Challenges of Making a High-performance Mobile SoC-An IP Perspective

김진현상무, Samsung

A. Mobile Device Usages and Demand Forecast

1. Smart Life

인터넷 커넥티비티가 확보된 모바일 디바이스의 보급으로 인해, 언제 어디서든, 실시간으로 사실상 무한대의 정보에 접근할 수 있는 길이 열리게 되었다.

2. Processing Performance Trend

	2008	2009	2010	2011	2012
3D Graphics	4M Tri/s	10M Tri/s	20M Tri/s	50M Tri/s	200M Tri/s
CPU	ARM11 677MHz	Cortex-A8 600MHz	Cortex-A8 1GHz	Cortex-A9 Dual 1GHz	Eagle Dual Core
Multimedia	SD 480p	HD 720p	HD1080p	1080p 3D Vision	UHD
Applications	Web Browsing/Social Networking		3D Gaming / 3D UI		Augmented Reality / 3D Display / Imaging

3. Process Technology Trend

• Gate density doubles at each node
• with more integrated functions and features
• with higher performance
• with lower active and static power

4. Gate Density (M/mm^2): 65nm → x2 → 45nm → x2 → 32nm

• Relative Performance (Ring Oscillator): 65nm → 23% up → 45nm → 45% up → 32nm
• Relative Power: 미세화 공정을 한 단계 거칠수록 평균 Active Power/MHz 25% Down, Standby Leakage 50% Down

5. Market Outlook: Smartphone & Tablet (M Units)

	2009	2010	2011	2012	2013	CAGR
Mobile phone	1,290	1,380	1,460	1,545	1,625
Smartphone	173	280	405	540	678
Smartphone Penetration	13%	20%	28%	35%	42%
Tablet	0	17	53	78	108	85%

B. Mobile SoC Market Landscape

1. Mobile SoC

is a Key Enabler of Mobile Experience

2. Key Ingredients in Mobile SoC

• CPU
  • OS와 applications 을 구동하기 위한 General-purpose CPU core(s) 필요
  • Mobile 기기가 점점 범용성이 높은 PC 와 같은 기능을 하면서 CPU Core 의 중요성 증가
• Multimedia IP
  • 고품질의 비주얼 경험에 대한 요구사항 증가
  • 3D, Video Codec, ISP(Image Signal Processing) 등 하드웨어 가속 기반 사용자 경험 제공 필요

  삼성전자는 저전력 요구사항을 만족하기 위해 당분간은 Programmable (DSP) IP를 제공하지 않고, Full Hardware IP를 채용하는 것을 제품 전략으로 하고 있음.

• Memory Subsystem
  • 풍부한 사용자 경험을 제공하기 위해 메모리 대역폭에 대한 수요 증가
  • 시스템 간의 연결을 위한 버스와 메모리 컨트롤러로 구성

• Status of AP Market: PC 시장과 달리, Mobile SoC 시장은 서부 개척 시대와 같은 상황.

• 삼성전자의 Mobile CPU 전략

  삼성의 경쟁사 대비 빠른 미세공정기술 기반으로, 최신의 CPU Core 를 탑재한 Mobile SoC 를 경쟁사 보다 빨리 시장에 제공함으로써, 시장을 선도해 나간다.

• 삼성전자의 Key Multimedia Hardware 가속 IP
  • Video
    • Full HD enc/dec: H.264, MPEG4, VC-1 and more…
    • Feature ‘10: 1080p 60fps real-time processing
    • Feature ‘11~: Stereoscopic, UHD (4x of Full HD), and HDR
  • 3D Grahpics
    • Desktop or console game quality for smartphone
    • Feature ‘10: ~4 shaders, 60M Tri/s
    • Feature ‘11~: 4~32 full-precision shaders, ~400M Tri/s
  • ISP
    • 12Mpix imaging and Full HD motion video support
    • Feature ‘10: 12Mpix @15fps or 3Mpix @60fpx
    • Feature ‘11~: 24MPix @15fps or 6Mpix @60fps

C. IP DEVELOPMENT PROCESS

1. IP Development Challenges

• Schedule
  • 사용자의 요구사항에 대응하기 위해서는 항상 공격적인 IP 개발 일정을 운영해야 함.
  • 새로운 멀티미디어 IP의 개발과 지속적인 성능 향상
  • 메모리 서브시스템 제약사항에 대한 고려
• Power Requirement
  • Power 요구사항을 만족시키기 위한 Hardwired 디자인
  • 다양한 Power Saving Feature 필요
• Verification
  • 대량 생산 제품에서의 Bug 는 회사 경영에 치명적 영향

2. IP Development Phases

VoC → Exploration → Implementation (→ Iteration) → Verification (← Iteration)

3. (Example) Multi-Format Video Codec IP

	Previous Generation	Current Generation	Next Generation
# of supported Standard/Profile	Enc:6, Dec: 12	Enc:7, Dec: 12	Enc: 8, Dec: 16
Performance	720p @30fps	1080p @30fps	1080p @60fps
Design Complexity	3.0M Gates	4.0M Gates	6~7 M Gates

• Exploration: Structural C-Model
  • 실제 하드웨어 디자인을 하기 전에 알고리즘 및 기능적 정확성을 위해 C-Model 로 Feasibility 검증
  • 새로운 Encoding, Decoding 표준 추가 및 성능 개선
  • C-Model 에서 Conformance 및 성능 시험
  • Firmware development platform

• Exploration: Memory Bandwidth Trends in Mobile SoC

• Verification: Goal is to deliver stable bug-free IP
  • “Maximize coverage within time and resource restriction”
  • 개발과정에서의 버그 비용은 크지 않지만, 양산 이후의 버그 비용은 엄청나다, 특히 하드웨어일 경우에는 …
  • 삼성전자의 MFC conformance test streamdms ~20K
  • Error resilience test
  • 검증환경: RTL Simulation, H/W emulation, FPGA

D. CONCLUDING REMARKS

• Mobile 기기의 보급으로 사람들이 언제 어디서나 일하고, 놀 수 있게 되었다.
• 고 품질 사용자 경험에 대한 요구사항 증가로, Mobile 기기는 더 강력해진 반면, 전력 소모는 더 줄어들고 있다.
• 사용자 경험의 Key Enabler 는 Mobile SoC 이고, 성공적인 Mobile SoC 사업을 위해서는 파트너와의 밀접한 협업과, 차별화된 IP 보유가 필수적이다.