芯片研发和芯片设计

软件定义芯片是集成电路设计的一种新方法。其目标是在单个芯片上实现高性能、高能效、高灵活性和高安全性，获得相对于传统芯片设计的绝对综合优势。空计算结构、动态可重构结构、高级综合等相关研究工作。一直是计算机架构、固态电路、电子设计自动化等领域的热点。以动态重构、粗粒度计算、软件定义硬件为特征的新型可重构可编程器件技术的探索已经在国内外展开，并成为世界强国战略的研究方向。

如图1所示，DARPA在2017年将软件定义硬件技术确定为未来10年电子技术发展的支撑技术之一，希望建立“运行时可重构的硬件和软件，实现接近专用电路的性能，同时不牺牲数据密集型算法的可编程性”。其特点是:①可根据输入数据动态优化软件代码和硬件结构；②支持新问题、新算法的硬件复用。因此，DARPA认为软件定义硬件实现的关键是快速的硬件重新配置和动态编译。根据DARPA的项目规划，未来五年软件定义硬件的能效可以达到通用处理器的两个数量级以上，重构速度可以达到300 ~ 1000 ns。该项目首次明确提出了软件定义硬件的研究目标，引导了该领域的发展方向。

图1 DARPA的“电子振兴计划”和欧盟的“地平线2020”计划

软件定义芯片和软件定义硬件没有本质区别，但参考图2可以看出，芯片的敏捷开发是软件定义芯片的附加特征。同时，欧盟的“地平线2020”计划在软件定义硬件方向也有类似的计划，但更侧重于通信等具体应用。

图2软件定义芯片的编程使用模式

软件定义芯片相关的研究更为丰富，表1列出了部分代表性产品。早在2010年左右，欧洲航天局就在Astrium的卫星有效载荷上使用了PACT公司CGRA设备的IP。ADRES是欧洲IMEC在2004年左右提出的一种动态可重构结构，已经在三星的生物医疗和高清电视产品中得到应用。日本瑞萨科技使用其2004年提出的DRP结构。随着粗粒度可编程计算阵列和其他结构的加入，Xilinx的新产品Versal可以代表软件定义SoC的发展。在学术界，斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校和麻省理工学院的研究团队也在该方向开展了长期研究，研究成果在相关领域的顶级会议上不断发表。

表1软件定义芯片相关研究的产业化

我国软件定义芯片的相关研究已经开展了近20年。图3总结了中国各部委的项目支持情况。2002年，国家自然科学基金启动了“半导体集成芯片系统基础研究重大科学计划”，即提前布局可重构计算芯片的基础理论研发。近10年来，国家自然科学基金几乎每年都支持可重构计算相关的项目。科技部通过设立“十一五”863重点项目“嵌入式可重构移动媒体处理核心技术”和“十二五”863重点项目“面向通用计算的可重构处理器关键技术研发”，支持可重构计算芯片技术的研发。近年来，国内研究产业化如火如荼，孵化出清微智能、无锡木创等基于可重构计算技术的创业公司。

图3国产软件定义芯片相关研究支持

软件定义芯片分为两册。

第一卷主要从集成电路和计算架构的发展介绍软件定义芯片的概念演变，系统分析软件定义芯片的技术原理、特性分析和关键问题，从架构设计原语、硬件设计空和敏捷设计方法等方面系统介绍软件定义芯片的硬件架构设计方法。，并从编译系统的角度详细阐述了从高级语言到软件定义芯片配置信息的完整过程。

国际标准书号978-7-03-068779-1

编辑:赵艳春

第二部分通过追溯现代通用处理器和编程模型的共同进化过程，分析软件定义芯片编程模型的研究热点，介绍如何利用软件定义芯片的动态可重构特性提高芯片硬件的安全性和可靠性，分析软件定义芯片面临的挑战，展望未来技术突破的发展方向，涵盖软件定义芯片在人工智能、密码计算、5G通信等领域的最新研究和面向未来的其他新兴应用方向。

国际标准书号978-7-03-068780-7

来源:科学出版社