Mobile Platform 성균관대 조준동 교수 So C

Mobile Platform • 성균관대 조준동 교수 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 1

발표순서 • Why Platform-based Design? • S/W configurable platform의 필요성 • Mobile Platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 2

플랫폼(Platform) 인터넷 사회에서는 무엇인가 할 만한 틀(frame, 즉 Platform)만 제공해주면 사람들이 몰려들어 그 도구를 이용해 새로운 가치를 제공하는 멋진 것을 만들어 냄. Linux, wikipedia, e. Bay, Amazon, 싸이월드, … In computing, a platform describes some sort of framework, either in hardware or software, which allows software to run – in Wikipedia Platform : '평평한 장소'라는 프랑스어에서 생겨난 단어 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 3

Definition of Platforms? • An architecture that is designed for an application domain So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 4

Motivation • 개인의 다양한 욕구 • 상품의 life-cycle의 감소 • 무선통신 서비스의 중요성 증대 • 단말기의 소형화, 경량화, 저가격화, 고성능화 • 온-칩 통합화 (system on chip)를 통한 개발기간의 단축 및 경쟁력 제고 를 위한 설계 방법론과 검증 방 법의 등장 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 5

Mobile System Complexity Digital Cellular Analog • Voice Cellular • Pager • Voice • 10 kbps data • AMPS, TACS • GSM, TDMA • CDMAOne Digital Cellular • Voice • Email • Photos • Web • ~100 kbps data • GPRS/ EDGE • CDMA 2000 1 X Wide-Band Digital Cellular • Video • M-pixel cam. • 3 D • 300 kbps ~14 Mbps • UMTS, HSDPA • CDMA 1 X EVDO Wide-Band Digital Cellular • Video • High-end gaming • 100 Mbps, 10 msec • Flexible bandwidth • All IP Network • Super 3 G/LTE • OFDM (MIMO) • Wibro/Wi. MAX So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) Wide-Band Network • Ubiquitous data • Flexible Spectrum use • Enhanced apps. • 100 Mbps-1 Gbps • OFDM © 조준동, 2007년 여름 6

Challenges of Mobile So. Cs • Low power and high performance – Omni-directional efforts • Whenever possible, power is off/reduced as long as the performance requirements are met • Short time-to-market – Extensive re-use of design components • Platform-based design is one of solutions So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 7

So. C and Customizable Platform Based-Design DSP Reconfigurable Hardware (Fine Grain) ASIC 1 ASIC 2 Reconfigurable Hardware (Coarse Grain) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 8

Platform-Based Design • Platform – Hides unnecessary details – Targets a range of applications – Composed of basic building blocks including processors and communication fabrics abstract IP Blocks Platform DMA CPU C MEM se ncrea i cluster tivity DSP c CPU rodu P IP-based design RTL Blocks SW Models So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) Processor IPs DSP I MPEG O Platformbased design DMA MPEG MEM BUS Bus and other IPs © 조준동, 2007년 여름 9

Platform 분류 • Application Platform: – 멀티미디어 platform: Nexperia, TI의 OMAP – 3 G 무선 platform: Infineon의 M-gold – Bluetooth platform: Parthus – 무선 platform: ARM의 Prime. Xsys • Process-centric platform – Improv System, ARC, Tensilica, Triscend • Communication-centric platform: – Sonics, Palmchip So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 10

최근 연구동향 • • Intel’s Reconfigurable Radio Architecture. (mesh + nearest neighbor) Reconfigurable Baseband Processing, Picochip Portable Components using Containers for Heterogeneous Platforms, Mercury Computer Systems, Inc. A configurable Platform, Altera, Excalibur, Xilinx Virtex FPGA Adaptive Computing Machine, Quicksilver Tech. Mercury, Sky, Galileo, Tundra (crossbars, bridges) Virginia Tech’s reconfigurable hardware So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 11

66% chips are not OK on first silicon (2004) Mid-90 s – 6 months late = > 31% earnings loss Today 3 month late = $500 M loss So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 12

HIERARCHY OF PLATFORMS So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 13

Full Application Platform • users design full applications on top of hardware and software architectures • Nexperia • Texas Instrument's OMAP multimedia platform • Infineon's M-Gold 3 G wireless platform, • Parthus' Bluetooth platforms • ARM's Prime. Xsys wireless platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 14

processor-centric platform • focus on access to a configurable processor but doesn't model complete applications • Improv Systems • ARC • Tensilica • Triscend So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 15

communication- centric platform • interconnect architecture but doesn't typically provide a processor or a full application • Sonics' Silicon. Backplane • Palm. Chip's Core. Frame architectures. So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 16

fully programmable platform • consisting of FPGA logic and a processor core • Altera's Excalibur, Xilinx' Virtex-II Pro and Quicklogic's Quick. MIPS • Xilinx-IBM XBlue architecture So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 17

So. C Platform Adaptation So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 18

The Platform-Based Design Concept Cadence Pre-Qualified/Verified Foundation-IP* HW-SW Kernel + Reference Design Scaleable bus, test, power, IO, clock, timing architectures MEM Hardware IP SW IP Application Space CPU FPGA Reconfigurable Hardware Region (FPGA, LPGA, …) Programmable *IP can be hardware (digital or analogue) or software. IP can be hard, soft or ‘firm’ (HW), source or object (SW) Processor(s), RTOS(es) and SW architecture Foundry-Specific HW Qualification So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) SW architecture characterisation © 조준동, 2007년 여름 19

Platform Architecture Do I need a dedicated DSP ? Which microcontroller? ARM? HC 11? ARC? Which RTOS do I use? Which scheduling policy do I have to choose ? How fast will my user interface software run? How much can I fit onto my microcontroller? Which Bus? PI? AMBA? Dedicated Bus for DSP? Can I buy a QCELP decoding core? Do I need a dedicated HW or can I run this on the Microcontroller ? So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 20

Example of a commercial So. C More CPUs? More SRAM/Flash? Add FPGA? So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 21

Today’s Wave: Mobile - Digital Convergence • Smart Mobile Phone – A Variety of Functions • Mobile Devices • Center of Ubiquitous Media Network • Driver for Semiconductor Industry Communication Computing Image Processing So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) Entertainment Broadcasting Telematics © 조준동, 2007년 여름 22

Case Study: 노키아 N 95 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 23

Case Study: 노키아 N 95 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 24

미래의 모바일 컴퓨팅 • 실시간 처리 이동 슈퍼 컴퓨팅 – Speech recognition, Cryptography. – Augmented reality. • 16개의 Pentium-4 필요 – 2004 Intel P 4 @3 GHz; 55 M TR’s 122 mm 2 0. 09 u – 2014 20 GHz 0. 03 u • 저전력을 만족하면서 고성능 – requires (massive) parallelism – Multi-processor systems – Subsystem integration Mudge et al: So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 25

모바일 플랫폼 구조 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 26

플랫폼 계층 및 구분 • Level 0: Foundation Platform – Infrastructure & standards : Basic Arch. • Processor core, Peripheral/Interface IP, Bus: e. g. , ARM Prime. Xsys • Level 1: Application specific Integration Platform • Application Specific So. C: HW & SW • Mobile Platform, Home Platform • Level 2: System Platform • Terminal Platform • Handset case: RF + Modem + AP + Memory + MMI So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 27

플랫폼 구조 예 (Scalable Multi-processors) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 28

차세대 휴대 단말플랫폼 - 기존 3 G 셀룰러 및 Wibro에서 Mobile TV 기능을 흡 수지원: DMB 별도 시장과 경합 - PC와의 컨버젼스 경향 - 안테나: MIMO 지원을 위한 안테나 수 증가 + cellular, DMB 안테나 별도 존재 (need Convergence) - 배터리: Killer application일수록 전력 소모 증가 (need low power consumption) - Form factor: 칩 개수 증가 : 칩 셋 통합 (RF, Memory, Baseband Modem, Power Management IC, …. ) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 29

Networks-on-Silicon, Phillips Albert van der Werf, So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) Philips Research © 조준동, 2007년 여름 30

모바일 플랫폼 개념적 구조 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 31

Mobile Platform Interoperability (Qualcomm) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 32

Wi. Pi : (Wireless Internet Platform for interoperability) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 33

재구성 가능한 플랫폼 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 34

SDR Configuration • Digital Down/Up Conversion (DDC) – Channel Center – Decimation/Interpolation rates – Compensation Filters – Matched Filter a = {0. 25, 0. 35, . . . } • FEC – Convolutional – Reed-Solomon – Concatenated Coding – Turbo CC/PC – (De-)Interleave • Beam Forming Soft Radio Digital Signal Processing Engine • Security So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) • Modulation Format – QPSK – DQPSK – p/4 DQPSK – {16, 64, 256, 1024} QAM – OFDM CDMA • Channel Access – CDMA – TDMA • DSSS – Rake, track, acquire – Multi User Detect. (MUD) – ICU • Network Interface Definition © 조준동, 2007년 여름 35

다중 Radio 통합 • 다양한 응용 서비스에 따라 다중 모드/다중 밴드 Radio 기술의 • 통합이 요구됨 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 36

개방형 인터페이스 : MIPI 노키아, TI, STMicro, ARM 등이 주도하는 MIPI (Mobile Industry Processor Interface) 표준이 더 빠르고 다양한 범위의 인터페이스 표준 채용을 촉진 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 37

Mobile Platform Voice Modem Data Modem CPU Security (ARM) GPS CPU Bus Interface IPs OS Modem core DSP (ARM) RF I/F Modem core RF I/F Interface IPs (Teak, Teak. Lite, Star. Core) Bus Protocol stack, device driver, library, API OS • GSM/GPRS/EDGE/WCDMA/HSDPA/HSUPA • SDMB/TDMB/DVB-H • CDMA/CDMA 2000 1 x/EV-DO/EV-DV Protocol stack, device driver, library, API • WIBRO So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 38

FPGA Platform for Voice Modem 제어 보드 (CPU, Peripheral) Modem 보드 (Rx/Tx) SCom 5700 ES FPGA Board So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 39

FPGA Platform for Data Modem So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 40

공통된 통합 Modem Platform Phase #3 – Unified Platform Phase #1 – Multi Device DSP WCDMA Modem SOC MCU DSP WCDMA Modem HW Core Macro#1 Macro#4 Macro#n Macro#m RP Macro#2 Macro#3 Macro#m RP RP Macro#z CDMA 2000 Modem SOC Phase #2 – Device Integration WCDMA/CDMA 2000 Modem SOC MCU DSP WCDMA Modem HW Core MCU DSP Macro#1 CDMA 2000 Modem HW Core Macro#4 Macro#5 Macro#6 Macro#7 Macro#k Macro#m Macro#4 Macro#5 Macro#k Macro#2 Macro#3 CDMA 2000 Modem HW Core Macro#6 Macro#n So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) Macro#7 Macro#m © 조준동, 2007년 여름 41

Software-Defined Radio (SDR) Platform § § § § § RTOS/Protocol stack 수행 Middleware JAVA acceleration L 1 / L 2 Cache, MMU ARM 11 440 MHz 220 m. W L 0 control PHY algorithm serial portion Symbol rate processing Vocoder/Stereo dec. 11 GIPS 550 m. W Peripheral BUS CPU § High-Throughput § Low Latency: Real Time 처리 DSP Peripheral BUS-A Peripheral BUS-B Bridge System BUS (Display, Camera, etc. ) Backbone BUS – Multi-Layer RP § § Application specific Efficient processor engine Filter/Correlator/ACS/FFT … RP RP § § RP Memory Controller DDR / DDR-2 System Memory IF (FLASH / ROM / SRAM) High Data Transfer Rate Efficient Scheduling Low Latency AXI/AHB Bus ~2. 5 GB/sec 51 GOPS 350 m. W So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) ACS: Add-Compare-Select Unit AHB: Advanced High speed Bus AXI: Advanced e. Xtensible Interface © 조준동, 2007년 여름 42

SDR Platform Products Target System M/M Wi. Bro GSM/GPRS SDR Modem CPU IPs RPs DSPs So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 43

Virtual Platform – A function-accurate and cycle-approximate hardware model in System. C or C++ whose abstraction level is much higher than register transfer level (RTL) – 500 x ~ 1000 x faster simulation speed than RTL • 정량적 data를 활용한 system analysis 가능 – Code size is usually 1/5~1/3 of its corresponding RTL model • Less mistake/error, higher productivity – uses a C-level simulator • Rich debugging feautures including stop/break are provided Easy to debug Fast (system) architecture exploration and optimization is possible So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 44

Verification Platform with ARM and DSPbased Multi-processor Architecture of DVB-T Baseband Receiver So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 45

2 Teak DSP Platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 46

Configuration of crossbar switch So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 47

A crossbar switch cell So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 48

CI-controller State Diagram So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 49

CI-controller State Diagram (Continued) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) ©

CI controller simulation waveform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) ©

of DVB-T Baseband Receiver So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) ©

Hardware-software co-design flows So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동,

A shared memory structure and hardware-software partitioning So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 54

Functions of DVB-T Baseband Receiver mapped at Multi-processor platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 55

Teak. DSP Platform hardware/software co-verification using Mentor Graphics Seamless CVETM So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 56

Scheduling for dual processor implementation So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀)

Frequency offset compensator hardware So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) ©

Fine and Coarse Frequency Synchronizer (Beek & Classen) So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정

FFT block diagram So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동,

Equalizer hardware block diagrams So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) ©

a) “Power on” or “Channel change”: Initial symbol synchronization and frequency synchronization; b) “After completing system synchronization”: Equalization So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 62

Performance evaluation of each functional block of DVB-T baseband receiver Functional Frequency Compensa Block / tor & Processing Guard Typ removal es FFT Classen Software - 2. 3 ms HW/SW Codesign 172 us 230 us Equalize r Beek 1. 5 ms 28. 5 us So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) 280 m s 15 ms 175. 1 us 210 us © 조준동, 2007년 여름 63

Extended multi-processor platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동,

DVB-T baseband Receiver Scheduling I using Multi-processor Platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 65

DVB-T baseband Receiver Scheduling II using Multi-processor Platform So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 66

Performance evaluation Processing Types / Functional Block SW & HW (Teaks + ARM + HW IP) HW(IP) only Frequency compensator & Remove Guard - 182. 5 us 13. 8 us 10. 5 us Fine Freq. sync. (Beek) - 56. 3 us 1. 5 us 7. 8 us Symbol Timing Recovery 144 us - - 5. 2 us FFT - 188. 9 us 38. 6 us 13. 6 us Coarse Freq. Sync. (Classen) - 241 us 3. 3 us 11 us Scattered Pilot Detection 46. 5 us - - 3. 3 us Equalizer - 219. 5 us 11. 2 us 9. 5 us De-mapping 19. 9 us - - 4. 9 us So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 MAL 67

Task Chart of Multi-processor platform for DVB-T baseband receiver So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 68

Task Chart of Multi-processor platform for DVB-T baseband receiver So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 69

맺음말 • (Mobile) So. C의 complexity 및 cost의 증가로 platform을 이용한 설계 프로세스 중요 • Mobile platform의 challenge로 low power, RF I/F를 포함한 검증, variety of standards, platform optimization 제시 • 여러 platform 및 methodology의 장단점을 취한 platform 개발이 바람직 • HW/SW/algorithm을 이해하고 설계할 수 있는 인 재(system architect) 육성 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 70

퀴즈 사용자 중심의 모바일 플랫폼 구조를 개발하기 위한 플랫폼 설계 경향이 아닌 것은? 1. 2. 3. 4. 플랫폼 계층 및 구분 Mobile Platform Interoperability 재구성 가능한 플랫폼 Software defined radio 플랫폼 So. C 설계분야 고부가가치 산업인력 특별양성과정 (디지털 하드웨어 설계팀) © 조준동, 2007년 여름 71