Rambus：为新时代芯片设计保驾护航-电子工程世界

近年来，芯片产业的发展如火如荼，无论是AI芯片、高性能计算芯片或者是IoT芯片，都如雨后春笋般在全球爆发。但与此同时，无处不在的芯片又给相关工程师和供应商带来了两大挑战：

一方面，芯片的安全漏洞问题频生，如早两年在X86平台出现的“蠕虫”和“熔断”就在全球引起了轩然大波，这就需要行业参与者携手打造可靠的解决方案；另一方面，包括AI芯片和高性能计算芯片在内的产品对芯片的I/O速度以及内存带宽提出了更高的需求。而以上这一切，正是成立于上世纪90年代的Rambus公司所致力于解决的问题。

据该公司大中华区总经理苏雷在日前举办的“Rambus设计峰会”上介绍，Rambus公司的业务包括专利许可、IP和内存接口芯片等产品。借助这些产品，他们能够更好地服务本地化的市场。其中的安全和接口IP，更是他们的重中之重。

为芯片提供安全的保护

在峰会上，Rambus中国产品资深现场工程师张岩首先指出，在当前的芯片产业链体系中，一款芯片面临着几方面的安全挑战，主要体现在芯片/设备安全保护、供应链安全保护和芯片的生命周期保护三个方面。为此我们从芯片设计、制造再到应用过程中，需要重视Security by design和Zero trust environment。

所谓Security by design，是指我们在设计芯片的时候要把安全作为设计的目标，这是确保我们的设备和芯片在其生命周期可信的一个方式。至于“Zero trust environment”，则主要与现在的芯片厂商基本是Fabless有关。因为这就意味着芯片生产和使用环节都不是互相信任的，为了保证制造和生命周期的安全，Zero trust environment就产生了很重要的作用。

以CPU为例，张岩指出，为了保护设备的安全，CUP的设计需要针对应用场景中可能的供给进行安全设计才可以被信任。但随着CPU的复杂性不断增加，CPU的交互操作以及随之而来的安全问题也随之指数性增长。这就要求CPU厂商解指数级的安全隐患，这当中带来的挑战也是显而易见的。

“因此我们认为，安全敏感的功能代表不应该在主CPU上完成，而应该在一个专门为安全设计的、隔离的处理环境中运行，这就需要硬件可信根（Root of Trust）”，张岩补充说。他进一步指出，信任根提供了SoC以及上层应用架构安全仿佛所需的安全基石，也可以为SoC应用提供强壮的安全以及密码算法服务。

除了硬件本身的安全意外，供应链安全也是半导体行业关注的另一个方面。如前文所说，我们的很多供应链都是第三方的，那就意味着产品如果不做任何动作，在第三方环境都有可能面对潜在的攻击，为此我们需要保证在这个环节的安全。

“现在的供应链攻击很多，芯片造假，或者直接利用我们的版图生产，在某些特殊场景下，对芯片的生产流程有一定的要求，而确保供应链的安全就很重要了”，张岩强调。据他介绍，通过自动化的手段，注入设备唯一的身份信息、密钥，这成为了供应链安全的基石。设备可以在被生产后被安全认证，并保证在不信任的第三方生产环境中也不受到干预。

此外，芯片的生命周期安全，也是我们需要考虑的。

张岩表示，在已经集成信任根的产品中，你可以通过预置密钥建立授权，但是如何在设备现场保证安全？就又成为了一个值得关注的问题。这时候密钥管理服务就发挥作用了，它允许芯片以及设备厂商进行一些列对现场设备的服务：远程认证，远程证明，远程升级，功能管理，设备退役，返修等等。

而作为一个在安全方面有多年深耕的企业，Rambus也提供了多款的信任根产品。

从张岩的介绍我们得知，Rambus还有一系列可以保护流动数据安全的MACsec产品。所谓流动数据，是指从两个设备之间或者服务器之间传递的数据。因为这些数据的传输介质位于公共区域，为此他们很容易就在多个位置遭受攻击，当中包括物理介质、中间人攻击、（D）DOS攻击、窃听和伪造数据，而为了保护这些流动数据，则需要使用安全通信协议，其中尤其是MACsee备受关注。

张岩告诉记者，MACsec 是一个二层网路的安全标准，已经广泛部署于PHY, 交换机，防火墙，网关，网卡以及5G设备中，拥有可扩展密码算法、低延迟、直连数据通路的设计（inline datapath) 和软件开销可忽略的优势，但在是线上还需要面对在任何场景都可以获得线速以及优先级/封包抢占的优势。而Rambus的MACsec产品则能解决相关问题。

他指出，Rambus的产品覆盖了整个现代以太网产品的特性需求，包括自定义的封包分类（classification), 满足在所有条件下可以达到线速的需求。同时他也强调，Rambus是唯一提供控制面（control plane)软件的厂商。

让更强的AI芯片成为可能

除了安全产品以外，高速接口IP也是Rambus为解决当前芯片产业界面临的主要挑战而提出的又一个解决方案。

Rambus 大中华区总经理苏雷在峰会的演讲上强调，带宽是开启人工智能更高性能的关键。但他也同时指出，随着终端对AI算力需求的提升，内存带宽正在成为AI芯片的瓶颈。

他以针对AI设计的Google TPU v1芯片和传统的NVIDIA K80和Intel Haswell作对比，展现内存带宽对AI应用的影响，根据他的统计可见，在传统的通用硬件（Haswell，K80）上，推理性能良好，应用程序也依旧可以从计算和内存优化中获益。

“对用于AI处理的新型芯片（Google TPU v1）的推断在很大程度上受内存带宽的限制”，苏雷强调。他进一步指出，现在的计算和网络进步更快，但内存、网络延迟和带宽则大幅度落后于处理器性能。另一方面，人工智能的训练，对内存和链路带宽提出了更高的需求，多种因素综合影响下，就让内存和网络成为了AI系统性能瓶颈。

为了解决AI芯片面临的带宽问题，市场上提供了多种内存解决方案，Rambus也在其中能够提供强力的支持，而他们提供的选择则包括了GDDR6、HBM2E和PCIe 5这三种领先的解决方案。

首先看GDDR 6方面，据Rambus资深应用工程师曹汪洋介绍，他们公司提供的GDDR 6存储子系统能获得硅验证的18Gbps的速度，同时还有经过认证的PHY和存储控制器等优点。在实际应用中则能获得高达576Gbps的带宽，为AI芯片提供有力的支持。

而从之前的介绍我们可以看到，GDDR6 DRAM采用与生产标准DDR式DRAM的大批量制造和组装一样的技术。更具体地说，那就是GDDR6采用传统的方法，通过标准PCB将封装和测试的DRAMs与SoC连接在一起。利用现有的基础架构和流程为系统设计者提供了熟悉度，从而降低了成本和实现的复杂性。

而在实际的接口应用中，Rambus GDDR6（图像处理双倍数据速率）内存 PHY 支持高速、高带宽 GDDR6 SGRAM（同步图像处理随机存取）内存之间的通信。最初为图像处理应用设计的 GDDR6 是一款高性能内存解决方案，可用于需要大量数据计算的各种高性能应用，如人工智能 (AI)、加密挖掘、深度学习、自动驾驶汽车和高速网络。

其次看HBM方面，据曹汪洋介绍，HBM 是一款高性能内存，特点是功耗低、尺寸小。它以更低的时钟速度（与DDR4 相比）将 2.5D 封装与更宽的接口相结合，从而以更高的带宽功耗比效率为高性能计算应用提供更高的总吞吐量。而Rambus提供的HBM2E有经过认证的HBM2E PHY和控制器，在带宽方面也可以做到461GB/S。

再看PCIe 5方面，曹汪洋在会上指出，从应用场景上来说，我们目前高速的SerDes以及其他内存接口解决方案，这些都可以让那些性能密集型的应用有很大的提升，像我们都熟悉的人工智能、数据中心、高性能计算、存储网络，这些都是近年来非常主流的需求和场景。在其中，PCIe 5将会是一个强有力的补充。

从他的介绍我们得知，第5代的PCIe目前是最快的PCIe，单个链路的带宽是32Gbps，对于最的X16配置，单个方向就能达到64G字节的速率。而且由于PCIe是全双工的，它的理论带宽非常高，能够达到128G字节每秒。这种吞吐量和带宽让我们把很多过去看起来不可能实现的东西化为可能，这也是很多系统设计师期盼已久的一个能力。

作为一个领先的厂商，Rambus不仅可以单独提供PCIe的控制器，或者单独提供PCIe的PHY；最主要的是可以提供PCIe加控制器的全套解决方案，而且它是通过完整的软件仿真和硬件验证的。这就可以帮助客户大大简化用户设计的复杂度，还可以避免如不同厂商IP之间的配合兼容的问题。

最后，苏雷对Rambus上述的产品优势进行了总结：

首先看数据安全方面，通过收购Verimatrix的安全IP团队，加上公司原有的安全团队，Rambus现在实现了业界非常丰富的IP产品，并具备全球领先的安全IP研发实力，这将为客户在数据安全方面提供保驾护航。

再看存储IP方面，Rambus提供了一站式的存储、采购和交钥匙服务；至于接口IP方面，公司也收购了一家全球知名的控制器厂商Northwest Logic。这就让Rambus能够提供从PHY到controller一站式的打包服务，并在方案中尽可能的集成各种组件。可以最大限度确保客户用最短的时间实现产品的上市。

在服务方面，Rambus还跟跟客户在项目的各个阶段都展开一系列的紧密合作，包括设计阶段、流片阶段、测试阶段。为客户提供更多的支持。

“经过这次疫情，我们可以预测，今后会有越来越多的数据在云端运行，以及更多的物联网设备会带到网上，所以数据的安全性就越来越引发重视，这一切都会驱动我们跟业界上下游的伙伴展开更紧密的协作”，苏雷最后说。

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Rambus：为新时代芯片设计保驾护航

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