MIPS：以多執行緒架構環境達成SSD控制器單晶片系統成本最佳化目標

MIPS垂直市場行銷協理Del Rodillas

SSD控制器市場的快速成長為半導體解決方案業者創造出極龐大的商機，但其科技的複雜性及在效能/功能上要求的不斷增加，卻也同時為業者帶來成本/效益上的挑戰。對此MIPS提出了多執行緒架構的CPU環境，以協助業者解決上述設計難題。而未來該公司除繼續鞏固在數位家庭及網路市場既有的領先地位外，也會積極朝向於新興行動通訊市場發展。

受到各式輕薄短小多媒體行動裝置興起、雲端運算與社交app平台廣泛應用，以及人們對於影音資料儲存及消費需求大量增加…等各種來自消費及企業市場因素的影響，SSD市場有了驚人速度的成長。根據Forward Insights的資料顯示，SSD的出貨量在2011年還僅有2,000萬顆，但到了2014年時將變為1億2,000萬顆，兩者之間相差6倍。而我們由IT市場上動作頻頻的合併與收購現象，也都證明有不少企業相當看好SSD此技術未來可創造的競爭優勢。對此MIPS垂直市場行銷協理Del Rodillas表示，SoC供應商應趁此抓住機會，藉由提供各項高附加價值解決方案，以便在此多變化的市場區塊中贏得一席。

SSD設計要在尺寸、耗能及效能上達成平衡

不過要在此趨勢下發展及設計一套最佳的SSD控制器解決方案，並非是一件簡單的事情，設計人員除了要面對持續增加的I/O比率(最新版的SATA Express資料傳輸速度已達8~16Gbps)、更多的待管理資料、更複雜的功能(如位在Ultrabooks上的混合裝置)之外，還有錯誤資料檢查/校正能力、加解密與安全處理程序，以及針對即時/關鍵性作業資料(如視訊/聲音)保持其流量優先權…等多項問題需要解決，而這些都會大大加重業者設計SSD控制器時的困難度。

Del Rodillas說：「應該怎麼樣在合理的系統成本及能源供應有限的條件之下，仍能達到擴展SSD控制器效能表現的目標，將會是目前SSD產品業者首要需要克服的難題。」

Del Rodillas表示：「一直到今天，CPU仍是SSD控制器最重要的運算引擎，但傳統單核心解決方案在當下的SSD控制器環境中已經遇到了瓶頸，在即時處理的效能上難有進一步發展。」他解釋，由於SSD有太多的功能需要以平行方式作業(如NAND layer adaption、Power management、Wear leveling、NCQ、Bad block management、Garbage Collection、Traffic management & routing…等)，單核心的CPU架構設計已經無力應付，雖然有些公司計劃改採用多核心CPU設計來加以因應，不過這卻會帶來設備體積變大及增加電力耗能的狀況。

面對市場環境的激烈競爭，對於設備製造業者─特別是行動通訊設備廠商來說，如何儘其可能地壓低產品成本、縮小體積，並在一定的效能要求表示下，節省設備在系統運行時所需的電力，會是其贏得顧客的重要關鍵。

因此為了協助業者解決上述兩難問題，MIPS提出多執行緒(Multi-threading)的解決方案。「多執行緒可以強化執行單位的資源利用率及執行效能表現。」Del Rodillas認為：「對於效能已經很高的單執行管線(A single execution pipeline)而言，在無需額外增加新的核心條件下，多執行緒還可以幫助其做進一步的提升。」

MIPS的多執行續方案可提供環境協助業者解決上述設計挑戰

這是由於MIPS Embedded Multi-threading具備可利用執行緒序文(Thread Context, TCs)，在虛擬處理器單元(Virtual Processing Element, VPE)內增加硬體執行緒個數，因此廠商不用再設計另一個完整硬體環境來執行其他的VPE，即能透過多執行緒方式，提高其在效能上的表現。

此外，執行緒交互通訊(Inter-thread communication, ITC)也能夠有效因應高效能資訊流的需要，而藉由將執行緒「暫停」，直到有適當外部事件發生後才重新啟動的做法，則可達到零負擔中斷(Zero-overhead interrupt)之目標。「也因為可讓使用者設定的政策管理工具來進行指令的執行緒排程，即時行為(Real-time behavior)也更容易獲得管理。」這些獨特功能對於提升業者產品設備整體服務品質(QoS)都會很有幫助。

舉例來說，在單執行緒平台機制上，除了有MDU、ALU、LD/ST、ICU及記憶體管理單元…等運算單位外，還有TLB(Translation Lookaside Buffer)負責對映虛擬及實體位址，軟體則必須透過存取使用者與PRA暫存器(User and PRA registers)來了解處理器的狀態。但在MIPS的架構中，由於有了虛擬處理器的觀念，因此每一個虛擬處理器都會得到一複製的使用者與PRA暫存器、TLB及程式計數式(program counter)，而且都能共享運算單位的資源。

「對於軟體來說，這等於是有多個完整的處理器存在，因此能夠加快管線(pipeline)的處理效率而無須增加設備空間，並且節省電力。」而如果設備是使用Linux作業系統環境，業者還可以相同的模式，運用多執行緒來發展多核心的程式。

Del Rodillas說，如以業界普遍用來評估智慧手機、小筆電、可攜式遊戲機、導航裝置及IP頂上盒…等設備瀏覽器表現的標準工具─EEMBC BrowsingBench負載量來測試採用MIPS多執行緒裝置上Android作業系統瀏覽器之效能，我們可發現第二個VPE可提高43%的效能，第二顆核心會增加2倍。「至於對雙核心、4個VPE系統的設備，其效能相較於單一核心環境則更是有2.5倍的差距。」如與其他競爭廠商的知名SSD產品相比，在雙核心的環境下，採用MIPS的產品分別比對手在效能上高出44%、在耗能上節省了57%、在尺寸方面則少了43%；「單一核心環境下的表現更優越，其數值分別為高出55%、節省57%及少了49%。」

眾多業者在其設備內採用MIPS多執行緒架構

根據市場觀察，目前內建中高階MIPS核心的出貨產品中，有33%是屬於多執行緒核心。如Ralink的 ADSL Internet Access Device即是用其來確保VoIP多項應用的服務品質。該公司表示：「透過此一架構，Ralink才有信心得以有效確保VoIP的回應速度，並且能夠在單一裝置上提供多項應用的支援。」

而Mobileye提供Volvo S60、BMW…等高級房車駕駛協助的EyeQ2 Vision-Based SoC亦是採用MIPS多執行緒架構。「使用MIPS的多執行緒34K核心後，這一代的產品相較於前一代提升了6倍的性能。」該公司這麼強調。另外像PMC的Sierra PM8013 maxSAS RAID-on-Chip控制器也採用了3個多執行緒MIPS核心。PMC說：「效能要比其他的RAID解決方案更好。」

MPIS是全球領先的業界標準處理器架構及內核(Kernel)供應商，其優化架構由於具有獨特的效率與成本優勢，並可滿足不同世代多樣化應用需求的可擴展性，能夠協助開發商以較低風險按時設計出其產品下一代解決方案，因此目前在嵌入式業界已成為標準。

根據MIPS及產業分析人員的資料顯示，MIPS在數位電視、有線/衛星及IPTV機上盒、藍光播放器、全球寬頻用戶端設備( Broadband CPE)與WiFi存取端點/路由器…等領域的市場佔有率均為第一名，以MIPS-Based為產品數量在全球高達數百萬項之多。

Del Rodillas表示：「MIPS現在的成長策略鎖定在數位家庭、有線/無線網路，以及行動通信…等三大關鍵性市場，不僅要致力於發展多核心、多執行緒及64位元技術，將其應用在高階寬頻用戶端設備及廣域區域網路，並大力投資發展各連接裝置的生態體系，以鞏固其在數位家庭及網路路市場既有的領先地位之外，目前也正與多家Android及4G方面的廠商合作，積極跨足於新興的行動通訊市場中，以終結過去該領域ARM架構獨大狀況。」如HP、Linksys、Cisco、SONY、Motorola、先鋒、微芯、華亞微電子…等公司都是MIPS的重要合作夥伴。