MIPS：以多执行绪架构环境达成SSD控制器单芯片系统成本最佳化目标

MIPS垂直市场行销协理Del Rodillas

SSD控制器市场的快速成长为半导体解决方案业者创造出极庞大的商机，但其科技的复杂性及在效能/功能上要求的不断增加，却也同时为业者带来成本/效益上的挑战。对此MIPS提出了多执行绪架构的CPU环境，以协助业者解决上述设计难题。而未来该公司除继续巩固在数码家庭及网络市场既有的领先地位外，也会积极朝向于新兴移动通讯市场发展。

受到各式轻薄短小多媒体移动设备兴起、云端运算与社交app平台广泛应用，以及人们对于影音数据存储及消费需求大量增加…等各种来自消费及企业市场因素的影响，SSD市场有了惊人速度的成长。根据Forward Insights的数据显示，SSD的出货量在2011年还仅有2,000万颗，但到了2014年时将变为1亿2,000万颗，两者之间相差6倍。而我们由IT市场上动作频频的合并与收购现象，也都证明有不少企业相当看好SSD此技术未来可创造的竞争优势。对此MIPS垂直市场行销协理Del Rodillas表示，SoC供应商应趁此抓住机会，藉由提供各项高附加价值解决方案，以便在此多变化的市场区块中赢得一席。

SSD设计要在尺寸、耗能及效能上达成平衡

不过要在此趋势下发展及设计一套最佳的SSD控制器解决方案，并非是一件简单的事情，设计人员除了要面对持续增加的I/O比率(最新版的SATA Express数据传输速度已达8~16Gbps)、更多的待管理数据、更复杂的功能(如位在Ultrabooks上的混合装置)之外，还有错误数据检查/校正能力、加解密与安全处理程序，以及针对实时/关键性作业数据(如视讯/声音)保持其流量优先权…等多项问题需要解决，而这些都会大大加重业者设计SSD控制器时的困难度。

Del Rodillas说：「应该怎麽样在合理的系统成本及能源供应有限的条件之下，仍能达到扩展SSD控制器效能表现的目标，将会是目前SSD产品业者首要需要克服的难题。」

Del Rodillas表示：「一直到今天，CPU仍是SSD控制器最重要的运算引擎，但传统单核心解决方案在当下的SSD控制器环境中已经遇到了瓶颈，在实时处理的效能上难有进一步发展。」他解释，由于SSD有太多的功能需要以平行方式作业(如NAND layer adaption、Power management、Wear leveling、NCQ、Bad block management、Garbage Collection、Traffic management & routing…等)，单核心的CPU架构设计已经无力应付，虽然有些公司计划改采用多核心CPU设计来加以因应，不过这却会带来设备体积变大及增加电力耗能的状况。

面对市场环境的激烈竞争，对于设备制造业者─特别是移动通讯设备厂商来说，如何尽其可能地压低产品成本、缩小体积，并在一定的效能要求表示下，节省设备在系统运行时所需的电力，会是其赢得顾客的重要关键。

因此为了协助业者解决上述两难问题，MIPS提出多执行绪(Multi-threading)的解决方案。「多执行绪可以强化执行单位的资源利用率及执行效能表现。」Del Rodillas认为：「对于效能已经很高的单执行管线(A single execution pipeline)而言，在无需额外增加新的核心条件下，多执行绪还可以帮助其做进一步的提升。」

MIPS的多执行续方案可提供环境协助业者解决上述设计挑战

这是由于MIPS Embedded Multi-threading具备可利用执行绪序文(Thread Context, TCs)，在虚拟处理器单元(Virtual Processing Element, VPE)内增加硬件执行绪个数，因此厂商不用再设计另一个完整硬件环境来执行其他的VPE，即能透过多执行绪方式，提高其在效能上的表现。

此外，执行绪交互通讯(Inter-thread communication, ITC)也能够有效因应高效能信息流的需要，而藉由将执行绪「暂停」，直到有适当外部事件发生后才重新启动的做法，则可达到零负担中断(Zero-overhead interrupt)之目标。「也因为可让使用者设定的政策管理工具来进行指令的执行绪排程，实时行为(Real-time behavior)也更容易获得管理。」这些独特功能对于提升业者产品设备整体服务品质(QoS)都会很有帮助。

举例来说，在单执行绪平台机制上，除了有MDU、ALU、LD/ST、ICU及存储器管理单元…等运算单位外，还有TLB(Translation Lookaside Buffer)负责对映虚拟及实体位址，软件则必须透过存取使用者与PRA暂存器(User and PRA registers)来了解处理器的状态。但在MIPS的架构中，由于有了虚拟处理器的观念，因此每一个虚拟处理器都会得到一复制的使用者与PRA暂存器、TLB及程序计数式(program counter)，而且都能共享运算单位的资源。

「对于软件来说，这等于是有多个完整的处理器存在，因此能够加快管线(pipeline)的处理效率而无须增加设备空间，并且节省电力。」而如果设备是使用Linux操作系统环境，业者还可以相同的模式，运用多执行绪来发展多核心的程序。

Del Rodillas说，如以业界普遍用来评估智能手机、小笔记本电脑、可携式游戏机、导航装置及IP顶上盒…等设备浏览器表现的标准工具─EEMBC BrowsingBench负载量来测试采用MIPS多执行绪装置上Android操作系统浏览器之效能，我们可发现第二个VPE可提高43%的效能，第二颗核心会增加2倍。「至于对双核心、4个VPE系统的设备，其效能相较于单一核心环境则更是有2.5倍的差距。」如与其他竞争厂商的知名SSD产品相比，在双核心的环境下，采用MIPS的产品分别比对手在效能上高出44%、在耗能上节省了57%、在尺寸方面则少了43%；「单一核心环境下的表现更优越，其数值分别为高出55%、节省57%及少了49%。」

众多业者在其设备内采用MIPS多执行绪架构

根据市场观察，目前内建中高端MIPS核心的出货产品中，有33%是属于多执行绪核心。如Ralink的 ADSL Internet Access Device即是用其来确保VoIP多项应用的服务品质。该公司表示：「透过此一架构，Ralink才有信心得以有效确保VoIP的回应速度，并且能够在单一装置上提供多项应用的支持。」

而Mobileye提供Volvo S60、BMW…等高级房车驾驶协助的EyeQ2 Vision-Based SoC亦是采用MIPS多执行绪架构。「使用MIPS的多执行绪34K核心后，这一代的产品相较于前一代提升了6倍的性能。」该公司这麽强调。另外像PMC的Sierra PM8013 maxSAS RAID-on-Chip控制器也采用了3个多执行绪MIPS核心。PMC说：「效能要比其他的RAID解决方案更好。」

MPIS是全球领先的业界标准处理器架构及内核(Kernel)供应商，其优化架构由于具有独特的效率与成本优势，并可满足不同时代多样化应用需求的可扩展性，能够协助开发商以较低风险按时设计出其产品下一代解决方案，因此目前在嵌入式业界已成为标准。

根据MIPS及产业分析人员的数据显示，MIPS在数码电视、有线/卫星及IPTV机顶盒、蓝光播放器、全球宽频用户端设备( Broadband CPE)与WiFi存取端点/路由器…等领域的市场占有率均为第一名，以MIPS-Based为产品数量在全球高达数百万项之多。

Del Rodillas表示：「MIPS现在的成长策略锁定在数码家庭、有线/无线网络，以及移动通信…等三大关键性市场，不仅要致力于发展多核心、多执行绪及64位元技术，将其应用在高端宽频用户端设备及广域区域网络，并大力投资发展各连接装置的生态体系，以巩固其在数码家庭及网络路市场既有的领先地位之外，目前也正与多家Android及4G方面的厂商合作，积极跨足于新兴的移动通讯市场中，以终结过去该领域ARM架构独大状况。」如HP、Linksys、Cisco、SONY、Motorola、先锋、微芯、华亚微电子…等公司都是MIPS的重要合作夥伴。