Auswirkungen der HW/SW-Partitionierung auf zukünftige Halbleiter-Produkte in Konsummärkten

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Themenschwerpunkte dieser Arbeit
1.1.1 Halbleiter-Produkte in Konsummärkten
1.1.2 HW/SW-Partitionierung
1.2 Gliederung

2 Konsummärkte und ihre Produkte
2.1 Charakterisierung der Konsummärkte
2.2 Charakterisierung der Produkte in Konsummärkten

3 Heterogene Systeme
3.1 Begriff
3.2 Problemstellung beim Entwurf
3.2.1 Software
3.2.2 Prozessorarten
3.2.2.1 Gegenüberstellung Mehrzweck- ⇔ eingebettete Prozessoren
3.2.2.2 Kategorisierung eingebetteter Prozessoren
3.2.3 Hardware
3.2.4 Gegenüberstellung Hardware ⇔ Software

4 Software in Konsumelektronik
4.1 Einleitung
4.2 Markt- und Prozessor-Trends
4.2.1 Stellung der Prozessoren auf dem Halbleitermarkt
4.2.2 Trends speziell bei eingebetteten Prozessoren
4.3 Eingebettete Prozessoren in existierenden Produkten / Die Bedeutung von ASIPs
4.3.1 Die Bedeutung von ASIPs bei der NORTHERN TELECOM
4.3.2 ASIP-Einsatz in unterschiedlichen Applikationen verschiedener Hersteller
4.3.3 Problemlösungsansätze für den ASIP-basierten Entwurf
4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse

5 Hardware in Konsumelektronik
5.1 Einleitung
5.2 „THE NATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS“
5.2.1 Die Intention der „NATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS“
5.2.2 Annahmen der „NATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS“
5.3 Prognoseproblematik
5.4 „Overall Roadmap Technology Characteristics“
5.5 Charakteristika der bedeutenden Märkte
5.6 Chip und Package: Physikalische und elektronische Attribute
5.7 Attribute und Methoden der Fabrikation
5.8 Design- und Test-Maße
5.9 Zusammenfassung der Ergebnisse
5.10 Ergänzung

6 Abschließende Betrachtung der Marktanalyse

7 Grundlagen der Designstudie
7.1 HW/SW-Codesign
7.2 Das COdesign ToOL COOL

8 Die Beispielapplikation
8.1 Anforderungen an die Applikation / Auswahl einer Applikation
8.2 MPEG-1 Audio, LayerII, Decoder- Charakteristika der Applikation
8.2.1 Einordnung von MPEG-1 in die MPEG-Familie
8.2.2 Einordnung des LayerII in die MPEG-1 Audio Layer-Familie
8.2.3 MPEG-1 Audio, LayerII: Decoder ⇔ Encoder

9 Realisierung der Applikation
9.1 Spezifikation
9.1.1 Zieltechnologien / Design Constraints
9.1.2 Granularität
9.1.3 Datentypen / Zahlendarstellungen
9.1.4 Transformationen
9.1.5 Optimierungen
9.1.6 Simulation / Validierung der Funktionalität
9.2 Abschätzung
9.2.1 Software-Abschätzung
9.2.1.1 Vorbereitende Maßnahmen
9.2.1.2 Ergebnisse der SW-Abschätzung
9.2.2 Hardware-Abschätzung
9.2.2.1 Vorbereitende Maßnahmen
9.2.2.2 Ergebnisse der HW-Abschätzung
9.2.3 Ergebnisse der Abschätzung
9.3 Technology Forecasting
9.4 Partitionierung

10 Abschließende Betrachtung der Designstudie
10.1 Bewertung der Ergebnisse
10.1.1 Spezifikation und Abschätzung/Cosynthese
10.1.2 Partitionierung
10.2 Zusammenfassung und Ausblick

11 Abzuleitende Trends

Anhang A

Anhang B

Anhang C

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Stichwortverzeichnis

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich den Mitarbeitern und Studenten des Lehrstuhls XII, insbesondere meinen Betreuern, für die gute Zusammenarbeit und das jederzeit hervorragende Arbeitsklima danken.

Mein besonderer Dank gilt meinem Betreuer Ralf Niemann, der mich bei der Durchführung dieser Arbeit hervorragend begleitet und unterstützt hat.

Abbildungsverzeichnis

ABB. 3.1, HETEROGENES SYSTEM

ABB. 4.1, RELATIVE MARKTANTEILE BEI EINGEBETTETEN PROZESSOREN 1994

ABB. 4.2, DIE ENTWICKLUNG DER RELATIVEN EINKOMMENSANTEILE VON EINGEBETTETEN 8, 16 U. 32 BIT MCUS

ABB. 4.3, 1996 VERKAUFTE EINGEBETTETE 32 BIT PROZESSOREN

ABB. 4.4, DIE ENTWICKLUNG DES EINSATZES PC-KOMPATIBLER ARCHITEKTUREN IN EINGEBETTETEN SYSTEMEN

ABB.4.5, RELATIVER ANTEIL VON KOMMERZIELLEN UND „IN-HOUSE“-PROZESSOREN BEI DER NORTHERN TELECOM

ABB. 5.1, EXEMPLARISCHE GEGENÜBERSTELLUNG SIA-ROADMAP VERSION 1992[18] / VERSION 1994[17]

ABB. 5.2, TRANSISTORS/ CM²

ABB. 5.3, NUMBER OF PACKAGE PINS/ BALLS

ABB. 5.4, PROZESSOR-PERFORMANCE

ABB. 5.5, CHIP-TO-BOARD SPEED, HIGH PERFORMANCE

ABB. 5.6, CHIP SIZE (MM²)

ABB. 5.7, POWER SUPPLY VOLTAGE (V)

ABB. 5.8, GEGENÜBERSTELLUNG SIA-ROADMAP VERSION 1994[17] / VERSION 1997[23]

ABB. 7.1, ENTWICKLUNGSFLUSS BEIM HW/SW-CODESIGN

ABB. 8.1, GRUNDSTRUKTUR MPEG-1 FRAME

ABB. 8.2, SCHEMA MPEG ENCODER

ABB. 8.3, SCHEMA MPEG DECODER

ABB. 9.1, ABLAUFSCHEMA SPEZIFIKATION

ABB. 9.2, BLOCKSCHEMA DECODER

ABB. 9.3, DARSTELLUNG FESTPUNKTTYP

ABB. 9.4, AUFTEILUNG DER SYSTEMFUNKTIONALITÄT

ABB. 9.5, HW/SW-KOSTEN KÜNFTIGER DESIGNS

ABB. C.1, VERGRÖSSERUNG DER ABBILDUNG 5.1

Tabellenverzeichnis

TAB. 3.1, GEGENÜBERSTELLUNG MEHRZWECK-PROZESSOREN / EINGEBETTETE PROZESSOREN

TAB. 3.2, GEGENÜBERSTELLUNG HARDWARE / SOFTWARE

TAB. 4.1, APPLIKATIONEN UND IHRE REALISIERUNGEN

TAB. 5.1, OVERALL ROADMAP TECHNOLOGY CHARACTERISTICS

TAB. 5.2, MAJOR MARKETS

TAB. 5.3, CHIP AND PACKAGE

TAB. 5.4, HIGH-PERFORMANCE PROCESSORS

TAB. 5.5, FABRICATION

TAB. 5.6, ELECTRICAL DESIGN AND TEST METRICS

TAB. 5.7, TECHNOLOGIEGENERATIONEN

TAB. 9.1, BETRACHTETE PROZESSOREN

TAB. 9.2, HW-KOMPONENTEN

TAB. 9.3, SW-KOSTEN

TAB. 9.4, HW-KOSTEN

TAB. 9.5, AUSFÜHRUNGSZEITEN KÜNFTIGER ENTWICKLUNGEN

TAB. 9.6, HARDWAREKOMPONENTEN DES SYSTEMS

TAB. 9.7, HW/SW-KOSTEN KÜNFTIGER DESIGNS

TAB. A.1, MULTIMEDIA PROCESSORS (SET-TOP BOXES, DIGITAL TV, MPEG, VIDEOPHONE, DOLBY)

TAB. A.2, 3D ACCELERATOR PROCESSORS

TAB. A.3, GAME-ORIENTED PROCESSORS

TAB. A.4, PROCESSORS FOR GSM (EUROPE)

TAB. A.5, PROCESSORS FOR GSM (NORTH AMERICA, ASIA/PACIFIC)

TAB. B.1, MARKET APPLICATION PACKAGING REQUIREMENTS

1 Einleitung

1.1 Themenschwerpunkte dieser Arbeit

Die vorliegende Arbeit untersucht die „Auswirkungen der HW/SW-Partitionierung auf zukünftige Halbleiter-Produkte in Konsummärkten“. Die Arbeit hat demnach die zwei Themenschwerpunkte

- Halbleiter-Produkte in Konsummärkten sowie
- HW/SW-Partitionierung.

Beide Themenschwerpunkte werden zunächst isoliert untersucht. Abschließend werden die Ergebnisse beider Untersuchungen im Gesamtzusammenhang betrachtet. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit besteht aus der Verbindung der aus beiden Untersuchungen abzuleiten- den Trends.

Vor Beginn der eigentlichen Analyse sollen an dieser Stelle beide Themengebiete sowie die jeweiligen Ziele dieser Arbeit vorgestellt werden.

1.1.1 Halbleiter-Produkte in Konsummärkten

Weite Teile der Industrie beschäftigen sich heutzutage mit der Produktion von Konsumprodukten. Im Bereich der Konsumprodukte kommt der Konsumelektronik eine bedeutende Rolle zu. Es wird davon ausgegangen, daß der größte Einfluß auf die weitere Technologieentwicklung in den späten 90ern und wohl auch noch im frühen 21. Jahrhundert vom Bereich der Konsumelektronik ausgehen wird.

Ein Teilziel der vorliegenden Arbeit ist eine Kategorisierung der Technologie, die bei der Realisierung von Konsumelektronik zum Einsatz kommt. Auf der Basis der dabei erzielten Ergebnisse erfolgt eine Trendanalyse bzgl. der Technologie-Entwicklung für die nahe Zu- kunft.

1.1.2 HW/SW-Partitionierung

Die Entwicklung von Konsumelektronik verläuft i.d.R. in mehreren Schritten. In einem ersten Schritt wird das System in allgemeiner Form beschrieben. Desweiteren werden die Komponenten ausgewählt, mit denen das System schließlich realisiert werden soll. Diese Komponenten sind auf der Softwareseite Prozessoren und auf der Hardwareseite Baustein- bibliotheken. Im zweiten Schritt werden die Kosten abgeschätzt, die bei der Realisierung der verschiedenen Systembestandteile mittels der verschiedenen Komponenten entstehen wür- den. Auf der Basis dieser Abschätzung werden die Systembestandteile dann auf die Software- bzw. Hardwarekomponenten verteilt. Das System sollte nach dieser Aufteilung allen a priori definierten Anforderungen genügen. Dieses ist das Kernproblem der soge- nannten HW/SW-Partitionierung. Es existieren verschiedene Ansätze, dieses Problem zu lösen[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7]. Der HW/SW-Partitionierung wird in zunehmendem Maße Bedeutung zugemessen.

In dieser Arbeit wird exemplarisch der Entwurf eines Systems aus dem Bereich der Konsumelektronik bis zum Schritt der Partitionierung durchgeführt. Der gesamte Entwurf erfolgt mit COOL[1]. Mit Hilfe von COOL sollen verschiedene Partitionierungen für die Applikation ermittelt werden. Der Vergleich dieser Partitionierungen untereinander soll die Auswirkungen eines optimierten HW/SW-Partitionierungsprozesses auf künftige Systemre- alisierungen darstellen. Außerdem soll untersucht werden, in welcher Form sich künftige Entwicklungen - wie z.B. eine konkrete Performance-Steigerung der Hardware - auf ein Design auswirken können.

1.2 Gliederung

Die Arbeit ist wie folgt gegliedert:

In Kapitel 2 erfolgt eine Analyse der Konsummärkte und der dort zu findenden Produkte. Abschließend werden die resultierenden Entwurfsziele dargelegt, die allgemein bei der Entwicklung von Konsumelektronik dominieren.

In Kapitel 3 wird Konsumelektronik von der technischen Seite her betrachtet. Der genaueren Erörterung der Systemmerkmale folgt eine Untersuchung des Entwurfs solcher Systeme. Die Problemstellung liegt in der wohlüberlegten Verteilung von Systemfunktionalität auf die Hardware- bzw. Softwareseite.

Kapitel 4 beschäftigt sich dann speziell mit der Kategorisierung und Trendanalyse der Soft- wareseite.

Selbiges gilt für Kapitel 5 und die Hardwareseite. Hier wird versucht, Zeitreihen aufzuzeigen, die die Entwicklung bis hin zum Jahre 2010 beschreiben.

In Kapitel 6 werden abschließend die Ergebnisse der Kapitel 4 und 5 zusammengefaßt. Es wird deutlich, welche Rolle Hard- und Software-Komponenten bei der Realisierung von Konsumelektronik spielen bzw. spielen werden.

In Kapitel 7 werden die Grundlagen für die durchgeführte Designstudie vermittelt. Der Designfluß bei der Entwicklung von Konsumelektronik wird in allgemeiner Form erläutert. Desweiteren wird COOL vorgestellt. Es wird dargelegt, welche besonderen Merkmale die- ses Werkzeug aufweist und warum es sich für die Durchführung der Studie eignet.

In Kapitel 8 wird der Entscheidungsprozeß bzgl. der Bestimmung der Beispielapplikation vorgestellt. Dem folgt eine Beschreibung der schließlich ausgewählten Applikation.

Kapitel 9 beschäftigt sich mit der Realisierung des Systems. Vorgehensweisen und Problemstellungen der einzelnen Stationen des Designflusses werden aufgezeigt.

Die abschließende Betrachtung in Kapitel 10 führt die wichtigsten bei der Designstudie erzielten Erkenntnisse in komprimierter Form auf.

In Kapitel 11 werden die gewonnenen Erkenntnisse dieser Arbeit zusammengetragen und verknüpft. Kapitel 11 enthält die aus den Ergebnissen der Arbeit abzuleitenden Trends.

2 Konsummärkte und ihre Produkte

2.1 Charakterisierung der Konsummärkte

Um die Halbleiter-Produkte in Konsummärkten zu kategorisieren und daraus resultierende Trends zu bestimmen, muß zunächst der Begriff der Konsummärkte näher definiert werden.

Unter Konsummärkten sollen im folgenden Märkte verstanden werden, in denen Produkte angeboten werden, deren Zielgruppe die Konsumenten, also „Normalverdiener“ sind. Die Produkte auf diesen Märkten dienen keinesfalls der Lebenserhaltung, sondern erhöhen die Lebensqualität der Konsumenten.

Gegenstand dieser Untersuchung sollen speziell die Konsummärkte sein, in denen Konsumelektronik angeboten wird. In der Arbeit werden folgende Konsummärkte betrachtet:

⇨ Multimedia:

- Audiobereich ( z.B. MPEG¹, Dolby-Surround, ... )
- Videobereich ( z.B. MPEG, Videophon, ... )

⇨ „set-top“-Boxen für den PC-Bereich ( z.B. 3D-Acceleratoren )

⇨ Spielekonsolen

⇨ schnurlose Kommunikation

⇨ allgemeine Telekommunikation

Mit Sicherheit lassen sich auf den Konsummärkten noch viele andere Produkte finden, doch sollte die Untersuchung der hier aufgezählten Produkte eine repräsentative Analyse ermög- lichen.

Von entscheidender Bedeutung für diese Arbeit sind folgende Charakteristika der Konsum- märkte:

⇨ „time-to-market“ ist ein Optimierungsziel,

⇨ hohes Produktionsvolumen,

⇨ starker Preiskampf.

Der Evolutionspfad eines Erfolgsproduktes auf einem Konsummarkt hängt von der schnellen Einführung auf dem Markt ab. In[8] wird der Einfluß der sogenannten „time-to-market“ folgendermaßen beurteilt: Ein Produkt habe einen Lebenszyklus von 60 Monaten. Wird die Einführung auf dem Markt um 10 Monate verzögert, so beträgt der Lebenszyklus noch 50 Monate. Dementsprechend könnte man davon ausgehen, daß das mit dem Produkt erzielte Einkommen proportional um 16.7% abnimmt. Tatsächlich resultiert aus der Verzögerungszeit aber ein Einkommensverlust von 30%. Die „time-to-market“ muß also minimiert werden, um in einem nächsten Schritt den relativen Marktanteil des Produktes schnell zu erhöhen. Ist die Produkteinführung erfolgreich verlaufen, so hängt der weitere Erfolg des Produktes von einem hohen Produktionsvolumen ab, das Niedrigstpreise erlaubt. In dem Moment, in dem die Produkte sich auf dem Markt nicht mehr entscheidend in ihrer Funktionalität unterscheiden, ist die Maxime der Unternehmen, die Kostenführerschaft zu übernehmen.

Demnach hängt es entscheidend auch von Ingenieuren und Informatikern ab, ob ein Produkt den Sprung vom Nachwuchsprodukt zum Erfolgsprodukt vollzieht, da sie die Entwicklungszeit sowie die Entwicklungskosten stark beeinflussen.

2.2 Charakterisierung der Produkte in Konsummärkten

So verschieden die Konsummärkte sind, denen die unterschiedlichen Konsumprodukte ent- stammen, so verschieden ist auch ihr Erscheinungsbild. Man findet „stand-alone“-Systeme wie Handys oder Spielekonsolen, aber auch Systeme, die, wie die 3D-Accelerator-Karten für PCs, in ein komplexes System integriert werden. Bei den zahlreichen Produkten in den Konsummärkten ist eine klare Entwicklung in Richtung der Integration ganzer Systeme auf einzelnen Chips zu beobachten. Die Gemeinsamkeit der hier betrachteten Produkte liegt darin, daß es sich ausschließlich um „eingebettete Systeme“ handelt. Unter dem Begriff des „eingebetteten Systems“ soll in der vorliegenden Arbeit folgendes verstanden werden:

„Ein eingebettetes System ist ein System, das physikalische Größen liest, verarbeitet und beeinflußt. Es ist in eine bestimmte Umgebung integriert mit der es in Interaktion steht. Ein eingebettetes System ist für eine spezielle Aufgabe konzipiert, die es unter Einhaltung bestimmter Vorgaben ausführt.“

Eingebettete Systeme sind demnach spezialisierte Systeme, die nur für eine bestimmte Anwendung zum Einsatz kommen können. Dabei können eingebettete Systeme

⇨ kontrollflußdominiert oder

⇨ datenflußdominiert

sein. Kontrollflußdominierte Systeme können sich in einer großen Anzahl verschiedener Zustände befinden, die sich aus einer großen Anzahl verschiedener zu erwartender Ereig- nisse ergeben. Da bei diesen Systemen die Ausgabe des Systems in Abhängigkeit von verschieden Zuständen und Eingaben im Vordergrund steht, spricht man auch von „reaktiven Systemen“. Bei den datenflußdominierten Systemen ist das Hauptaugenmerk auf die Verarbeitung großer Datenmengen gesetzt. Die Systeme berechnen auf der großen Anzahl von Daten i.d.R. komplexe Funktionen. Ein typisches Beispiel für ein datenfluß-dominiertes System ist ein MPEG-Decoder.

Die Verwendung eines eingebetteten Systems für eine von der ursprünglichen Aufgabe verschiedenen Aufgabe ist nicht möglich, da bei der Entwicklung solcher Systeme kein Wert auf flexible Verwendungsmöglichkeiten gelegt wird. Ein eingebettetes System wird vielmehr optimal in Hinblick auf die Realisierung der jeweiligen Entwurfsziele, die bereits vor der Entwicklung feststehen, konzipiert.

Typische Entwurfsziele bei der Entwicklung von eingebetteten Systemen sind:

⇨ allgemein: Kosten- und Preisminimierung,

⇨ geringer Energieverbrauch im Betrieb,

⇨ geringe Größe,

⇨ geringes Gewicht,

⇨ Robustheit (bzgl. Hitze, Erschütterungen,...),

⇨ absolut fehlerfreies Verhalten,

⇨ Erreichen der notwendigen Performance.

Abhängig von dem jeweiligen Produkt erfolgt eine Gewichtung der Entwurfsziele. Während z.B. bei der Entwicklung von Handys das Hauptoptimierungsziel ein niedriger Energieverbrauch ist, gehen die Bestrebungen bei der Entwicklung von Grafik-Beschleunigern hauptsächlich in Richtung einer maximalen Performance.

3 Heterogene Systeme

3.1 Begriff

Die Möglichkeiten, Produkte der Konsumelektronik technisch zu realisieren, werden praktisch nur durch die engen Entwicklungszeitvorgaben und die begrenzte Budgetierung der Projekte eingegrenzt. Trotzdem sind die Möglichkeiten, eingebettete Systeme mit einer nicht festgelegten Anzahl verschiedener Komponenten zu realisieren, unendlich groß. So verschieden die existierenden Ansätze zur Realisierung von Produkten der Konsumelek- tronik auch seien mögen, haben sie doch alle gemeinsam, daß beim Design ein „trade-off“ bzgl. des Grades der realisierten Performance und den damit verbundenen Kosten getroffen werden muß. Wie im weiteren noch genauer erläutert wird, schlägt sich die diesbezüglich getroffene Entscheidung im Maß der Verwendung von Software, also dem Einsatz von Prozessoren, und dem von Hardware, also festverdrahteter Logik, nieder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1, heterogenes System

Die notwendige Funktionalität bei Einhaltung eines bestimmten Kostenrahmens kann bei der Konsumelektronik durch den kombinierten Einsatz von Software- und Hardwareteilen erzielt werden, man spricht dann von „heterogenen Systemen“ (siehe Abb. 3.1). Mögliche Bestandteile eines heterogenen Systems sind jeweils ein oder mehrere Prozessoren, ASICs², RAMs³, ROMs⁴, Bussysteme und Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen. Die Berechnungen wer- den von Prozessoren und ASICs vorgenommen, wobei zunächst nicht festgelegt ist, in welchem Maße und an welcher Stelle sie Berechnungen durchführen bzw. welche Aufgaben sie übernehmen.

3.2 Problemstellung beim Entwurf

Wie schon genauer dargestellt wurde, müssen heterogene Systeme für Produkte in Konsummärkten schnellstmöglich und dazu möglichst kostenminimal bei Erfüllung aller produktspezifischen Anforderungen entwickelt werden. Eine zentrale Bedeutung in Hinblick auf die Erfüllung dieser Ziele hat dabei der wohldimensionierte Einsatz von Software- und Hardwarekomponenten. Eine systematische Entwicklung eines heterogenen Systems setzt die genaue Kenntnis des Designers über Vor- und Nachteile der beiden Technologien voraus. Im nächsten Abschnitt sollen die beiden Technologien genauer untersucht werden. Der erste Teil der Untersuchung sei der Softwareseite gewidmet. Immer, wenn von Softwareeinsatz bei der Entwicklung von Systemen die Rede ist, sind hiermit programmier-bare Prozessoren gemeint. Im Verlauf dieser Arbeit wird es nicht mehr praktikabel sein, allgemein von Prozessoren zu sprechen. Aus diesem Grunde folgt nach der Auflistung der Vor- und Nachteile von Prozessoren eine differenzierte Betrachtung verschiedener Pro-zessorarten, bevor zur Hardwareseite übergegangen wird.

3.2.1 Software

Vorteile:

- schnelle Verfügbarkeit:

Prozessoren sind Standardkomponenten. Sie stehen somit sofort zur Verfügung, wodurch eine lange Entwicklungszeit entfällt. Die „time-to-market“ wird durch den Einsatz von Prozessoren heruntergesetzt. Gemäß[9] werden Prozessoren sehr oft genau aus diesem Grund eingesetzt. In diesem Zusammenhang darf allerdings nicht verschwiegen werden, daß die auf dem Halbleitermarkt erhältlichen Standard- Prozessoren in den seltensten Fällen genau die Anforderungen erfüllen, die beim Einsatz im jeweiligen Produkt verlangt werden. Es wird oft der Fall sein, daß Standard-Prozessoren nicht optimal auf die spezielle Anwendung zugeschnitten sind und, entweder Funktionalität zur Verfügung stellen, die von der Applikation nicht genutzt wird, oder z.B. den harten Anforderungen bzgl. der Ausführungszeit nicht gerecht werden. In beiden Fällen bietet sich bei in großen Mengen produzierten Produkten für Unternehmen die Eigenentwicklung eines ASIPs⁵ an.

- Fehlerfreiheit von Standard-Prozessoren:

Hervorgehoben sei hier, daß Standard-Prozessoren in ihrer Funktionsweise als fehlerfrei angesehen werden können. Die Verkürzung der Entwicklungszeit beim Einsatz von Prozessoren resultiert zu einem großen Teil daraus, daß langwierige Testverfahren entfallen. Da auch diese Testverfahren immer nur in begrenztem Maße Fehler aufdecken und immer wieder Fehler erst beim Einsatz von Prozessoren entdeckt werden, ist die Verwendung von Prozessoren, die schon länger auf dem Markt sind, auch sicherheitstechnisch sinnvoll.

- Wiederverwendbarkeit:

Prozessoren bieten den Vorteil einer relativ unproblematischen Wiederverwendbarkeit. Es ist also bei der Entwicklung einer neuen Applikation wesentlich einfacher, ein bereits existierendes Programm zu adaptieren, als ein Redesign von festverdrahteter Logik durchzuführen. Auch an dieser Stelle bietet sich Software demnach im Sinne einer kurzen „time-to-market“ an.

- Design-Fehler leichter handhabbar:

Aus der Sicht der Designer bieten sie den Vorteil, einfacher in Bezug auf die Behe- bung von Design-Fehlern zu sein. Auch relativ späte Änderungen der Spezifikation sind möglich. Auf diese Weise wird die Anzahl der Design-Iterationen deutlich ver- ringert.

- Programmierung relativ einfach:

Ein weiterer Vorteil von Prozessoren liegt darin, daß durch ihre Programmierung große Teile der Systemfunktionalität im Vergleich zu festverdrahteter Logik relativ schnell und billig realisiert werden können. Zum Teil existieren auch leistungsfähige Entwicklungsumgebungen, mit deren Hilfe die Entwicklung des Großteils eines Systems stark vereinfacht wird.

- geringer Verbrauch von Chipfläche:

Letzlich muß erwähnt werden, daß Prozessoren i.d.R. wesentlich weniger Platz auf dem Chip verbrauchen, als vergleichbare verdrahtete Logik.

Nachteile:

- i.d.R. geringe Performance:

Der große Nachteil von Prozessoren liegt einzig und allein in der normalerweise deutlich niedrigeren Performance im Vergleich zur Hardware. Sicherlich gibt es auch solche Systeme, die in Sachen Ausführungszeit genauso gut oder manchmal auch besser in Software realisiert werden. In den meisten Fällen sind es aber gerade die Timing-Anforderungen, die den Einsatz von Prozessoren, trotz aller sonstigen auf der Hand liegenden Vorteile, unmöglich machen.

3.2.2 Prozessorarten

3.2.2.1 Gegenüberstellung Mehrzweck- ⇔ eingebettete Prozessoren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 3.1, Gegenüberstellung Mehrzweck-Prozessoren / eingebettete Prozessoren

Gemäß Tabelle 3.1 sind Mehrzweck-Prozessoren von eingebetteten Prozessoren zu unter- scheiden.

Mehrzweck-Prozessoren:

Mehrzweck-Prozessoren werden i.d.R. in Desktop-Computern, Notebooks, Workstations, Server-Systemen und allgemein in Arbeitsplatzrechnern eingesetzt. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von „general-purpose“-Prozessoren. Diese Prozessoren sind anwen- dungsunabhängig. Sie sind nicht für die Erfüllung einer bestimmten Aufgabe konzipiert, sondern für unterschiedlichste Anwendungen einsetzbar. Die Architektur von „general- purpose“-Prozessoren ist auf Kompatibilität mit anderen Prozessoren zugeschnitten. Für welche Anwendung bzw. Anwendungen der Prozessor letztlich benutzt wird, hängt vom jeweiligen Benutzer und der gewählten Anwendungssoftware ab. Auch der Endverbraucher kann „general-purpose“-Prozessoren relativ einfach programmieren.

Eingebettete Prozessoren:

In der Konsumelektronik kommen eingebettete Prozessoren zum Einsatz. Sie werden in einem bestimmten eingebetteten System eingesetzt, sind also anwendungsabhängig. Mög- liche Einsatzgebiete für eingebettete Prozessoren sind Antiblockiersysteme, Ampelanlagen, Videospiele usw..

Wenn man ein Konsumprodukt mit einem eingebetteten Prozessor erwirbt, ist die Pro- grammierung bereits vom Hersteller vorgenommen worden und kann vom Endverbraucher nicht mehr verändert werden. Was sich zunächst anhört wie eine Einschränkung, ist keines- falls eine solche. Z.B. wird der Käufer eines PKWs nicht daran interessiert sein, sein Antiblockiersystem neu zu programmieren. An diesem Beispiel wird auch gleich deutlich, daß bei eingebetteten Prozessoren sehr oft die Echtzeitverarbeitung eine entscheidende Rolle spielt - ein Antiblockiersystem ohne Echtzeitverarbeitung wird wenig Marktakzeptanz erhalten. Auch kann an diesem Beispiel veranschaulicht werden, daß bei eingebetteten Prozessoren die absolut fehlerfreie Ausführung der zugewiesenen Aufgabe von immenser Bedeutung ist.

3.2.2.2 Kategorisierung eingebetteter Prozessoren

Bei den eingebetteten Prozessoren sind verschiedene Erscheinungsformen zu unterscheiden. Das Hauptunterscheidungsmerkmal ist der Befehlssatz, über welchen die Programmierung der Prozessoren erfolgt. Man unterscheidet Instruction-Set programmierbare Prozessoren von „application-specific instruction-set“-Prozessoren:

⇨ Instruction-Set programmierbare Prozessoren:

Diese Prozessoren sind alle über einen verhältnismäßig allgemeinen Instruktionssatz programmierbar.

Aufgrund ihrer Flexibilität können diese Standard-Prozessoren in verschiedenen Applikationen eingesetzt werden. Man unterscheidet folgende Instruction-Set programmierbare Prozessoren:

- MCUs⁶:

Bei den Mikro-Kontrollern ist der Instruktionssatz allgemein auf die Steuerung von Prozessen abgestimmt. MCUs werden in Systemen eingesetzt, um den Übergang von einem Zustand zum nächsten Zustand zu berechnen. Der neue Zustand des Systems wird dabei aus dem vorhergehenden Zustand und den zu verarbeitetenden Daten ermittelt. MCUs zeichnen sich durch besondere Steuer-Schnittstellen aus.

- DSPs⁷:

Digitale Signalprozessoren sind allgemein auf die schnelle digitale Verarbeitung analoger Signale zugeschnitten. Sie kommen innerhalb analoger Umgebungen zum Einsatz. Charakteristisch für die Analyse und Manipulation analoger Signale ist die enorme Rechenintensivität. Typische Beispiele sind in diesem Zusammenhang spe- zielle Reihenentwicklungen, die beispielsweise bei einer FFT⁸ anfallen. Hier muß häufig das Produkt zweier Faktoren berechnet und daraufhin zum Reihenwert addiert werden. Der Instruktionssatz von DSPs enthält z.B. einen entsprechenden „Multiply- Accumulate“-Befehl über den o.g. Berechnung optimal durchgeführt werden kann. Charakteristisch für DSPs ist, daß sie verschiedene Befehle parallel und somit äußerst schnell ausführen können.

- MPUs⁹ (wobei hier noch CISC¹⁰ - und RISC¹¹ -Architekturen zu unterscheiden sind):

Die eingebetteten Mikroprozessoren kommen in ihrer Funktionsvariabilität den Mehrzweckprozessoren aus Desktop-Computern am nächsten. Obwohl sie letztlich nur für eine bestimmte Aufgabe eingesetzt werden, kann man sie prinzipiell für sehr unterschiedliche Anwendungen einsetzen.

Während der Instruktionssatz von MCUs und DSPs zwar nicht an eine spezielle Applikation, aber an Applikationen aus einem bestimmten Bereich angepaßt wird, ist der Instruktionssatz von MPUs der allgemeinste. Dieses soll am Beispiel der digitalen Signalverarbeitung verdeutlicht werden: Prinzipiell kann diese Aufgabe auch mit den universal einsetzbaren MPUs gelöst werden. Da die MPUs die anfallenden Berechnungen aber nur relativ umständlich und somit zeitaufwendig ausführen können, kann mit ihnen nur eine verhältnismäßig geringe Frequenz bei der Signalverarbeitung erreicht werden. Dafür ermöglicht der Instruktionssatz von MPUs aber den Einsatz dieser Logikbausteine in nahezu allen Bereichen.

⇨ application-specific instruction-set processors, ASIPs:

Diese Prozessoren sind über einen applikationsspezifischen Instruktionssatz programmierbar.

Sie sind für eine spezielle Applikationen konzipiert. Dementsprechend besitzt ein solcher ASIP i.d.R. einen kleinen, wohlüberlegten Instruktionssatz, der gerade für die vorgesehenen Anwendungen angepaßt ist. So gesehen können ASIPs als spezi- alisierte Klasse von MPUs, DSPs und MCUs angesehen werden. Oft werden ASIPs im Rahmen der Kostenminimierung durch gezieltes Zurechtschneiden der eben ge- nannten Bausteine konstruiert.

Während z.B. ein DSP allgemein für die digitale Verarbeitung analoger Signale konzipiert wurde, könnte ein daraus zurechtgeschnittener ASIP konkret auf die MPEG-Codierung spezialisiert sein.

ASIPs sind somit die spezialisiertesten Prozessoren überhaupt. Die Motivation für den Einsatz von ASIPs sowie Probleme des ASIP-basierten Entwurfs sollen an dieser Stelle analysiert werden. Es wird deutlich, welche Rolle ASIPs und Standard-Prozessoren allgemein beim Entwurf von Konsumelektronik spielen.

Allgemeine Gründe für den Einsatz von ASIPs:

Die Entscheidung, spezielle ASIP-Kerne zu integrieren, wird durch verschiedene Eigen- schaften der ASIPs motiviert. Unter Prozessor-„Kernen“ sollen allgemein Makros verstan- den werden, die Bausteine eines Prozessors darstellen. Diese Makros können programmier- bar oder festverdrahtet sein. Mit Hilfe dieser „Cores“ können vollständige Prozessoren relativ schnell entwickelt werden. Entscheidende Gründe für den ASIP-Einsatz sind:

- das günstige Preis-/ Leistungsverhältnis:

Wenn ASIPs in sehr hohen Stückzahlen hergestellt werden, weisen sie ein günstiges Preis-/ Leistungsverhältnis auf. Die hohen Entwicklungskosten können bei einer Massenproduktion schnell gedeckt werden. ASIPs zeichnen sich bei Massenproduktion durch zwei Vorteile aus: Zum einen weisen ASIPs gegenüber Standardprozessoren ein besseres Preis-/ Leistungsverhältnis auf, da sie nur Funktionen zur Verfügung stellen, die auch von der jeweiligen Applikation benötigt werden. Zum anderen stellen sie die preisgünstigere Alternative dar, weil Funktionen, die zumindest prinzipiell von Standard-Prozessoren und ASIPs ausgeführt werden können, bei ASIPs optimiert realisiert werden.

- die hohe Performance:

Kein Standard-Prozessor kann bei einer speziellen Applikation eine derart hohe Performance bieten, wie ein zugeschnittener ASIP. In beiden Prozessorarten kommt die gleiche Technologie zum Einsatz, wobei diese bei den ASIPs für die (zeit-)optimale Ausführung der zugewiesenen Aufgabe eingesetzt wird. Deshalb sind es gerade die ASIPs, die bestimmte Aufgaben in vertretbarer Zeit bewerkstelligen können bzw. als Alternative zum Coprozessor dem System zur Seite gestellt werden.

- der relativ geringe Energiebedarf:

Bereits vor dem Entwurf einer konkreten Applikation steht fest, welche Funktionen diese zur Verfügung stellt. Ebenso ist bekannt, welche Energiequelle zum Einsatz kommt und welche maximale Leistungsaufnahme akzeptabel ist. Mit Hilfe dieser Kenntnisse kann ein ASIP entworfen werden, der die konkreten Aufgaben effizient erfüllt.

Abschließend wird festgehalten:

ASIPs helfen demnach die Produktionskosten zu senken, indem nur wirklich wichtige Funktionen optimiert realisiert werden. Dadurch bieten ASIP-basierte Spezialapplikationen gleichwertige Ergebnisse mit denen von Systemen aus dem anwendungsunabhängigen Bereich zu einem Bruchteil des Preises, oder aber liefern deutlich bessere Ergebnisse zum gleichen Preis. Außerdem ermöglichen sie durch gezieltes Design eine deutliche Senkung der Betriebskosten der Applikation, indem sie den Energieverbrauch gering halten.

Gründe für den fortlaufenden Einsatz von eingebetteten Standard-Prozessoren / Probleme beim ASIP-basierten Entwurf

Die Gründe für einen Entwurf mit Hilfe von Standard-Prozessoren sind:

⇨ schnelle Entwicklung der Applikation,

⇨ keine Eigenentwicklungskosten,

⇨ Kombinierbarkeit mit speziellen Prozessoren.

Die Problemstellung beim ASIP-basierten Systementwurf ist die relativ hohe Entwicklungs- zeit der ASIPs. Einer von drei Gründen für die fortwährende Bedeutung von Standard- Prozessoren bei der Entwicklung von eingebetteten Systemen liegt genau hierin begründet. Bei Produkten in Konsummärkten wird bekanntlich eine möglichst kurze „time to market“ angestrebt. In einem ersten Produktionszyklus wird man deswegen, wenn möglich, mit Hilfe von direkt verfügbaren Standard-Prozessoren schnell ein marktreifes Produkt erzeugen. Parallel zu der zeitkritischen Entwicklung des ersten Produkttyps kann mit der Entwicklung von ASIPs begonnen werden, die zu einem Zeitpunkt nach erfolgreicher Markteinführung zur Verfügung stehen. Der zweite Produkttyp wird dann in sehr großer Stückzahl mit den preisgünstigen ASIPs hergestellt und trägt maßgeblich zum Einkommen bei.

Hier wird schon das zweite langfristige Einsatzgebiet von Standard-Prozessoren angedeutet. Immer dann, wenn eine Applikation nur in geringer Stückzahl produziert wird, wird man, vorausgesetzt die Ausführungszeitanforderungen lassen dies zu, auf Standard-Prozessoren zurückgreifen. Die Entwicklung von ASIPs rentiert sich i.d.R nur bei (sehr) hoher Stückzahl. Letztlich werden ASIPs häufig in Kombination mit Standard-RISCs oder -MCUs anzu- treffen sein. Letztere „entlasten“ die ASIPs mehr oder weniger nur in dem Sinne, als sie allgemeine Aufgaben übernehmen, während die ASIPs den eigentlichen Kern der produkt- spezifischen Funktionalität übernehmen.

In[37] wird davon ausgegangen, daß in absehbarer Zeit ( etwa im Jahre 2001 ) Mischformen aus Standardprozessorkernen und ASIPs an Bedeutung gewinnen werden. Diese >application “general” cores< stellen dann verschiendene optimierte Funktionen aus einem bestimmten Anwendungsbereich zur Verfügung.

ASIPs im Verlagerungsprozeßvon Hardware auf Software

ASIPs stehen nie so schnell zur Verfügung wie Standardprozessoren und werden wohl nur in seltenen Spezialfällen die Geschwindigkeit von fest verdrahteter Logik erreichen. Leistungsfähige ASIPs werden aber immer die ersten Prozessoren sein, die im Rahmen der Performance-Entwicklung im Softwarebereich ehemals fest verdrahtete Logik flexibel und kostengünstig ersetzen. Die ASIPs stellen also eine Zwischenstufe im Verlagerungsprozeß von Hardware auf Software dar. Wenn beispielsweise im Jahre y MPEG-n+1 in Hardware realisiert werden kann, werden die ASIP-basierten Systeme die ersten sein, die MPEG-n in Software realisieren, bevor dann zu einem späteren Zeitpunkt einmal die schnellsten x86- Prozessoren diese Aufgabe übernehmen können.

3.2.3 Hardware

Die Nach- und Vorteile der Hardwareseite sind bereits bei der Analyse der Softwareseite herausgestellt worden. Sie sind mehr oder weniger „komplementär“ zu den bei der Softwareseite beschriebenen Nach- und Vorteilen. Kurz gesagt, bewirkt Hardwareeinsatz hohe Entwicklungszeiten, hohe Entwicklungskosten und eine geringe Flexibiliät bzgl. Wiederverwendung und Fehlerbehebung. Trotz allem ist der Einsatz von Hardware immer dann unumgänglich, wenn Applikationen eine Ausführungszeit von Berechnungen er- fordern, die mit keinem Standard- oder selbst entwickelten Prozessor erzielt werden kann. Die Entwicklung festverdrahteter Logik ist i.d.R. nur durch höchste Ansprüche an die Performance eines Systems gerechtfertigt. Dieses wiederum ist heute bei vielen Echtzeitan- wendungen der Fall.

3.2.4 Gegenüberstellung Hardware ⇔ Software

Tabelle 3.2 faßt die getroffenen Aussagen noch einmal stichpunktartig zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 3.2, Gegenüberstellung Hardware / Software

Um herauszufinden, welchen Stellenwert Software, Hardware und das Zusammenspiel bei- der in Zukunft bei der Entwicklung von Produkten in Konsummärkten haben werden, muß der bereits vorgenommenen allgemeinen Betrachtung nun eine differenzierte Analyse fol- gen. Werden die genannten Vorteile der Prozessoren langfristig die Hardware verdrängen, oder wird an der Hardware durch stetige Steigerung der Performance auch in Zukunft kein Weg vorbeiführen? Ist eine stetige Steigerung der Performance auf der Hardwareseite mit Hilfe der bekannten Technologien überhaupt noch denkbar? Werden sich auf der Softwareseite die kompatibel gehaltenen Architekturen oder die speziell zugeschnittenen durchsetzen? Für diese und weitere entscheidende Fragen in Hinblick auf die weitere Ent- wicklung im Halbleiterbereich werden in den Kapiteln 4 und 5 Antworten gesucht.

4 Software in Konsumelektronik

4.1 Einleitung

Die Analyse der Software in Konsumelektronik beginnt in Kapitel 4.2.1 mit der Untersuchung der Stellung von Prozessoren auf dem Halbleitermarkt im allgemeinen und der von eingebetteten Prozessoren im speziellen. Dieser Untersuchung folgt in Kapitel 4.2.2 eine Betrachtung der Trends bei den eingebetteten Prozessoren. Es wird dargelegt, welche Marktanteile verschiedene eingebettete Prozessoren bezogen auf die Anzahl an verkauften Einheiten und das damit erzielte Einkommen haben. Eine Untersuchung des Einsatzes von eingebetteten Prozessoren bzw. der Realisierung von eingebetteten Systemen in existieren- den Produkten erfolgt in Kapitel 4.3. In diesem Kapitel wird deutlich, welchen Stellenwert die ASIPs heute und in Zukunft in Konsumelektronik einnehmen bzw. einnehmen werden. In Kapitel 4.4 werden noch einmal die Kernaussagen der vorangegangenen Kapitel zu- sammengefaßt.

Die im Kapitel 4 gemachten Aussagen, genannten Zahlen und gezeigten Abbildungen sind, sofern nicht ausdrücklich andere Quellen referenziert werden,[10] entnommen oder stellen Interpretationen der dort gemachten Aussagen dar.

4.2 Markt- und Prozessor-Trends

4.2.1 Stellung der Prozessoren auf dem Halbleitermarkt

Um die derzeitige und zukünftige Rolle eingebetteter Prozessoren im Halbleiterbereich zu charakterisieren, sind zwei allgemeine Trends festzuhalten:

1. Anhaltendes Wachstum des Marktes im Bereich der Prozessoren und der Speicher
2. Konsumelektronik als Zugpferd des Wachstumsprozesses

Lieferten 1994 Prozessoren und Speicher noch 54% des Einkommens auf dem Halbleiter- markt [10 u. 11], so werden diesbezüglich bis 1999 61% Einkommensanteil erwartet. Ging man in den 80ern und frühen 90ern noch davon aus, daß die Bausteine mit anwendungs- bereichsunabhängigen Eigenschaften die antreibenden Kräfte bzgl. der VLSI¹² Technologie und der Design-Methoden wären, so scheint sich die Situation zugunsten der anwendungs- bereichsabhängigen Bausteine zu verändern: So wird z.B. für den globalen DSP-Markt ein jährliches Wachstum in US-Dollar von 40% von 1995 an erwartet, während für den PC- Bereich für das erste Quartal von 1996 ein Wachstum bzgl. der verkauften Einheiten von ca. 13.5% erzielt wurde. Die negative Tendenz des Wachstums im PC-Bereich wird dabei erst deutlich, wenn man berücksichtigt, daß noch 1995 mit 60 Millionen PCs eine Wachstums- rate von 25,6% erzielt wurde. Ebenso für die Übernahme der Führungsposition durch eingebettete Prozessoren spricht die erwartete enorme Wachstumsrate (in Stück) im GSM¹³ - Bereich von 30% innerhallb der nächsten fünf Jahre. Das würde ein Wachstum von 28 Millionen Einheiten (1994) auf ca. 100 Millionen Einheiten (1999) bedeuten. In[12] vertritt Pierre Paulin die Auffassung, daß heute rund 99% der verkauften Prozessoren eingebettete Prozessoren sind. Gemäß[13] wurden 1996 120 Millionen eingebettete 32 Bit Prozessoren verkauft, was einem Wachstum von 15% entspricht. Auch wird in[13] hervorgehoben, daß diese Wachstumsrate unmittelbar mit dem Erfolg der Konsumelektronik in Zusammenhang steht. Als Beispiel für den enormen Erfolg von Konsumelektronik wird angeführt, daß das Unternehmen Nintendo allein im letzten Quartal von 1996 mehr Spielekonsolen verkauft hat, als das Unternehmen Sun Workstations im gesamten Jahr 1996. Die Rolle der Konsumelektronik als treibende Kraft bzgl. der Technologieentwicklung wird auch in[38] unterstrichen.

4.2.2 Trends speziell bei eingebetteten Prozessoren

Da die eingebetteten Prozessoren also ganz entscheidend die Entwicklung im Halbleiterbereich beeinflussen werden, soll dieser Bereich nun genauer ananlysiert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.1, Relative Marktanteile bei eingebetteten Prozessoren 1994 Quelle:[10]

Abbildung 4.1 ist unmittelbar zu entnehmen, daß die sogenannten „low-end“- Prozessoren bezogen auf die Anzahl an verkauften Chips den Markt mit einem relativen Marktanteil von 94% ganz klar dominieren.

( Unter „low-end“-Prozessoren sollen im folgenden 4, 8, 16 Bit MCUs und 16 Bit DSPs verstanden werden. Die Bezeichnung soll die MCUs und DSPs von den MPUs abgrenzen. Diese Unterscheidung dient der besseren Lesbarkeit des kommenden Abschnitts, in dem i.d.R. gemeinsame Aussagen für den MCU- und DSP-Markt gemacht werden. Ferner hebt der Begriff „low-end“ hervor, daß keine MCUs und DSPs betrachtet wurden, deren Daten- busbreite mehr als 16 Bit beträgt. ) Allein die 4, 8 und 16 Bit MCUs hatten 1994 einen relativen Marktanteil von 91%. Die MCUs haben demnach den größten Marktanteil bei den eingebetteten Prozessoren. Dies mag in Hinblick auf die außerordentlich hohe Medien- Präsenz der 32 Bit RISC und CISC Prozessoren, welche in PCs und Workstations eingesetzt werden, zunächst einmal Verwunderung hervorrufen. Der relative Marktanteil der MPUs beträgt gerade einmal 6%, wobei die 32 Bit MPUs nur einen Anteil von 2.4% aufweisen.

Eine differenziertere Betrachtung wird möglich, wenn man zusätzlich zu den in Abbildung 4.1 dargestellten Marktanteilen bzgl. der Verkaufszahlen die Einkommensanteile der ver- schiedenen Prozessoren vergleicht. Tatsächlich erzielen gerade die low-end Chips rund 40% des gesamten Einkommens, das durch den Verkauf der betrachteten Prozessoren erzielt wird. Nicht unmaßgeblich tragen dazu die 8 Bit MCUs bei, mit denen allein ein Viertel des Gesamteinkommens erzielt wird.

60% des Einkommes werden durch 8, 16 und 32 Bit MPUs erwirtschaftet. Die große Diskrepanz zwischen der Anzahl an verkauften Chips und dem damit erzielten Einkommen ist durch den relativ hohen Preis der 32 Bit MPUs zu erklären, welcher im allgemeinen eine Größenordnung über dem der 8 Bit Bausteine liegt.

MCUs

Da die MCUs offensichtlich eine bedeutende Position bei den eingebetteten Prozessoren einnehmen, folgt nun eine differenzierte Betrachtung dieser Prozessoren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.2, Die Entwicklung der relativen Einkommensanteile von eingebetteten 8, 16 u. 32 Bit MCUs

Quelle:[10]

Abbildung 4.2 stellt den Verlauf der relativen Einkommensanteile von eingebetteten 8, 16 und 32 Bit MCUs untereinander im Zeitraum von 1990 bis 1995 dar. 1990 hatten die 8 Bit Prozessoren einen Anteil von 71%, die 16 Bit Prozessoren einen Anteil von 20% und die 32 Bit Prozessoren einen Anteil von 9%. 1995 konnte mit den 8 Bit Prozessoren nur noch ein Einkommensanteil von 67% erwirtschaftet werden, was einer Einkommensanteilsenkung von 4% entspricht. Im gleichen Zeitraum legten die 16 bzw. 32 Bit MCUs um jeweils 2% auf 22% bzw. 11% relativen Einkommensanteil zu.

Offenbar findet der Übergang von den schon gesondert betrachteten 8 Bit MCUs zu den 16 und 32 Bit MCUs ausgesprochen langsam statt. Mittelfristig ist eine Vorherrschaft der 8 und 16 Bit MCUs abzusehen. Dieser Trend wird auch in[14] prognostiziert.

32 Bit Prozessoren

Der Analyse des Marktes der eingebetteten Prozessoren allgemein und der des MCUMarktes folgt eine genauere Betrachtung des 32 Bit Prozessor-Marktes. Gemäß[10] weist dieser Markt folgende Charakteristika auf:

- Die in den Medien häufig erwähnten 32 Bit Prozessoren kommen keinesfalls überwie- gend im Bereich der anwendungsbereichsunabhängigen Systeme zur Anwendung. Vielmehr ist es der Bereich der eingebetteten Prozessoren, der mit 57% der verkauften Prozessoren den überwiegenden Anteil dieser Prozessoren verschlingt. Nur 43% der verkauften Prozessoren wurden 1995 in Notebooks, Desktop PCs, Workstations usw. eingesetzt.

- Im Bereich der eingebetteten 32 Bit Prozessoren ist eine große Vielfalt von Prozessor- architekturen anzutreffen. Während im anwendungsunabhängigen Bereich die allgemein bekannten x86-basierten Architekturen 1995 in annähernd 90% der verkauften Systeme enthalten sind, liefern sie im anwendungsabhängigen Bereich der eingebetteten Pro- zessoren nur ca 30% des Einkommens. Den Rest teilt sich eine Vielzahl anderer konkurrierender Prozessorarchitekturen.[13] liefert eine Übersicht über die verschiede- nen 1996 in eingebetteten Systemen eingesetzten 32 Bit Prozessoren. Abbildung 4.3 stellt die Zusammensetzung dar. Gemäß[13] lassen sich die meisten der 120 Millionen verkauften Prozessoren 12 verschiedenen Architekturklassen zuordnen. Den Großteil der verkauften Prozessoren machen mit insgesamt 53.6 Millionen Einheiten die Motorola Prozessoren der 68k Klasse aus. Ihnen folgen mit 19.2 bzw. 18.3 Millionen verkauften Einheiten die Prozessoren der MIPS- bzw. Hitachis SuperH-Architekturklasse. Deren Erfolg ist laut[13] nicht unmaßgeblich auf den Einsatz dieser Prozessoren in Video- spielkonsolen zurückzuführen. Den vierten Platz halten Intels x86-Architekturen mit 8 Millionen verkauften Einheiten.

Die RISC-Architekturen gewinnen an Bedeutung. Zu ihnen zählen: MIPS, SuperH, i960, ARM, 29K, SPARC und PowerPC. ARM konnte 1996 eine Verdopplung der Absatzzahl aufweisen. Bei MIPS war es eine Verdreifachung und bei PowerPC sogar die Verfünffachung der Verkaufszahlen gegenüber dem Vorjahr.

Wie schwer es ist, verläßliche Aussagen über die Entwicklung auf diesem Sektor zu machen, geht aus der Absatzzahl von AMDs 29K Architektur hervor. 1996 wurden 2.1 Millionen Prozessoren dieser bereits tot gesagten Architekturklasse verkauft, was dem besten bisher erzielten Jahresergebnis entspricht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.3, 1996 verkaufte eingebettete 32 Bit Prozessoren Quelle:[13]

PC-kompatible Prozessoren

Den oben gemachten Ausführungen kann man entnehmen, daß die für den anwendungs- unabhängigen Bereich konzipierten PC-kompatiblen 32 Bit Architekturen auch für den anwendungsabhängigen Bereich von Bedeutung sind. Abschließend soll untersucht werden, in welchem Maße allgemein PC-kompatible Architekturen in eingebetteten Systemen zum Einsatz kommen. Selbige wurden 1995 gemäß[15] in 20% der eingebetteten Systeme eingesetzt. Abbildung 4.4 verdeutlicht die Entwicklung bzgl. des Einsatzes PC-kompatibler Architekturen in eingebetteten Systemen von 1995 bis 1997. In[15] wird davon ausgegangen, daß der Anteil der PC-kompatiblen Architekturen in eingebetteten Systemen im Betrachtungszeitraum um 70% zunimmt. 1997 sollen diese Prozessoren in 34% der eingebetteten Systeme zum Einsatz kommen. Als Gründe für den vermehrten Einsatz PC- kompatibler Architekturen werden u.a. die Verfügbarkeit preisgünstiger und leistungsfähiger Entwicklungsumgebungen, die Ausgereiftheit dieser Prozessoren sowie der harte Preis- kampf auf dem Prozessormarkt, der immer leistungsfähigere Prozessoren immer preiswerter hervorbringt, angeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.4, Die Entwicklung des Einsatzes PC-kompatibler Architekturen in eingebetteten Systemen

Quelle:[15]

Dies sollte zur Marktkategorisierung dieses Teilbereiches innerhalb des gesamten Halbleiterbereiches ausreichen. Abschließend soll hier noch darauf hingewiesen werden, daß es aller Voraussicht nach in Zukunft immer schwieriger werden wird, den Bereich der Prozessoren von dem der ASICs, zu trennen, da diese - wie im weiteren noch dargelegt wird - immer öfter Prozessorkerne enthalten werden.

4.3 Eingebettete Prozessoren in existierenden Produkten / Die Bedeutung von ASIPs

Im vorangegangenen Abschnitt wurde der Markt der eingebetteten Prozessoren allgemein untersucht, ohne daß genau zwischen den beiden kurz vorgestellten Klassen der allgemein programmierbaren Prozessoren und den Prozessoren mit applikationsspezifischem Instruktionssatz unterschieden wurde. Um die Bedeutung von ASIPs zu untersuchen, werden nun eingebettete Prozessoren in existierenden Produkten genauer betrachtet.

4.3.1 Die Bedeutung von ASIPs bei der NORTHERN TELECOM

Um ungefähr den Stellenwert von ASIPs bei den eingebetteten Prozessoren darzustellen, sei hier kurz eine Analyse eines führenden Hauses für Telekommunikationssysteme, der NORTHERN TELECOM, aufgeführt. Abbildung 4.5 zeigt für dieses Unternehmen den relativen Anteil von kommerziellen und den im eigenen Haus entwickelten Prozessoren (ASIPs). Betrachtet wurden hier nur die schon behandelten „low-end“-Prozessoren, wobei die low-end Prozessorenklasse hier um die 24 Bit DSPs erweitert wurde. Abbildung 4.5 kann entnommen werden, daß fast 2/3 der verkauften Prozessoren speziell vom Unterneh-men zugeschnittene ASIPs waren. 32% der verkauften Prozessoren waren DSPs, welche im Hause entwickelt wurden, während nur 23% der Prozessoren Standard-DSPs waren. Noch deutlicher wird die Bedeutung von ASIPs bei den Mikro-Kontrollern: Es wurden mehr als doppelt soviele „in-house“-MCUs als kommerzielle MCU abgesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4.5, Relativer Anteil von kommerziellen und „ in-house “ -Prozessoren bei der NORTHERN TELECOM

Quelle:[10]

Die Übertragbarkeit dieses Ergebnisses aus Abbildung 4.5 auf andere Unternehmen und ganze Konsummärkte kann an dieser Stelle nicht nachgewiesen werden. Dieses liegt auch nicht im Interesse des Autors. Die Kernaussage, die besagt, daß ASIPs eine Vorrangstellung unter den eingebetteten Prozessoren haben, wird nachfolgend aber auch für andere Produkte/ Unternehmen nachgewiesen werden. Im weiteren folgt also eine umfassendere Analyse des Einsatzes von ASIPs in Produkten verschiedener Konsummärkte.

4.3.2 ASIP-Einsatz in unterschiedlichen Applikationen verschiedener

Hersteller

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 4.1, Applikationen und ihre Realisierungen

Bei der Betrachtung verschiedener Applikationen aus den Bereichen MultimediaProzessoren, Video-Acceleratoren, Videospiele, schnurlose Kommunikation und allge-meine Telekommunikation fällt auf, daß die allermeisten um die Verwendung von ASIPs oder festverdrahteter Logik nicht herumkommen.

- Multimedia:

Wie man Tabelle 4.1 entnimmt, ist dieses bei den betrachteten Multimedia-Prozessoren ausnahmslos zu beobachten. Deutlich wird der große Vorteil von ASIPs im Bereich Multimedia/ MPEG-Video. Kein momentan auf dem Markt erhältlicher kommerzieller 32 Bit Prozessor ist in der Lage, eine entsprechende Video-Kompression durchzuführen. Außerdem könnte diese Video-Anwendung kaum Nutzen aus dem bei Standard-Prozessoren anzutreffenden Daten-Cache ziehen, da hier, im Gegensatz zu üblichen Anwendungen dieses Prozessors, kaum Datenlokalität auszumachen ist. Aus diesem Grunde besitzen wohl auch die meisten Anbieter von MPEG-Chips Lizenzen für eingebettete Mikroprozessor-Kerne.

- Video-Acceleratoren, Video-Spiele:

Auch bei den Video-Acceleratoren sind vier von sieben Systemen ASIP-basiert, während die übrigen drei festverdrahtete Logik integrieren. Wieder sind Standard RISC- oder CISCArchitekturen nicht anzutreffen. Bei den Video-Spielen schließlich sind gebräuchliche oder zugeschnittene „high-performance“-RISC Prozessoren zu finden, denen dann aber oft ein oder meherere ASIPs bzw. festverdrahtete Bausteine zur Seite gestellt sind, die letztlich die grafische Performance des „Spielzeugs“ ermöglichen.

Der Vorteil von ASIPs soll durch den Vergleich mit der jüngst vorgestellten multimedialen Erweiterung der x86-Prozessorklasse namens „MMX¹⁴ “ verdeutlicht werden. Diese Erweiterung realisiert einen Teil der 3D-Verfahren in Software. Um an hochwertige Videospiele oder professionelle 3D-Grafik heranzureichen, müßte gemäß[10] schätzungsweise noch eine Geschwindigkeitssteigerung um den Faktor 10 erzielt werden. Selbst wenn diese theoretisch möglich wäre, fällt diese Alternative für die Produkte in Konsummärkten aber außer Betracht, da der Geschwindigkeitsgewinn heute nur über eine in keinem Verhältnis zum Nutzen stehende Kostenerhöhung zu erreichen wäre. Der Vorteil von ASIPs gegenüber Standard-Prozessoren wird allgemein häufig über den besagten Faktor 10 abgeschätzt. So heißt es in[16]: „Die kundenspezifischen digitalen Signalprozessoren von TI bieten bei vergleichbaren Preisen den zehnfachen Durchsatz universeller Mikroprozessoren.“

- Telekommunikation:

Bei der Telekommunikation ist dann wieder festzustellen, daß fast jeder Hersteller zuge- schnittene ASIPs integriert. Speziell bei der schnurlosen Kommunikation kann mitunter eine Energieeinsparung von bis zu 50% durch den Einsatz von ASIPs gegenüber dem Einsatz von Standard-DSPs erzielt werden. Das ist durch den Einsatz langer Befehlsworte und hoher Parallelität zu erreichen, da auf diese Weise die Clock-Frequenz entscheidend gesenkt werden kann.

( Eine detaillierte Auflistung der in diese Betrachtung einbezogenen Applikationen findet der interessierte Leser in Anhang A. )

4.3.3 Problemlösungsansätze für den ASIP-basierten Entwurf

Die Probleme beim ASIP-basierten Entwurf wurden in Kapitel 3 beschrieben. Gemäß[12] werden allein für die Programmierung eines in einem Festplatten-Kontroller eingesetzten DSPs 80 Personen-Jahre benötigt. In vielen Fällen wird im Sinne einer kurzen „time-to- market“ neben der Programmierung des Prozessors sehr wenig bzw. keine Zeit für die Entwicklung des Prozessors selbst zur Verfügung stehen. Aus diesem Grunde ist die Minimierung der Entwicklungszeit von ASIPs weiterhin von großer Bedeutung. Es existieren verschiedene Ansätze, die sich mit der Optimierung des ASIP-basierten Entwurfs beschäftigen. Zwei bedeutende Ansätze seien hier erwähnt:

- Um die Entwicklungszeit und -kosten der ASIP-Produktion weiter zu verringern, geht der Trend in Richtung einer DSP-Kern Integration. Philips hat die sogenannte EPICS-Familie geschaffen, bei der ASIPs basierend auf rekonfigurierbaren DSP-Kernen weniger zeitaufwendig entwickelt werden können.
- Als zweites Beispiel für eine DSP-Kern basierte ASIP-Entwicklung sei noch der Ansatz über den D950 16 Bit DSP-Kern der SGS-Thomson Microelectronics aufgeführt. Hier besitzt der Prozessorkern ein Coprozessor-Interface. Über eben diesen Coprozessor kann der Entwickler dann spezielle Instruktionen implementieren. Da bis zu 16 benutzerdefinierte Instruktionen direkt aus dem Programmspeicher aufgerufen werden können, kombiniert dieser Ansatz die Vorzüge eines Standardprozessorkerns mit denen eines speziell zugeschnittenen ASIPs.

Auch wenn die Entwicklung von ASIPs durch diese und andere vielversprechende Entwicklungen schneller und kostengünstiger wird, sind ASIPs aber nach wie vor als Zwischenstufe von Standard-Prozessoren und ASICs einzuordnen.

Nachtrag:

Sollte im Laufe des letzten Kapitels, das die bedeutende Stellung der ASIPs in der Konsumelektronik hervorgehoben hat, der Eindruck entstanden sein, daß die Produkte in diesem Bereich im Aufbau annähernd gleich seien, so sei an dieser Stelle nochmal klarge- stellt, daß dem keinesfalls so ist. Die Tatsache, daß viele Hersteller von Konsumelektronik ASIPs in irgendeiner Form und zu irgendeinem Zeitpunkt im Produktlebenszyklus verwen- den, sagt sehr wenig über den eigentlichen Aufbau der Systeme aus. Tatsächlich kann man auf diesem Sektor eine enorme Anzahl verschiedener Prozessorarchitekturen antreffen. Diese Prozessoren wiederum werden auf unterschiedlichste Art und Weise mit verschiede-nen Systemkomponenten kombiniert. Viele Produkte mit annähernd identischem Funktions- umfang wurden mit unterschiedlichen Kombinationen von RISCs, ASIPs und/oder festver- drahteten (Co-) Prozessoren realisiert. Ein klarer Trend ist hier kaum zu prognostizieren.

[...]

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¹ Motion Picture Experts Group

² application specific integrated circuit

³ random access memory

⁴ read-only memory

⁵ application specific instruction-set processor

⁶ microcontroller unit

⁷ digital signal processor

⁸ fast fourier transformation

⁹ microprocessor unit

¹⁰ complex instruction set computer

¹¹ reduced instruction set computer

¹² very large scale integration

¹³ global system for mobile communication

¹⁴ multimedia extension