程,但未被当前激活(如等待数据过程),则自动转为睡眠模式,以此节省功率。

最后一点是成本。在基站构建中,可以利用高度集成的单颗PC102芯片代替数颗DSP和FPGA芯片,从而极大节省基站的构建成本。

d'Eyssautier展示了一份由其客户提供的比较结果,在一个OFDM基站中,可以利用2颗PC102代替5颗 TS201 DSP和2颗FPGA,这样的做法节省了70%的成本,降低了70%的功耗,而开发时间也缩减了一半。在一个TD-SCDMA基站中,当利用2颗PC102代替6颗TI C6和2颗大型FPGA后,成本下降了60%,功耗由30W降低到了8W,而性能却得到了提高(延时从7ms降低到了600us)。

d'Eyssautier概括道,强大的运算能力、针对阵列的工具为用户带来的易用性以及降低的方案成本是picoArray优于DSP和FPGA的三大主要特点。

随后d'Eyssautier透漏,公司在明年的一、二季度会推出包含更少处理器的简化版器件PC202和PC203(50-80个处理器),以便于基站根据处理需求的不同更加灵活选用处理芯片数量。PicoChip中国区业务代表处的罗宁胜博士形象的比喻:“如果把PC102比作一元硬币的话,即将推出的PC202和PC203就像是五角和一角的硬币。”除此外,该公司还计划利用90纳米工艺实现第二代硬件,并计划将现有的PC102采用70纳米工艺生产,以便进一步降低成本。

picoChip的d'Eyssautier:
picoChip将目光更多集中在
WiMAX发展。

WiMAX成为PicoChip的发展重点

作为一种可配置解决方案,PicoChip的picoArray器件可同时适用于3G和WiMAX,而有关这两种系统是否将产生竞争一直是业界争论的话题。对此,d'Eyssautier认为:“目前802.16d与HSDPA等3G技术互为补充,不存在竞争关系。HSDPA传输数据的无线终端是手机等手持设备,而WiMAX传输终端则是PC等设备。”但是他同时指出,WiMAX在数据、语音传输方面都很有优势,而且基站的建设成本也更为低廉;此外,WiMAX的非授权频带与3G高昂的授权费用相比,更具有吸引力。但是由于投入3G的授权费用已经太过庞大,运营商不可能就此放弃,因而这两个标准在一定时期会并存下去。

“picoChip将目光更多的集中在WiMAX发展上。”d'Eyssautier表示。目前,picoChip利用其PC102开发了符合802.16d标准的WiMAX物理层(PHY)器件,由于其具有可配置性,允许设计者无需改动硬件就可以升级到802.16e标准。对于802.16e标准的最终制定时间,d'Eyssautier希望会是明年。

可升级性对于像WiMAX这样的新兴标准而言是非常重要的特性。d'Eyssautier认为今后的WiMAX标准,也许会象Wi-Fi那样,根据应用的发展形成多个不同的版本;而且WiMAX还会更加具有地域性,从而满足不同国家的发展情况,就如现在韩国的WiBro标准。

PicoChip PHY解决方案所具有的完全可升级性和灵活性使它可以适应未来WiMAX标准的发展变化。在picoChip公司看来,其picoArray可配置处理器是最适合WiMAX市场需要的产品。

“与之相比,FPGA的面积太大,而且成本太高。”罗宁胜表示,“而考虑到WiMAX基站的市场规模,ASIC解决方案的开发费用太昂贵,未必划算。”

事实上,WiMAX的出现为这家新兴公司提供了绝佳的市场机遇。PicoChip宣称迄今为止已经赢得10几项设计中标。罗宁胜透露,该公司已经有一半以上的收入是来自WiMAX。

为了促进WiMAX市场的发展,picoChip正在携手其他合作伙伴推出完整的WiMAX参考设计方案,一般是由它提供PHY,而对方负责开发MAC。例如,在它与Airspan联合开发的WiMAX基站参考设计SoftMax中融合了picoChip的picoArray物理层(PHY)处理器和正交频分复用技术(OFDM)专长,而Airspan则提供MAC和更高层软件,目前可以实现802.16d标准。

SoftWAX是一个完整的、端对端的软件定义无线电(SDR)解决方案,??持诸如时空编码技术、多配置、自适应天线系统和MIMO智能天线等特性。借助于picoChip的软件定义架构,SoftWAX为运营商提供了灵活的现场网络升级和修改功能,减少了运营商的风险。

此外,picoChip 还与WiMAX最主要的推动者Intel合作推出了WiMAX基站平台,并在最近从Intel和其他风险投资公司获得了2050 万美元的投资。它还与美国网络安全芯片制造商Hifn公司一起,推出了采用picoArray处理器和Hifn 7956 WiMAX安全处理器的完整WiMAX基站参考设计。

考虑到中国大陆是全球最重要的无线通信市场之一,picoChip继前不久与中科院签署WiMAX合作协议之后,最近又与北京邮电大学无线新技术研究所(WTI-BUPT)签署了开发合作伙伴协议,携手开发WiMAX基站的参考设计。

d'Eyssautie表示在此次合作中,picoChip将提供基于PC102的PHY部分,而MAC部分则完全由北邮自主研发。

作者: 唐晓琪,颜健







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