SoC серии МУЛЬТИКОР — первый шаг и положительная динамика развития

Микросхемы серии МС_11xx

Первая ИМС серии «МУЛЬТИКОР» — тестовый чип МС_11T серии МС_11xx для маломощных встраиваемых и мобильных применений. Содержит стандартное RISC-ядро (RISCore_11), совместимое с системой команд MIPS 1 ISA^®, и оригинальное, масштабируемое и программируемое ядро цифрового сигнального процессора — DSP-ядро ELcore_11™ (ELVEES’s core).

В состав микросхем МС_11 включена минимальная конфигурация DSP-ядра c фиксированной точкой ELcore_11, имеющая 16-разрядную гарвардскую архитектуру SISD (Single Instructions Single Data — один поток команд и один поток данных). По общей классификации СБИС, разрабатываемых на базе платформы «МУЛЬТИКОР», СБИС серии МС_11 относятся к сигнальным контроллерам миниконфигурации. Микросхема МС_11Т спроектирована и изготовлена в конце 2002 года на основе 0,54 мкм (3 металла) библиотеки отечественного изготовителя ОАО «Ангстрем». В настоящий момент ИМС МС_11T установлена в корпус «Монополия — 160» и проходит стадию измерений и коррекции. Библиотеки макроблоков и топология СБИС в целом разработаны в ЗАО НЦ «Ангстрем-СБИС».

В таблице 1 представлено сравнение возможностей DSP-ядра ELcore_11 ИМС МС_11xx (ЭЛВИС) и DSP-ядра C54x ИМС TMS320С5470.

Следует отметить значительное преимущество отечественного ядра в случае его реализации не только при одинаковой с зарубежным аналогом технологии изготовления, но и при изготовлении на отечественной технологии ОАО «Ангстрем», значительно уступающей западному уровню технологии.

Микросхемы серии МС_12xx

Производство ИМС МС_12/23/01/02xx планируется в 2003 году. Основные отличия этого устройства от ИМС МС_11xx:

• в качестве RISC-ядра используется архитектурный аналог MIPS32;
• ИМС представляют более сложную систему на кристалле, использующую систему внутренних шин стандарта AMBA для обеспечения внутренних потоков обменов данными между внутренними и внешними ресурсами ИМС;
• в составе ИМС используются DSP-ядра ELcore_11/12/13 с 2- или 4-кратным SIMD-распараллеливанием потоков обрабатываемых данных;
• обеспечивается до шести SHARC-совместимых байтных внешних линка;
• стандартный PCI-интерфейс в качестве системной шины;
• многоканальное (около 20 каналов) DMA-ядро поддерживает трафик всех потоков в пределах внутренних и внешних ресурсов ИМС.

«МУЛЬТИКОР»_12 (МС_12) — это сигнальный контроллер миниконфигурации с плавающей точкой для микроминиатюрных высокоточных встраиваемых применений.

Тестовый кристалл ИМС МС_12S спроектирован ГУП НПЦ «ЭЛВИС» и центром проектирования ОАО «Ангстрем» для изготовления по 0,25-мкм технологии на зарубежной фабрике (в июле 2003 года выпущены первые тестовые образцы).

Ожидается, что ИМС MC_12S при рабочей частоте 80 МГц поддержит пиковую производительность до 240 MFLOPs (IEEE754).

Микросхема содержит в своем составе стандартное универсальное RISC-ядро (архитектурный аналог MIPS32) и минимальную конфигурацию нового оригинального ядра сигнального процессора (DSP-ядра) разработки НПЦ «ЭЛВИС» серии ELcore1_2 с плавающей точкой.

ИМС МС_12 сочетает в себе лучшие черты микроконтроллеров и ИМС цифровой обработки сигналов, что особенно важно для микроминиатюрных высокоточных встраиваемых применений, когда приходится решать в рамках ограниченных габаритов одновременно задачи управления и обработки информации, включая сигналы и изображения.

Новое дополнительное качество новой ИМС для пользователя микросхемы — возможность выбора оптимального для данного применения режима обработки, сбалансированного между пиковой производительностью и динамическим диапазоном обрабатываемых данных. Форматы обработки варьируются от байтных форматов с фиксированной точкой до высокоточных форматов: стандартного формата с плавающей точкой (IEEE754) или длинного плавающего формата 32E16.

Кроме того, для разработчика системы впервые обеспечивается уникальная возможность применения новых алгоритмов принятия решений в RISC-ядре на основе параллельно выполняемых процедур адаптивного анализа и обработки сигналов в DSP-ядре, что реализуется в пределах одной и той же микросхемы, и что особенно важно для сверхминиатюрных применений. Для этих целей разработаны методы применения алгоритмов RLS/LNS, в частности для адаптивных антенных решеток на базе ИМС серий «МУЛЬТИКОР».

Микросхемы серии МС_23xx

В состав МС_23xx входит 2SIMD — расширение ядра ELcore_13xx — программируемого масштабируемого DSP-ядра сопроцессора-акселератора c фиксированной точкой, усиленного по MAC-операциям.

За один такт работы такого ядра в пиковом режиме выполняется одновременно четыре MAC-операции с 16-разрядной фиксированной точкой (всего шестнадцать 16-разрядных операций) и 36 байтных операций, обеспечивая для данной ИМС пиковую производительность, достаточную для поддержки обработки видеоинформации или обработки сигналов для современных беспроводных модемов в реальном времени.

Сигнальный контроллер мидиконфигурации МС_23xx с фиксированной точкой предназначен для высокопроизводительных систем обработки информации в коммуникационных приложениях, ФАР (первичная обработка радаров и сонаров), а также мультимедиа, особенно для сжатия и обработки видеоинформации.

Ожидается, что первые тестовые образцы ИМС МС_23xx (MC_23S) будут изготовлены на зарубежной фабрике в 3 квартале 2003 года.

Микросхемы серии МС_01/02xx

ИМС МС_01/02xx представляют сложную систему на кристалле, использующую 3 внутренних шины стандарта AMBA для обеспечения внутренних потоков обменов данными между внутренними и внешними ресурсами ИМС.

Кроме этого, в составе ИМС используется DSP-ядро с 4-кратным SIMD — распараллеливанием потоков обрабатываемых данных, до шести внешних линков, а также стандартный интерфейс PCI в качестве системной шины. 20-канальное DMA-ядро поддерживает трафик всех потоков внутри ИМС.

ИМС МС_02xx является цифровым сигнальным контроллером с плавающей точкой, что обеспечит его широкое использование в приборах для обработки 3-мерной графики и адаптивных методов анализа. Этот однокристальный двухпроцессорный прибор, помимо возможностей обработки чисел с фиксированной точкой с такими же характеристиками, что и МС_01xx, обеспечивает возможности обработки данных (сигналов и изображений), представленных в плавающих форматах (IEEE754).

К примеру, ИМС МС_02B с частотой 80 MГц поддерживают пиковую производительность не менее 960 MFLOPs, что вполне соизмеримо с производительностью ИМС серии SHARC фирмы Analog Device и TMS320C67xx Texas Instruments. Кроме высокой производительности стандартная системная PCI-шина (в SHARC-приборах отсутствует) и набор SHARC-совместимых линков позволяют увеличение числа ИМС в реальной системе по кластерному (через PCI) или параллельному (через линки) типу наращивания.

Другие серии ИМС «МУЛЬТИКОР»

НПЦ «ЭЛВИС» в рамках федеральных программ вместе со своими стратегическими партнерами проектирует чипсет на базе платформы «МУЛЬТИКОР» (0,18–0,13 мкм) из двух СБИС для широкополосной мобильной системы связи 2.5, 3 и 4 поколений.

В состав чипсета входят однокристальная модемно-мультимедийная микросхема «Мультиком» (MCom_xx™) и аналого-цифровая ИМС мультистандартного трансивера «Мультифлекс» (MFlex_xx).

Оба чипа (и их модификации) предназначены для разработки отечественного коммуникационного оборудования, включая мультирежимные и мультистандартные абонентские терминалы (фиксированные, портативные и мобильные), а также оборудование базовых станций и связных спутниковых ретрансляторов.

Кроме того, вместе с партерами НПЦ «ЭЛВИС» разрабатывает чипы для аудиоинтернета, цифрового телевидения, 3-мерной графики и т. д. Одновременно проектируются ИМС серий «МУЛЬТИКОР» миди- и максиконфигураций c фиксированной и плавающей точкой многомиллиардной производительности для высокопроизводительных комплексов обработки реального времени: фазированных антенных решеток, радаров, сонаров, телекоммуникационного оборудования базовых станций и т. д.

Снижение стоимости жизненного цикла устройств на базе ИМС «МУЛЬТИКОР»:

• Масштабируемость архитектуры — преемственность ПО.
• Доступность свободно распространяемого ПО для стандартного RISC-ядра — сокращение времени разработки ПО.
• Стандартное решение в ИМС — стандартные решения в системной аппаратуре.
• МСS — сокращение времени проектирования ПО.
• 2 в 1: RISC + DSP — новое качество обработки информационных потоков.

Микромодули серии «САЛЮТ™» и «Унимодули™» на базе ИМС серий «МУЛЬТИКОР»

Преследуя цели дальнейшей микроминиатюризации и при ограничении возможности использования микроминиатюрных отечественных корпусов, НПЦ «ЭЛВИС» разрабатывает уникальные технологии разработки и изготовления для плотной упаковки (технология High Packaging Density) ИМС серий «МУЛЬТИКОР» в виде специальных микромодулей серии «САЛЮТ» вместе с памятью большого объема для микроминиатюрных и встраиваемых систем (рис. 2).

Эти миниатюрные многокристальные конструкции размером 40×60 мм², закрытые металлической крышкой, обеспечивающей отличные теплоотводящие свойства, содержат до 1 Гбайт памяти на базе ИМС SDRAM, Flash, могут использовать АЦП/ЦАП, FPGA, двухстороннюю компоновку и т. д.

Микромодули «САЛЮТ» разрабатываются для всех серий ИМС «МУЛЬТИКОР» и предназначены для коммерческих и специальных применений — везде, где требуется значительная микроминиатюризация: во встраиваемых бортовых автомобильных системах, на борту космических аппаратов, в мобильных коммуникационных терминалах, в портативных системах GPS/GLONASS-навигации.

Внутри микроминиатюрного микромодуля размещается целая двухпроцессорная микро-ЭВМ, содержащая однокристальный сигнальный микроконтроллер серии «МУЛЬТИКОР» плюс 512 Mбит памяти SDRAM, плюс 64 Mбит Flash. Приблизительно такие же габариты может иметь, например, плата перспективного отечественного терминала для мобильной космической связи.

Микромодули «САЛЮТ» на основе импортозамещающих серий «МУЛЬТИКОР» (МС_11/12/23/01/02) устанавливаются в «Унимодули» (PC-104Plus) и могут быть эффективно использованы во многих областях применений (рис. 3).

На базе ИМС МС_02xx при двусторонней компоновке «Унимодуль» будет иметь пиковую производительность 3840 MFLOPs и суммарный объем памяти 2 Гбит SDRAM и 256 Мбит Flash.

Программное обеспечение ИМС ряда «МУЛЬТИКОР»

В рамках платформы разрабатывается не уступающее зарубежным аналогам открытое инструментальное ПО MultiCoreStudio (MCStudio).

Инструментальное ПО ИМС платформы «МУЛЬТИКОР» базируется на архитектуре стандартного RISC-ядра (MIPS 1 ISA /MIPS32 application software compatible). Вследствие этого поддерживается большой объем свободно распространяемого ПО для ИМС MIPS-архитектуры.

DSP-ядро имеет SIMD-масштабируемую стандартную архитектуру с однотактным (RISC-подобным) исполнением практически всех команд, аппаратно поддержанными циклами и переменными форматами данных и инструкций. Система инструкций содержит параллельные и специальные инструкции для поддержки БПФ, фильтров, декодера Витерби, обработки битовых полей.

В состав инструментального ПО СБИС платформы «МУЛЬТИКОР» входят:

• интегрированная среда разработки и отладки программ для СБИС «МУЛЬТИКОР» под OС Windows и Linux, включая ассемблерные средства программирования, С-компилятор, менеджер проекта и графические оболочки;
• программно-аппаратный отладчик на XILINX-прототипе серий ИМС и на оценочной плате СБИС (CENTAURUS 2K2);
• JTAG-отладчики RISC- и DSP-ядер, а также ИМС в целом;
• библиотека прикладных программ для DSP-ядра и ИМС МС в целом;
• операционная система LINUX 2.4.

SDK для серий ИМС МС_11/12/02 планируется поставлять во 2–3 квартале 2003 года. В состав SDK входит модуль CENTAURUS 2K2, CD c инструментальным ПО MCStudio и документация.

Микромодули и «Унимодули» на основе импортозамещающих серий «МУЛЬТИКОР» (МС_11/12/01/02) могут быть эффективно использованы для:

• бортовых радарных и гидроакустических комплексов нового поколения с производительностью в несколько десятков млрд оп/c;
• охранных технологий;
• новых поколений систем связи;
• телевизионных систем,
• систем мультимедиа;
• систем контроля с повышенной надежностью и отказоустойчивостью в контуре управления;
• бортовых систем спутниковой навигации и связи, 3-мерных графических станций, микроминиатюрных систем мониторинга со встроенной системой мобильной связи или интеллектуальной системой идентификации и принятия решений.

Примеры системного использования ИМС «МУЛЬТИКОР»:

• радиотелефонная абонентская станция широкополосной системы связи;
• цифровой телевизионный приемник для спутникового (кабельного) телевидения;
• цифровой интернет-телевизор;
• устройство мобильного аудиоинтернета с совмещенной функцией MP3-плеера;
• автомобильный бортовой процессор, обеспечивающий функции управления автомобилем (системы управления датчиками и мотор), функции коммуникационномультимедийного терминала и системы бортовых радаров;
• приемник GPS/GLONASS с функцией SMS;
• радарная подсистема обработки сигналов для авиационно-космических применений и т. д.

Несомненно, что новые возможности отечественной электроники, в том числе и с использованием технологий, разработанных в ГУП НПЦ «ЭЛВИС», помогут и другим предприятиям отечественной промышленности (автомобильной, телекоммуникационной, оборонной и другим отраслям) вывести на мировой уровень собственную продукцию. Все вышеназванные проекты совершенно реально могут быть выполнены на отечественной элементной базе — ИМС серий «МУЛЬТИКОР» в течение ближайших 1,5–2 лет.

Технология «МУЛЬТИКОР», которую смогут использовать и другие отечественные электронные дизайн-центры, может значительно улучшить положение России на мировом рынке микроэлектроники.

ГУП НПЦ «ЭЛВИС» принимает активное участие в программах, проводимых Фондом развития российской электроники, РАСУ и Минпромнауки, направленных на вывод электроники России на международный уровень. В совместных разработках с ГУП НПЦ «ЭЛВИС» принимают участие студенты, аспиранты и преподаватели ведущих технических университетов Москвы (МИФИ, МФТИ, МИЭТ, МАИ) и Санкт-Петербурга, ученые, лауреаты Ленинской и Государственной премий из ряда институтов Российской академии наук: ИРЭ РАН и НИИСИ РАН, ряд отечественных центров проектирования, таких, как ОАО «Ангстрем», НИИМА «Прогресс», ФГУП «Субмирон», НЦ «Ангстрем-СБИС».

В ближайшие 2–3 года у российской электронной промышленности есть возможность не только выйти из ситуации повального использования импортных комплектующих, но и создать конкурентоспособные микросхемы, не уступающие лучшим зарубежным аналогам.