新一代通用CPU三大突破得之不易

来源：兆芯   

通用CPU是IC行业内最具代表性的高集成度产品之一，其研发难度之高、资源投入之多均属行业前列，却又与信息技术的发展息息相关。2019年6月，兆芯推出的新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列处理器，在采用16nm工艺，将主频提升到3.0GHz的同时，性能也进一步迈入国际主流水准，为国产通用CPU的发展树立了重要的里程碑。

除了周期长投入大，更重要是寻找平衡

一颗通用CPU从微架构设计到最终发布量产，是一个时间、人力、物力各方面投入巨大的过程。在整个芯片的研发历程之中，微架构的设计开发占据着巨大的比重。这项工作的实施既要考虑到未来的产品方向、技术趋势以及工艺的变化演进等因素，还要结合对功能、性能、频率、功耗等方面的预期进行综合的考虑，在这些需求中间寻找到一个最佳的平衡点。“比如说，在某些单项参数方面，我们已经可以做到比现有数值好很多。但是考虑到最终客户的需求、产品的稳定性、应用场景的功耗控制等，通常都会做一些取舍。”

国产处理器研发历程

微架构确定之后会进入到具体的设计阶段，在这一阶段，一方面要根据目标市场，进行更详细、更密集的性能、频率、功耗等方面不断验证、优化，另一方面基于未来IO的标准、规格，进行芯片组功能的设计研发，特别是IP的研发测试也极为消耗时间和精力。“整个产品设计阶段，需要经历数次RTL代码、时序等方面的优化，以及从电路级、到模块级、芯片级，乃至系统级的验证测试，而这些还不包括芯片流片之后的功能、性能、适配、良率等方面的更进一步测试和优化工作，”王惟林在说起这些需要日复一日重复进行的设计工作时语气凝重，依然有沉沉的责任感。

此外，CPU的设计研发工作中，设计方法的研究也是非常重要的组成，每一代工艺对应的设计实现的方法都在不断演进，高性能CPU的设计方法也需要不断提升，这样才能够基于目标工艺，让最终的产品在频率和功耗等方面达到最优。

互联改进、频率提升、自主IP，新一代通用CPU三大突破得之不易

兆芯新一代通用CPU KX-6000/KH-30000系列处理器有三项技术突破的过程尤为深刻，一是片内、片间互联的改进，二是频率的提升，三是DRAMC DDR4 3200控制器自主IP的成功开发。

ZPI（Zhaoxin Processor Interconnect）是兆芯自主开发的全新片间互连技术

片内互联方面，兆芯的研发团队基于上一代KX-5000系列处理器片内互联带宽、传输效率、内部延迟等方面存在的问题，通过建立多种软件仿真模型进行了大量的测试和优化。片间互联ZPI 2.0是兆芯自主设计的一套方案。“互联架构的设计研发以及测试验证，这些工作大约占据了整个芯片研发工作四分之一的比重。”在整个互联协议、内核间数据一致性上，研发团队需要进行大量的、非常复杂的测试和研究。

至于用户最关注的主频提升，从上一代产品的2.0GHz提升到KX-6000/KH-30000系列处理器的3.0GHz，除了对流水线的优化、物理实现的优化，设计过程中也遇到了很多的问题。

“处理器频率和设计规模的不断提升，高速和高密，高功耗会使系统内的环境更加恶劣。电磁环境的干扰和系统内部的相互窜扰，严重地威胁着处理器的稳定性、可靠性和安全性。最典型的就比如PI（电源完整性）、SI（信号完整性）在3.0GHz下的抖动和损失，为了解决这个问题，整个团队在后端、微架构、电路、逻辑设计等方面都进行了特别的处理，并开发了新的功能，比如频率根据电学抖动自适应等。”

新一代通用CPU中还集成了很多兆芯自主研发的IP，其中 DRAMC DDR4 控制器支持3200MHz，达到了行业的主流标准。从上一代2400MHz到3200MHz，频率的提升同样带来了SI方面的很多问题，针对这些问题，相关的设计团队在IP设计、电路和PCB板设计方面也都花费了巨大的精力来改进优化，直到最终各项指标达到预期。

兆芯新一代处理器集成的IP（部分）

正视差距，上紧发条，全力追赶

就国内而言，兆芯新一代通用处理器在频率、性能、IO标准等方面均处于前列，但放到国际上看，依然存在很大的差距。在谈及国产通用CPU与国际同类产品的差距时，我们也知道差距所在和努力的方向，但由于人力、时间、资金等外部因素的影响，让兆芯在芯片研发过程中，只能一次性的解决一些问题，并且很难有试错的机会，没有办法精雕细琢和深入研究，只能尽全力一点点追赶上去。“方法和流程，如同材料学和飞机发动机一样，需要大量的试错和基础预研。但是兆芯一直处于赶路状态，要确保每一颗芯片成功，很多现实压力让你没有时间也没办法进行试错，找出某些关键问题的更优解。”