針對手機應用的高性能Omap2420剖析

在最近的CTIA 無線資訊科技暨娛樂展上，眾多公司展出的主題驚人一致：語音、數據應用、音樂和視頻，而且全都通過無線方式實現。這讓我在坐下來撰寫這篇關于德州儀器(TI)的Omap2420應用處理器評論時，稍感輕松，因為這個共同的主題恰好總結了TI在該領域對自己的定位。

Omap2420適合基于Linux、Windows和Symbian操作系統(OS)的高端手機應用。它是Omap 2系列產品中的第一款，而Omap2系列最終將會轉向“調制解調和應用處理器”的混合領域。或許這款芯片最吸引人的地方就是多處理器內核，它包含了330MHz的ARM 11 RISC、220 MHz的TI C55 DSP、內含ARM7的成像和視頻處理器，以及支持166 MHz移動DDR SDRAM的Imagination Technologies公司3-D圖形處理器。該芯片還集成了顯示和相機控制器、SDRAM和閃存控制器，并附加了60多個外圍控制器。Omap 2420能夠為高端多媒體應用提供強大支持，這些應用包括30fps通用中間格式(CIF)的視頻會議、30fps的VGA編解碼、VGA和TV顯示，以及300萬像素以上的相機。使用該芯片的手機設計已經進行了一段時間，估計馬上就會投放市場。

2420與TI前幾代Omap應用處理器最大的不同，就是設計工藝由130nm縮減為90nm。另外，2420使用的ARM內核性能也有所提高：之前的Omap芯片最高只能支持220MHz，而2420則將速度提高到了330MHz。2420的高速緩存容量和存儲器總帶寬都有所增加，此外TI還用ARM11 RISC取代了ARM9。

Omap2420的3-D圖形性能提高了40到50倍，視頻性能也提高了一個數量級。而且通過并行處理，其多任務處理能力更為強大。

F1: TI的多內核應用處理器采用90nm工藝，時鐘頻率由220MHz提升到330MHz。

2420是一款多內核設計的芯片，TI早已明確表示，今后將根據應用需求支持盡可能多的內核。這樣看來，并行處理或多內核處理已經成為TI未來在手機應用領域的發展方向。

2420獨特的版圖層容納了TI的多引擎處理和電源管理功能。在這里，TI轉向了一種名為開放內核協議(OCP)的標準化互連方法，OCP屬于一個獨立的非營利標準組織OCP-IP。

OCP方便了內核復用，而且使內核能夠獨立于集成子系統。OCP還實現了一組可用于整個芯片的定時規則，以及單獨的驗證工具組。如果設計過程中有需要，它還允許IP模塊在系統內四處移動，這就使系統分析和芯片調試變得更加簡單和直接。

Omap2420的電源管理技術允許各處理器針對不同應用分別進行功耗優化。在裸片級，TI將多個電源域組合在一起，每個域都能關斷電源至零漏電，從而極大地延長了電池壽命。Omap2420中采用的許多電源管理技術都是TI新型SmartReflex技術中的一部分。

在晶體管和軟件級，TI尤其關注如何適應零漏電水平。通過使用預置在裸片上的多個電源開關，該架構能夠對不同的域單獨斷電，從而幫助TI獲得需要的間隔尺度(granularity)。此外，芯片中還包含特殊的嵌入式“diode-footed SRAM”開關，用于減小嵌入式存儲器的功耗。

于終端用戶對功率的需求各有不同，所以TI實現了軟件可編程功率模式，可以根據不同應用對電壓和頻率進行調整。例如，通過定義“關斷”模式進入最低功耗狀態。

目前，Semiconductor Insights(SI)公司正在對Omap2420進行分析。我們已經確定了TI的雙路(two-pass)電源開關控制電路，正在分析該控制電路在自動布線電路中對整個電源管理系統的影響。通過對裸片進行分析，SI還揭示了ARM內核、DSP內核以及圖形加速器的具體位置。曾經產生懷疑的存儲控制器、TMS320C55x DSP、電源管理模塊以及成像視頻加速器(IVA)的位置也都得到了確認。

2420中包含5種存儲器類型，所有嵌入式存儲器加起來大概占據了裸片面積的1/4，而Omap1710內4種不同存儲器類型大約占裸片的17％。但是，Omap2420的裸片尺寸大概是Omap1710的1.9倍，看來獲得更高的集成度需要在裸片面積上做一些犧牲。

從軟件角度來看，TI讓代碼從兩方面管理電源狀態：首先，通過監控工作負荷，軟件知道何種應用正在使用；其次，軟件收集統計信息來確定工作量情況。這就使芯片能夠根據實際使用模式進行基于預測的電源管理。

TI正努力使Omap的工藝向65nm轉移，在此過程中產生的一些額外工藝問題影響了芯片的漏電。我們都知道，TI擁有多項90nm工藝技術：有些采用高漏電晶體管，有些采用低漏電晶體管；因此可以推斷，TI在65nm工藝上會繼續延續這一戰略。此外，TI也會能在系統級對額外漏電進行補償，所以我們期待TI為解決65nm漏電問題提出一些獨特的電路實現方法。

位于電源管理設計外圍的TWL92230是一款輔助的電源管理器件。它采用250nm模擬BiCMOS工藝設計，能夠提供一些特殊功能，例如板上電壓調節和DC/DC轉換，用來補充2420的功能。

事實上，TWL92230專為與2420配套使用而設計，它包含了一些適用于最新Omap的特殊保護機制，例如裸片發熱測溫計及過熱斷電保護。其中過熱斷電保護允許TWL92230關斷其DC/DC轉換器，然后向2420發送一個中斷信號。由于手持式設備的外形在不斷縮小，類似的功能就十分重要。

TWL92230的使用還取代了許多外圍芯片以及單芯片中的離散元件。

在推出2420的整個過程中TI克服了無數困難。據TI的相關人士透露，在獲得最終設計審判前，版圖的復雜性是2420最大的挑戰。但2040最終從艱難中走出，并使用了標準工具的最新測試版進行驗證。

存儲器部分

TI支持在Omap2040上進行封裝疊加(PoP)式存儲器堆疊。PoP是指直接將一個封裝置于另一個封裝之上，二者的封裝材料直接相連。然而這樣的存儲器堆疊會產生一些問題。由于漏電流會產生熱量，因此在Omap2420上放置另一塊芯片會增加整個系統的發熱量。

這里就輪到SmartReflex技術大顯身手。為了保證兼容性和穩定性，TI分別以POP和標準裸片堆疊方式，對各存儲器廠商推出的適合SRAM或移動DDR器件與Omap2420的耦合情況進行了仿真。

從TI的角度來說，PoP是一種商業模式。因為PoP促使客戶與存儲器廠商進行談判，這樣TI就不必局限于支持某一種特定的存儲器。

三星最新的NAND閃存器件引發了一個問題：能夠堆疊接觸的存儲器總量是否有限。因為NAND閃存和NOR閃存似乎都很盛行，所以有人可能會疑惑，用戶到底會采用哪種存儲器配置呢？其實這里不必擔心，因為TI支持各種閃存配置和類型，包括高達1GB的NAND或NOR，以及高達1GB的移動DDR。即使NAND在高端手機的大容量存儲應用中更受歡迎，TI仍將NOR視為其很好的競爭者。

總而言之，TI一直在非常努力地推動利用Omap2420進行設計的范圍，來滿足一些比較“瘋狂”的應用。例如在運行高質量音頻應用的同時運行高質量的3-D游戲，還要用OMAP2420來控制一臺標準電視進行全屏游戲。按TI的說法，這樣的應用將會變得非常普遍。同時，TI還宣稱OMAP2420能夠在兩臺顯示器上同時運行圖形和視頻處理，并且能利用同一套存儲器件，在一個高級操作系統上并行運行音頻、視頻和3-D游戲。

雖然Omap2420來勢兇猛，但在這個領域它并非沒有競爭對手。Broadcom今年就推出了其BCM2705多媒體處理器，而Nvidia和ATI科技也在繼續設計同類產品與TI競爭。此外，高通也仍然關注如何將高端多媒體功能和基帶功能相整合。

但是TI憑借Omap 2420，已經將芯片的整體集成度和功能性又向前推進了一步。希望2420能夠幫助TI繼續保持其在應用處理器領域的領先地位。

Omap2420將首先用于高端手機，并隨市場發展向低端手機滲透。帶有該處理器的手機即將上市。