Enterprise Computing
Digitaler Leim für das Mikroprozessor-Chip-Design

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Vor zwei Jahrzehnten wurden alle Mikroprozessor-Systeme mit diskreten Mikroprozessor-Chips entwickelt. Das System-PCB verband den Mikroprozessor mit der System-Peripherie, Display-Controller-Daughterboards, externen IO-Controllern (wie UARTs oder Drucker-Ports), Memory-Controllern und Interface-Chips für Massenspeichergeräte. Jeder Chip nutzte oft ein proprietäres Pin-Interface, das eine Menge von “Leimlogik” in Form zusätzlicher Logikkomponenten auf dem PCB erforderte – was es den Chips erlaubte, sich richtig mit einander zu verbinden.

Eine Kombination von funktionalen und Kostenzwängen hat das ständige Wachstum der Zahl und der Komplexität von Komponenten angetrieben, die innerhalb der Produktentwicklung mit einander integriert werden. Dank der Entwicklung der System-on-Chip-(SoC)-Technologie werden viele dieser Komponenten inzwischen mit dem Mikroprozessor auf einem einzigen Chip integriert. Für Chip-Entwickler ist es zu einer bedeutsamen Herausforderung geworden, alle diese Elemente mit einander zu verbinden.

Immer mehr Logik auf kleinem Platz – ohne Standard wird es wirr
Man kann diese Anforderungen in vielen Marktsegmenten leicht erkennen. Ein beispielhafter Markt ist die Fotografie. In den letzten 20 Jahren haben sich die Fotokameras gewaltig entwickelt: verfügten sie zunächst nur über einen winzigen Elektronikanteil, so gehören sie heute zu den ausgefeiltesten und hochgradig integriertesten Produkten, die erhältlich sind. Die funktionalen Anforderungen begannen mit einfachen Belichtungsmessern. Dann kam als nächster Fortschritt das automatische Filmspulen hinzu, es folgten automatische Belichtung und Autofokus. Man begann, in Kameras Mikroprozessoren zu integrieren, um diese Funktionen zu implementieren. Mit der Einführung der Digital Still Camera (DSC) kam es zu einem Quantensprung, und seither hat sich der Funktionsumfang dieser Produkte immer weiter beschleunigt. Ein zweiter Sprung fand durch die Integration vieler DSC-Funktionen (Digital Signal Processing) in heutige Mobiltelefone statt.

Dieser schnelle Zuwachs von Funktionalitäten wurde von zwei anderen wichtigen Trends begleitet: Beim ersten handelt es sich um den ständig wachsenden Druck auf die Herstellungskosten. Damit ein Produkt auf dem Massenmarkt erfolgreich ist, müssen sich die nachgefragten Funktionen zu einem wettbewerbsfähigen Preis integrieren lassen. Der zweite Trend hängt mit dem Lebenszyklus eines Produktes zusammen. Der Produkt-Lebenszyklus beginnt mit der Untersuchung der Anforderungen und wird von Entwicklung, Qualifizierung und Massenproduktion gefolgt und endet schließlich mit der Veralterung des Produktes. Insgesamt nimmt die Dauer dieses Lebenszyklus im Lauf der zeit ab. Vor allem der Zeitraum zwischen Massenproduktion und Produktveralterung ist deutlich geschrumpft, bedingt durch Wettbewerb und den Konsumentenhunger nach neueren Produkten mit mehr Funktionen. Das sorgt für erheblichen Druck auf die Forschungs- und Entwicklungsbereiche des Lebenszyklus. Die Unternehmen müssen ihre Produkte schnell auf den Markt bringen, um ihr Fenster auf dem Massenproduktionsmarkt zu optimieren, bevor ihr Produkt veraltet ist.

Die Chip-Herstellungstechnologien erlauben inzwischen, dass auf jeden Chip mehr gepresst wird. Ein SoC-Konzept, das auf einen Prozess ausgerichtet wird, bei dem die Geometrie verkleinert wird, bietet einen größeren Bereich von “Entwicklungsgrundstücken”, die mit einem komplexeren Aufbau ausgestattet werden können, das mehr Funktionen unterstützt. Die Entwicklung von Chips, die immer kleinere Funktionsgrößen nutzen, führt zu einer Reihe von Problemen, aber das fundamentale Anliegen bleibt, dass die Bauweise immer komplexer wird und der Markt nach kürzeren Produktzyklen ruft. Im Ergebnis ist es für Entwickler-Teams unmöglich geworden, innerhalb der verfügbaren Zeit ein neues SoC aus dem Nichts aufzubauen. Will man erfolgreich sein, muss sich die Bauweise eine große Menge bereits vorhandenes IP (Intellectual Property) zu Nutze machen. In der Regel wird ein Teil dieses IP für eine ältere SoC-Generation entwickelt worden sein. In zunehmendem Maße wird ein großer Teil des IP von einer Zahl von Dritt-IP-Anbietern wie ARM lizenziert werden.

ARM, ein Unternehmen mit Sitz in Cambridge, Großbritannien, ist inzwischen der führende Anbieter von Intellectual Property (IP)
– geistigem Eigentum – für Mikroprozessoren in der Industrie. Die Firma lizenziert ihre Prozessoren, Peripheriegeräte und andere IP für den Gebrauch in SoC-Systemen leitender internationaler Elektronikunternehmen. Neben dieser bietet ARM seinen Partnern und der Industrie im allgemeinen Spezifikationen, Tools und integrierte Subsystem-Entwürfe an, die dabei hilfreich sind, die Herausforderungen zu lösen, die Integration und Implementation moderner Mikroprozessor-basierter Produktentwicklung stellen.

Lange unbekannt – offene Hardwareschnittstellen schon seit 1990
Bei der Gründung von ARM im Jahre 1990 hatten viele der Mitarbeiter bereits mehrere Jahre Erfahrung mit SoC-Konstruktionen und den Herausforderungen, die ihre Integration stellt. Durch die ständig expandierenden ARM-Partnerschaften wurde bald klar, dass die Halbleiter-Unternehmen sich damit abmühten, Komponenten bei der Entwicklung neuer Chips effektiv wiederzuverwenden und den Mikroprozessor effizient in den übrigen Systemaufbau zu integrieren. 1995 reagierte ARM darauf mit der offenen Publikation eines Sets von Interface-Protokollen für On-Chip-Komponenten und Verbindungsplänen: Die Advanced Microcontroller Bus Architecture (AMBA). AMBA-Technologie wurde die erste von der Industrie anerkannte Spezifikation für On-Chip-Interfacing. Sie lieferte ARM und seinen Partnern ein Rahmenwerk, um eine Wiederverwendungsstrategie zu entwickeln, mit der sich die Herausforderungen steigender SoC-Integrationsniveaus angehen ließen.

Angesichts einer fehlenden anerkannten Interface-Spezifikation hatten die Komponenten-Entwickler in der Regel ein proprietäres Interface entworfen, wenn neues IP geschaffen wurde. In einigen Fällen hatte sich dieses Interface auf einer Komponente-für-Komponente-Basis radikal geändert. Das stellt eine Große Herausforderung hinsichtlich der Integration dar, bei der erhebliche Arbeit geleistet werden muss, um es jeder Komponente zu ermöglichen, an den SoC-Aufbau angeschlossen zu werden. Zusätzliche Logik wird benötigt, um Komponenten mit einander zu verbinden, und das macht den Aufbau oft ineffizient und kann die Leistung des Systems begrenzen. Außerdem erschwert es die Wiederverwendung von Komponenten, da der SoC-Entwickler jedes proprietäre Komponenten-Interface detailliert kennen muss, um die Integration vorzunehmen.

Die AMBA-Spezifikationen bieten ein Set von festgelegten Protokolldefinitionen, die ein Entwickler befolgen kann, wenn er IP erstellt. Wird eine IP-Komponente mit einem AMBA-Interface entwickelt, kann diese IP-Komponente nahtlos und effizient mit anderen Komponenten verbunden werden, die AMBA-Interfaces unterstützen. Die AMBA-Spezifikationen sind gratis als Download von der Website von ARM erhältlich ( http://www.arm.com). Unternehmen können die Interface-Spezifikationen ohne weitere Lizenzen von ARM übernehmen. Seit 1995 sind die AMBA-Interfaces zu einem De-facto-Industriestandard für die Entwicklung von On-Chip-Intellectual-Property(IP)-Komponenten-Interfaces geworden.

Kein Open Source – dennoch ist viel Zusammenarbeit nötig
Die AMBA-Spezifikationen werden von ARM geschrieben und kontrolliert und sind kein Teil einer Industriestandard-Organisation. ARM arbeitet allerdings eng mit vielen Partnern zusammen um sicherzustellen, dass die Spezifikationen im Einklang mit den Anforderungen der Industrie entwickelt und gepflegt werden. Dieser Ansatz hat viele Vorteile, wenn man ihn mit “Standard”-Spezifikationen vergleicht, die von Komitees festgelegt werden, da diese oft nur langsam vorankommen und dazu neigen, überkomplexe Spezifikationen hervorzubringen, die überflüssiges “Gepäck” von den vielen beteiligten Parteien enthalten. Der Ansatz, eine Spezifikation zu veröffentlichen, die von einer Partei kontrolliert wird, um einen De-facto-Standard festzulegen, ist in der Industrie heutzutage weitverbreitet. Die starke Position von ARM in der SoC-Entwicklung, in der das Unternehmen die weitverbeitetste lizenzierbare Mikroprozessor-IP anbietet, platziert die Firma in eine einzigartige Stellung, wenn es darum geht Spezifikationen zu unterstützen oder zu erstellen, die weite Verbreitung finden sollen.

Seit der Formierung der AMBA-Methodologie hat sich ein ganzes Ökosystem von IP und unterstützenden Tools um diese Spezifikationen herum entwickelt. Kleinere IP-Entwickler können die Spezifikation als Hilfe benutzen, um ein größeres Publikum zu finden. Anbieter von Verifikations-Tools können Lösungen liefern, die den Entwicklungs- und Verifikationsprozess beschleunigen, wie zum Beispiel Traffic-Generatoren und Signalprotokoll-Prüfer. Unternehmen, die Entwicklungsdienste anbieten, können komplexe Systeme mit der Kenntnis nur eines Interface-Standards bauen.

Die Nutzung der AMBA-Spezifikation ist lediglich Teil einer viel breiteren Strategie, die komplexeren und skalierbareren SoC-Aufbau ermöglichen soll. ARM ist in vielen Bereichen engagiert, um Spezifikationen zu erschaffen, und arbeitet auch mit Industriestandard-Gremien zusammen, um mehr Wiederverwendung und Automatisierung für viele Aspekte von SoC und der breiteren Software-Entwicklung zu ermöglichen. Nur durch die Kombination vieler verschiedener Initiativen erhält die Halbleiterindustrie die Chance den Herausforderungen der SoC-Integration in der Zukunft begegnen zu können. So gesehen handelt es sich schon fast – aber nicht ganz – um gemeinsam genutzte Technologien wie bei Open Source. Nennen Sie es ruhig ” Open Target”.

Der Autor:
Peter Aldworth ist Hardware Systems Architect bei ARM Holdingds plc. in Cambridge und schrieb diesen Hintergrundbericht auf Anfrage von IT im Unternehmen. Die Übersetzung der Redaktion versucht, einige der technisch tiefgehenden Teile verständlich zu machen. Bei technischen Fragen senden Sie eine
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