方向确定,“星火”这艘巨舰便调转船头,开足马力,向着“异构计算”这片充满未知与风浪的技术深海义无反顾地冲锋。
而“锐眼一号”dsp芯片的设计,成为了横亘在集成电路设计部门(主要由原“争气芯”团队扩编而来)面前的第一道,也是最凶险的关卡。
这不再是一颗追求面面俱到、通用性强的中央处理器(cpu),而是一颗为了特定任务可以燃烧殆尽、将单一性能推向极致的“流星”,它的目标极其纯粹而明确——极致的信号处理效率与吞吐量!
接下来的几个月,设计大楼的灯火便几乎没有熄灭过。
巨大的、铺满整面墙的绘图板上,密密麻麻地画满了如同迷宫般复杂的多层电路图,不同颜色的线条代表着数据线、控制线、时钟线,交织缠绕,令人眼花缭乱。
工程师们围着绘图板,常常为了一个晶体管的位置、一条关键路径的走向、一个缓存结构的设计而争得面红耳赤,空气中弥漫着浓烈的咖啡、烟草、以及打印油墨混合在一起的、独属于攻坚战场的气味。
“这个运算单元(a)的流水线深度必须再增加一级!否则前端数据流入的速度会在这里形成瓶颈,整个阵列的效率都会被打折!”
“不行!流水线加深意味着控制复杂度提升和潜在延迟增加!必须重新设计缓存结构,采用多体并行和预取策略,确保数据能像自来水一样,随时拧开随时有,绝对不能出现运算单元‘饿肚子’等数据的情况!”
“功耗!功耗预算必须死死卡住!这么多运算单元同时全速运转,产生的热量是惊人的,如果不能有效控制,芯片会自己把自己烧穿!必须引入更精细的时钟门控和动态电压频率调节(dvfs)技术!”
“还有和‘星河’主机的接口协议呢?通信延迟必须压到最低,不能成为木桶的短板!考虑采用类似高速串行总线的设计?”
争论、碰撞、激辩、修改、优化……每一个晶体管的布局,每一条连线的走向,每一个时序参数的设定,都经过了反复的、近乎苛刻的推敲和仿真验证。
秦念虽然不直接参与每一行寄存器传输级(rtl)代码的编写,但她凭借超越时代的芯片设计视野和系统知识库中浩如烟海的知识支持,
在关键的体系架构决策、性能瓶颈定位和潜在风险预警上,总能一针见血地指出问题所在和优化方向。
“这个部分,采用这种分布式的多端口寄存器文件结构,可以有效缓解多个运算单元同时访问数据造成的冲突和排队延迟。”
“那个关键的滤波器算法模块,可以考虑直接用硬连线的逻辑电路来实现,虽然设计复杂,但比用微码指令去逐条执行,效率至少要高出一个数量级,功耗也能大幅降低。”
“这里,可以考虑引入异步电路的设计思想,只在有实际运算任务时激活相关模块的时钟,能显着降低芯片的动态功耗。”
她的每一次指点,都如同在迷雾中投下的一道精准光束,往往能让陷入僵局、濒临绝望的设计团队豁然开朗,找到新的突破口,节省了无数宝贵的时间和试错成本。
与此同时,由李文军和吴思远领导的软件团队,也开始了并行的、同样艰苦卓绝的征程。他们需要为这颗尚在母体中孕育的芯片,创造它的“母语”和“生存环境”——包括定义专用的、高度精简的指令集架构(isa);
开发能够将高级语言(如c)或特定算法描述“翻译”成“锐眼一号”能听懂指令的编译器;编写底层的硬件驱动程序和固件(firware);
以及设计最核心的、能够智能地将庞大雷达处理任务分解、映射到“锐眼一号”内部成千上万个运算单元上,并高效调度执行的运行时系统(runti)和任务调度器。
这同样是一场没有太多先例可循的硬仗。
一切几乎都是从零开始。
他们只能借鉴“星河二号”系统软件的一些设计哲学和底层经验,但更多的,是需要颠覆性的创新和艰苦的摸索。
无数个深夜,软件机房里回荡着噼里啪啦的键盘敲击声、程序员们为了一个算法优化方案或一个底层驱动bug争得面红耳赤的声音、以及困极时猛灌浓茶和咖啡的吞咽声。
苏清河也时常抱着他那本厚厚的笔记本来到这里,用他深厚的数学功底,帮助团队优化底层快速算法的实现效率,确保软件层面也能将硬件的潜力压榨到极致。
一百多个呕心沥血的日日夜夜。
当“锐眼一号”的最终版设计图纸——那包含了数百万个晶体管、数十层掩模版的庞大gdsii文件,经过前后端设计团队反复交叉检查、严格的形式验证和sign-off流程确认无误,
准备被刻录进磁带,送往国内目前工艺水平最先进(尽管与国际顶尖仍有差距)的半导体生产线进行首次“流片”(tape-out,即试生产)时,整个设计团队的人几乎都瘦了一圈,眼窝深陷,
但他们的眼神,却亮得如同夜空中最璀璨的星辰,里面充满了疲惫、更充满了创造奇迹后的自豪与期待。
负责芯片物理设计的王工程师,拿着那份沉甸甸的、承载了数百人智慧和心血的最终设计数据,手都在微微颤抖。
他知道,这盘磁带上记录的,不仅仅是冰冷的电路图形,更是“天眼”能否在未来看得更远、更清、更快的希望所在,是国家天空安全的一块关键拼图。
“放心吧,老王。”
秦念看着他,语气平静却带着不容置疑的肯定,“这已经是我们集合当前所有智慧、在现有条件下能做到的,最优、最极致的设计。
我们已经做到了能力的边界。剩下的,就要交给国徽照耀下的、我们自己的工艺线上的同志们了。”
流片的过程,同样充满了未知的悬念和无声的祈祷。每一次精密的光刻,每一次苛刻的离子注入,每一次复杂的刻蚀与薄膜沉积……
生产线上每一位老师傅都知道这份任务沉甸甸的分量,他们拿出了压箱底的技艺和十二万分的小心,精益求精,力求完美。
一个多月后,消息终于从生产线传来。首批流片样品完成封装和初步的老化测试,被小心翼翼地护送返回“星火”研究所。
在戒备森严的芯片测试实验室内,气氛紧张得几乎凝固。那颗看起来其貌不扬、比指甲盖还要小巧的芯片,被测试工程师用特制的真空吸笔,极其谨慎地安装到精心设计的、布满精密探针的测试板上。
当电源接通,示波器的屏幕上稳定地跳出规整的时钟和电源波形,逻辑分析仪开始捕捉到预设的、奔腾不息的数据流时,整个实验室先是死一般的寂静,随即猛地爆发出压抑不住的、狂喜的欢呼!
“报告!所有电源域电压正常!纹波系数优于设计指标!”
“核心时钟与锁相环(pll)锁定稳定!jitter(抖动)在允许范围内!”
“基础指令集测试……全部通过!功能正常!”
“运算单元阵列基准测试……峰值性能达到设计指标的百分之九十八!远超预期!”
“数据吞吐量测试……持续带宽超标百分之五!瓶颈不在芯片!”
“功耗……满载功耗低于预算百分之十!”
成功了!“锐眼一号”dsp芯片,第一次流片,就取得了远超所有人预期的、近乎完美的成功!
虽然这仅仅是万里长征的第一步,后续还有更加严苛的可靠性测试(htol)、长时间稳定性测试、高低温环境适应性测试,以及最关键的、与“星河二号”主系统的联调集成测试,但这无疑是一个震撼性的、里程碑式的胜利!
它雄辩地证明了“异构计算”技术路线的巨大潜力和正确性,证明了“星火”团队完全有能力、有魄力设计出达到世界级水平的专用处理芯片!
一颗完全自主设计、针对国家最尖端战略装备需求的高性能、高能效专用dsp芯片,其意义,在某些层面上,甚至比“争气芯”通用处理器本身更加重大和深远!
这意味着,在核心的信息处理装备领域,我们正在开辟一条属于自己的、不受制于人的新赛道!