针对手机应用的高性能Omap2420剖析

在最近的CTIA 无线资讯科技暨娱乐展上，众多公司展出的主题惊人一致：语音、数据应用、音乐和视频，而且全都通过无线方式实现。这让我在坐下来撰写这篇关于德州仪器(TI)的Omap2420应用处理器评论时，稍感轻松，因为这个共同的主题恰好总结了TI在该领域对自己的定位。

Omap2420适合基于Linux、Windows和Symbian操作系统(OS)的高端手机应用。它是Omap 2系列产品中的第一款，而Omap2系列最终将会转向“调制解调和应用处理器”的混合领域。或许这款芯片最吸引人的地方就是多处理器内核，它包含了330MHz的ARM 11 RISC、220 MHz的TI C55 DSP、内含ARM7的成像和视频处理器，以及支持166 MHz移动DDR SDRAM的Imagination Technologies公司3-D图形处理器。该芯片还集成了显示和相机控制器、SDRAM和闪存控制器，并附加了60多个外围控制器。Omap 2420能够为高端多媒体应用提供强大支持，这些应用包括30fps通用中间格式(CIF)的视频会议、30fps的VGA编解码、VGA和TV显示，以及300万像素以上的相机。使用该芯片的手机设计已经进行了一段时间，估计马上就会投放市场。

2420与TI前几代Omap应用处理器最大的不同，就是设计工艺由130nm缩减为90nm。另外，2420使用的ARM内核性能也有所提高：之前的Omap芯片最高只能支持220MHz，而2420则将速度提高到了330MHz。2420的高速缓存容量和存储器总带宽都有所增加，此外TI还用ARM11 RISC取代了ARM9。

Omap2420的3-D图形性能提高了40到50倍，视频性能也提高了一个数量级。而且通过并行处理，其多任务处理能力更为强大。

F1: TI的多内核应用处理器采用90nm工艺，时钟频率由220MHz提升到330MHz。

2420是一款多内核设计的芯片，TI早已明确表示，今后将根据应用需求支持尽可能多的内核。这样看来，并行处理或多内核处理已经成为TI未来在手机应用领域的发展方向。

2420独特的版图层容纳了TI的多引擎处理和电源管理功能。在这里，TI转向了一种名为开放内核协议(OCP)的标准化互连方法，OCP属于一个独立的非营利标准组织OCP-IP。

OCP方便了内核复用，而且使内核能够独立于集成子系统。OCP还实现了一组可用于整个芯片的定时规则，以及单独的验证工具组。如果设计过程中有需要，它还允许IP模块在系统内四处移动，这就使系统分析和芯片调试变得更加简单和直接。

Omap2420的电源管理技术允许各处理器针对不同应用分别进行功耗优化。在裸片级，TI将多个电源域组合在一起，每个域都能关断电源至零漏电，从而极大地延长了电池寿命。Omap2420中采用的许多电源管理技术都是TI新型SmartReflex技术中的一部分。

在晶体管和软件级，TI尤其关注如何适应零漏电水平。通过使用预置在裸片上的多个电源开关，该架构能够对不同的域单独断电，从而帮助TI获得需要的间隔尺度(granularity)。此外，芯片中还包含特殊的嵌入式“diode-footed SRAM”开关，用于减小嵌入式存储器的功耗。

于终端用户对功率的需求各有不同，所以TI实现了软件可编程功率模式，可以根据不同应用对电压和频率进行调整。例如，通过定义“关断”模式进入最低功耗状态。

目前，Semiconductor Insights(SI)公司正在对Omap2420进行分析。我们已经确定了TI的双路(two-pass)电源开关控制电路，正在分析该控制电路在自动布线电路中对整个电源管理系统的影响。通过对裸片进行分析，SI还揭示了ARM内核、DSP内核以及图形加速器的具体位置。曾经产生怀疑的存储控制器、TMS320C55x DSP、电源管理模块以及成像视频加速器(IVA)的位置也都得到了确认。

2420中包含5种存储器类型，所有嵌入式存储器加起来大概占据了裸片面积的1/4，而Omap1710内4种不同存储器类型大约占裸片的17％。但是，Omap2420的裸片尺寸大概是Omap1710的1.9倍，看来获得更高的集成度需要在裸片面积上做一些牺牲。

从软件角度来看，TI让代码从两方面管理电源状态：首先，通过监控工作负荷，软件知道何种应用正在使用；其次，软件收集统计信息来确定工作量情况。这就使芯片能够根据实际使用模式进行基于预测的电源管理。

TI正努力使Omap的工艺向65nm转移，在此过程中产生的一些额外工艺问题影响了芯片的漏电。我们都知道，TI拥有多项90nm工艺技术：有些采用高漏电晶体管，有些采用低漏电晶体管；因此可以推断，TI在65nm工艺上会继续延续这一战略。此外，TI也会能在系统级对额外漏电进行补偿，所以我们期待TI为解决65nm漏电问题提出一些独特的电路实现方法。

位于电源管理设计外围的TWL92230是一款辅助的电源管理器件。它采用250nm模拟BiCMOS工艺设计，能够提供一些特殊功能，例如板上电压调节和DC/DC转换，用来补充2420的功能。

事实上，TWL92230专为与2420配套使用而设计，它包含了一些适用于最新Omap的特殊保护机制，例如裸片发热测温计及过热断电保护。其中过热断电保护允许TWL92230关断其DC/DC转换器，然后向2420发送一个中断信号。由于手持式设备的外形在不断缩小，类似的功能就十分重要。

TWL92230的使用还取代了许多外围芯片以及单芯片中的离散元件。

在推出2420的整个过程中TI克服了无数困难。据TI的相关人士透露，在获得最终设计审判前，版图的复杂性是2420最大的挑战。但2040最终从艰难中走出，并使用了标准工具的最新测试版进行验证。

存储器部分

TI支持在Omap2040上进行封装叠加(PoP)式存储器堆叠。PoP是指直接将一个封装置于另一个封装之上，二者的封装材料直接相连。然而这样的存储器堆叠会产生一些问题。由于漏电流会产生热量，因此在Omap2420上放置另一块芯片会增加整个系统的发热量。

这里就轮到SmartReflex技术大显身手。为了保证兼容性和稳定性，TI分别以POP和标准裸片堆叠方式，对各存储器厂商推出的适合SRAM或移动DDR器件与Omap2420的耦合情况进行了仿真。

从TI的角度来说，PoP是一种商业模式。因为PoP促使客户与存储器厂商进行谈判，这样TI就不必局限于支持某一种特定的存储器。

三星最新的NAND闪存器件引发了一个问题：能够堆叠接触的存储器总量是否有限。因为NAND闪存和NOR闪存似乎都很盛行，所以有人可能会疑惑，用户到底会采用哪种存储器配置呢？其实这里不必担心，因为TI支持各种闪存配置和类型，包括高达1GB的NAND或NOR，以及高达1GB的移动DDR。即使NAND在高端手机的大容量存储应用中更受欢迎，TI仍将NOR视为其很好的竞争者。

总而言之，TI一直在非常努力地推动利用Omap2420进行设计的范围，来满足一些比较“疯狂”的应用。例如在运行高质量音频应用的同时运行高质量的3-D游戏，还要用OMAP2420来控制一台标准电视进行全屏游戏。按TI的说法，这样的应用将会变得非常普遍。同时，TI还宣称OMAP2420能够在两台显示器上同时运行图形和视频处理，并且能利用同一套存储器件，在一个高级操作系统上并行运行音频、视频和3-D游戏。

虽然Omap2420来势凶猛，但在这个领域它并非没有竞争对手。Broadcom今年就推出了其BCM2705多媒体处理器，而Nvidia和ATI科技也在继续设计同类产品与TI竞争。此外，高通也仍然关注如何将高端多媒体功能和基带功能相整合。

但是TI凭借Omap 2420，已经将芯片的整体集成度和功能性又向前推进了一步。希望2420能够帮助TI继续保持其在应用处理器领域的领先地位。

Omap2420将首先用于高端手机，并随市场发展向低端手机渗透。带有该处理器的手机即将上市。

作者：Peter DiPaolo

　　　技术经理

　　　Semiconductor Insights公司TECHinsights部

　　　E-mail: peterd@semiconductor.com