工程師可以通過(guò)刪掉通用微控制器中未使用的邏輯門(mén)，將尺寸和功率削減一半。
伊利諾伊大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授Rakesh Kumar表示：“處理器對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是過(guò)度設(shè)計(jì)的。一個(gè)眾所周知且必要的事實(shí)是：為了具有可編程性和靈活性，處理器上的內(nèi)容要比任何應(yīng)用所使用的內(nèi)容更多。對(duì)于驅(qū)動(dòng)最新的嵌入式計(jì)算平臺(tái)（如可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器）的超低功耗微控制器而言，情況尤其如此。它們通常運(yùn)行一個(gè)非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序，沒(méi)有別的東西(甚至連操作系統(tǒng)都沒(méi)有)，這意味著芯片中的大部分電路完全沒(méi)看到半點(diǎn)數(shù)據(jù)。”
Kumar、明尼蘇達(dá)大學(xué)助理教授John Sartori（曾經(jīng)是Kumar的學(xué)生），以及他們的學(xué)生決定設(shè)法解決這種浪費(fèi)問(wèn)題。他們的解決方案從研究通用微控制器的設(shè)計(jì)開(kāi)始。他們想出了一個(gè)快速的方法來(lái)確定哪些邏輯門(mén)從未參與到需要運(yùn)行的應(yīng)用程序中，然后刪去這些多余的門(mén)。其結(jié)果就是Kumar所說(shuō)的“定制處理器”，這是一種體積更小、復(fù)雜度更低版本的原微控制器，旨在僅執(zhí)行所需的應(yīng)用程序。6月，在多倫多舉行的第44屆計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)際研討會(huì)上，Kumar和Sartori詳細(xì)介紹了定制處理器項(xiàng)目。
Kumar說(shuō)：“我們的方法是找出應(yīng)用程序保證不使用的所有硬件，而不考慮輸入。剩下的是一個(gè)并集或超集，是數(shù)據(jù)可以使用的所有可能的路徑。然后我們移除沒(méi)有觸及到的硬件。”
他們從MSP430微控制器開(kāi)始，制作定制的設(shè)計(jì)，用于執(zhí)行諸如快速傅里葉變換、自相關(guān)函數(shù)和插值濾波等應(yīng)用程序。這些設(shè)計(jì)中只有不到一半的邏輯門(mén)是原微控制器設(shè)計(jì)的一部分。事實(shí)上，他們研究的15個(gè)常見(jiàn)的微控制器應(yīng)用程序中，沒(méi)有一個(gè)需要超過(guò)60%的門(mén)。平均而言，設(shè)計(jì)出的芯片體積縮小62%，功耗降低50％。通過(guò)利用較短距離信號(hào)傳輸所節(jié)省的時(shí)間，平均節(jié)能高達(dá)65%。
Sartori說(shuō)：“真讓人大吃一驚。大多數(shù)人認(rèn)為，在這樣一個(gè)小而簡(jiǎn)單的處理器中，幾乎所有的東西都被使用了；但是對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用程序，實(shí)際上有很多邏輯門(mén)可以完全刪除，而且軟件仍然工作得非常完美。”
如果您希望處理器執(zhí)行兩個(gè)或更多的應(yīng)用程序，這種方法依然有效；它甚至可以處理操作系統(tǒng)外加應(yīng)用程序。他們用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)它單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，57%的門(mén)完全未被觸及。如果FreeRTOS和上述15個(gè)應(yīng)用程序中的任何一個(gè)一起運(yùn)行時(shí)，都只剩下不足27%的門(mén)未使用，但是Kumar指出，這些應(yīng)用程序通常“裸機(jī)”運(yùn)行——它們不需要操作系統(tǒng)。
為什么不訂購(gòu)ASIC（專用集成電路）呢？一句話：成本。Kumar表示，嵌入式微控制器適用于低容量、低成本的用途，從頭設(shè)計(jì)并測(cè)試ASIC的成本太高。通過(guò)從標(biāo)準(zhǔn)的微控制器設(shè)計(jì)入手，這個(gè)過(guò)程簡(jiǎn)化了，而且更便宜。
庫(kù)馬爾說(shuō)，這就像個(gè)“黑盒子”。“輸入應(yīng)用程序，它輸出處理器設(shè)計(jì)。”
市場(chǎng)研究公司IHS的嵌入式處理器首席分析師Tom Hackenberg表示，事情可能不是那么簡(jiǎn)單。測(cè)試、驗(yàn)證以及在開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用程序芯片過(guò)程中遇到的其他成本仍然存在。如果這項(xiàng)技術(shù)不能降低設(shè)計(jì)過(guò)程的成本，廉價(jià)的微控制器(平均約為1美元，但可以低至25美分)仍然是成功的解決方案。
然而，Hackenberg說(shuō)：“如果這個(gè)概念具備他們所說(shuō)的那些功能，那么設(shè)計(jì)一個(gè)面向具體應(yīng)用的處理器可能是一個(gè)更簡(jiǎn)單的過(guò)程。”
英國(guó)劍橋市ARM公司的研究工程師們希望事情可以變得如此簡(jiǎn)單。他們一直在努力開(kāi)發(fā)一個(gè)名為“Plastic ARM”的項(xiàng)目，該項(xiàng)目是使用印刷電子技術(shù)在塑料上構(gòu)建1美分的一次性微控制器。 他們的第一次嘗試占用了7.5平方厘米。 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人James Myers說(shuō)，經(jīng)過(guò)了整整一年的艱苦設(shè)計(jì)工作，終于完成了將其縮小到1平方厘米的目標(biāo)，并可以根據(jù)應(yīng)用程序定制它。今年夏天，在Sartori的一名學(xué)生的幫助下，他們計(jì)劃使用定制處理器技術(shù)，看看他們能否達(dá)到同樣或更好的結(jié)果。
他說(shuō)，“利用印刷電子技術(shù)，設(shè)計(jì)芯片的門(mén)檻應(yīng)該比硅片低。對(duì)于面向具體應(yīng)用的設(shè)計(jì)，應(yīng)該有更多的機(jī)會(huì)，但如果設(shè)計(jì)成本保持不變，則不應(yīng)如此。我想要的是降低設(shè)計(jì)成本和制造成本。如果能夠自動(dòng)生成一個(gè)定制版本的處理器的話，則大有益處。”