SOC設(shè)計(jì)方法

本文通過對(duì)集成電路IC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的討論和歷史回顧,特別是通過對(duì)電子整機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的探討,引入系統(tǒng)芯片（System on Chip,簡(jiǎn)稱SOC）的定義,主要特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法學(xué)等基本概念,并著重探討面向SOC的新一代集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)。

??? 關(guān)鍵詞：SOC 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì) 超深亞微米 高層次綜合 IP核 設(shè)計(jì)再利用

引言

人類進(jìn)入21世界面臨的一個(gè)重要課題就是如何面對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展信息化的挑戰(zhàn)。以網(wǎng)絡(luò)通信、軟件和微電子為主要標(biāo)志的信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展既為我們提供了一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)遇,也營(yíng)造了一個(gè)難得的市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)環(huán)境。

集成電路作為電子工業(yè)乃至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)得益于這一難得的機(jī)遇,呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。以軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)（Software/Hardware Co-Design）、具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的內(nèi)核（IP核）復(fù)用和超深亞微米（Very Deep Sub-M集成電路ron,簡(jiǎn)稱VDSM）技術(shù)為支撐的SOC是國(guó)際超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展趨勢(shì)和新世紀(jì)集成電路的主流。

??? 與此同時(shí),集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步滯后于集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步已成為制約未來集成電路工業(yè)進(jìn)一步健康發(fā)展的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的、基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫的設(shè)計(jì)方法已被證明不能勝任SOC的設(shè)計(jì);現(xiàn)行的面向邏輯的集成電路設(shè)計(jì)方法在深亞微米集成電路設(shè)計(jì)中遇到了難以逾越的障礙;芯片設(shè)計(jì)涉及的領(lǐng)域不再局限于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體而且必須與整機(jī)系統(tǒng)結(jié)合;集成電路設(shè)計(jì)工程師們從來沒有像今天這樣迫切地需要汲取新知識(shí),特別是有關(guān)整機(jī)系統(tǒng)的知識(shí)。所以盡快開展面向SOC的新一代集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)研究對(duì)于推動(dòng)集成電路的發(fā)展是至關(guān)重要的。

回顧20世紀(jì)后半葉集成電路工業(yè)的歷史,不難看出著名的MOORE（摩爾）定律一直在準(zhǔn)確地描述著集成電路技術(shù)的發(fā)展。專家們普遍認(rèn)為,在新的世紀(jì)中,這一著名定律仍將長(zhǎng)期有效。盡管MOORE定律揭示的集成電路工藝技術(shù)的進(jìn)步規(guī)律是那樣的誘人,且其發(fā)展速度之高在現(xiàn)代社會(huì)是少有的,但是今天正在蓬勃發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步相比（見圖1）還是相形見絀,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。

據(jù)有關(guān)報(bào)道,在今天的美國(guó)社會(huì)如果以每分鐘9美分的費(fèi)用計(jì)算,并有15%的家庭每天平均上網(wǎng)60min,則現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)容量必須增大1倍,由此引發(fā)的交換設(shè)備投資為300億美元,接入設(shè)備投資多達(dá)7000億美元。這些交換設(shè)備和接入設(shè)備對(duì)集成電路的需求拉動(dòng)將是巨大的。

現(xiàn)代通信技術(shù)正在向個(gè)人化,寬帶化和智能化方向發(fā)展（圖2）。以GSM為主要代表的第二代移動(dòng)通信的發(fā)展對(duì)集成電路的拉動(dòng)作用在20世紀(jì)的最后1年表現(xiàn)得淋漓盡致。

隨著寬帶技術(shù)的發(fā)展,人們傳統(tǒng)文化娛樂的手段也將不斷更新,以“精顯”技術(shù)為代表的新一代高分辨率電視已開始進(jìn)入家庭,電視點(diǎn)播（VOD）也將成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠帧Ｈ绻Ｍㄟ^網(wǎng)絡(luò)傳輸高分辨率電視節(jié)目,則接入的帶寬將達(dá)到15MHz。顯然,這種新的文化娛樂方式的出現(xiàn),必然對(duì)集成電路技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。所以有人說集成電路發(fā)展得多快都為之不過。

??? 市場(chǎng)是集成電路工業(yè)發(fā)展最直接的推動(dòng)力,集成電路幾十年的發(fā)展證明了“更細(xì)、更快、更便宜”這個(gè)人們一直追求的目標(biāo)在新的世紀(jì)中不僅仍然有效,而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展變得更為緊迫。在SOC時(shí)代來臨的時(shí)候,雖然人們要面對(duì)眾多的挑戰(zhàn)和眾多的新課題,但是也給所有從事這一領(lǐng)域工作的科技人員提供了一個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇,也為全球半導(dǎo)體行業(yè)提供了一次重新洗牌的機(jī)會(huì)。

SOC的內(nèi)涵及處延

內(nèi)涵

要研究SOC設(shè)計(jì)方法學(xué),首先必須明確什么叫SOC。在經(jīng)過多年的爭(zhēng)論之后,專家們最終就SOC的定義達(dá)成了比較一致的意見。這個(gè)定義雖然在形式上不那么嚴(yán)格,但是明確了SOC的內(nèi)涵和表征。一種集成電路芯片如果具備如下特性的話,那么可以稱其為SOC,這些特性是：

??? 實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能的VLSI;

采用超深亞微米工藝技術(shù);

使用一個(gè)或數(shù)個(gè)嵌入式CPU或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）;

具備外部對(duì)芯片進(jìn)行編程的功能;

主要采用第三方的IP核進(jìn)行設(shè)計(jì)。

這樣的定義決定了SOC的設(shè)計(jì)必須采用與現(xiàn)在的集成電路設(shè)計(jì)十分不同的方法。

首先,一個(gè)SOC必須是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的VLSI,它的規(guī)模決定了芯片的設(shè)計(jì)不僅需要設(shè)計(jì)者具備集成電路的知識(shí),更要具備系統(tǒng)的知識(shí),也要對(duì)芯片的應(yīng)用有透徹的了解。顯然,這對(duì)設(shè)計(jì)者的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了很高的要求;在眾多的困難當(dāng)中,知識(shí)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是最困難的。

其次,深亞微米工藝提出的諸多挑戰(zhàn)至今尚未得到徹底的解決,互連延遲主導(dǎo)系統(tǒng)性能的問題隨著工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步將變得越來越突出。在人們徹底實(shí)現(xiàn)從而向邏輯的設(shè)計(jì)方法向面向互連的設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變之前,這個(gè)問題將一直存在,并長(zhǎng)期困擾整個(gè)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)。

第三,單個(gè)芯片要處理的信息量和信息復(fù)雜度要求芯片必須具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力;嵌入式CPU或DSP的使用將是SOC的一個(gè)重要標(biāo)志。事實(shí)上,一個(gè)芯片上集成一個(gè)或多個(gè)微處理器以完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能,在今天的集成電路設(shè)計(jì)中已不少見。

第四,既然采用了嵌入式的CPU或DSP,芯片自然也就具備了可編程能力。對(duì)于大多數(shù)專用集成電路,由于其功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍也比較窄,它們雖然采用了內(nèi)嵌入CPU或者DSP,在大多數(shù)情況下還是將所需的軟件固化在芯片中。但是對(duì)于未來的SOC,由于其功能非常復(fù)雜,應(yīng)用時(shí)會(huì)由于各種原因使原來的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用有些差異,需要作必要的修改或變動(dòng)以適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境。采取外部對(duì)其編程的方式顯然是一個(gè)比較明智的作法。允許外部對(duì)芯片進(jìn)行編程的另外個(gè)考慮是隨著芯片規(guī)模的不斷擴(kuò)大,開發(fā)一個(gè)SOC不僅需要克服眾多的技術(shù)難題,而且開發(fā)成本也將越來越高,有能力進(jìn)行SOC設(shè)計(jì)的商家也將逐漸會(huì)議集中到那些有比較強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的單位,顯然如果能夠提供可由用戶自己進(jìn)行功能配置的SOC,將大大減少應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn),并促進(jìn)SOC的推廣應(yīng)用。

最后,采用第三方的IP核是SOC設(shè)計(jì)的必然。高度復(fù)雜的系統(tǒng)功能和愈來愈高新的產(chǎn)品打入市場(chǎng)的時(shí)間要求不允許芯片設(shè)計(jì)者一切從零開始,必須借鑒和使用已經(jīng)成熟的設(shè)計(jì)為自己的產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)。事實(shí)上今天的集成電路已經(jīng)開始越來越多的使用IP核來進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖3）.

SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)正是圍繞SOC的上述內(nèi)容展開的新一輪理論研究。這一理論根植于過去幾十年計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）理論的土壤之中,將借鑒已有的理論并在其基礎(chǔ)上創(chuàng)新。盡管如此,研究人員還是不得不面對(duì)許多的難題,因?yàn)镾OC時(shí)代的集成電路設(shè)計(jì)方法學(xué)的內(nèi)涵及外延到底是什么確實(shí)不那么清楚（圖4）.

人們只能模糊在感到這個(gè)新生的理論應(yīng)當(dāng)涉及系統(tǒng)和芯片,應(yīng)當(dāng)涉及硬件和軟件,應(yīng)當(dāng)涉及設(shè)計(jì)和制造,應(yīng)當(dāng)涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和使用等等一系列的問題,以及現(xiàn)在也許還無法提出的許多其它技術(shù)的和非技術(shù)的問題。

要想鈄SOC設(shè)計(jì)中的所有問題都清楚地羅列出來是不現(xiàn)實(shí)的,但是研究人員可以在以前的研究基礎(chǔ)上確認(rèn)哪些是關(guān)系到SOC設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵,并將它們作為SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)首先要解決的課題。

SOC技術(shù)包含的三個(gè)內(nèi)容

??? SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)要包含的第一個(gè)內(nèi)容就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)基本上屬于硬件設(shè)計(jì)的范疇,少數(shù)的軟件（主要是一些微碼）也往往通過固化的方法在芯片中實(shí)現(xiàn)。而在SOC設(shè)計(jì)當(dāng)中,設(shè)計(jì)者必須面對(duì)一個(gè)新的挑戰(zhàn),那就是他不僅要面對(duì)復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì),而且要考慮軟件,特別是那些可以改變芯片功能的外部應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。盡管軟件的加入在某種程度上加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作量,但是軟件的引入也會(huì)對(duì)系統(tǒng)代價(jià)的減少產(chǎn)生積極的作用。如何在軟件和硬件設(shè)計(jì)中取得平衡,獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果是我們要認(rèn)真探討的課題。

SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)要包含的第二個(gè)內(nèi)容是IP核的設(shè)計(jì)和使用。IP核是SOC設(shè)計(jì)中非常重要,它包含兩個(gè)方面的內(nèi)容,首先是IP核的使用,其次是IP核的生成。IP核的使用絕不等同于集成電路設(shè)計(jì)中的單元庫的使用,它所涉及的內(nèi)容幾乎覆蓋了集成電路設(shè)計(jì)中的所 有經(jīng)典課題,包括測(cè)試、驗(yàn)證、模擬、低功耗等等。IP核的生成也絕非是簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)抽取和整理,它所涉及的設(shè)計(jì)思路、時(shí)序的要求、性能的要求等均需要人們重新審視我們已經(jīng)熟知的設(shè)計(jì)方法。

SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)要包含的第三個(gè)內(nèi)容是深亞微米集成電路設(shè)計(jì)。盡管這個(gè)課題已經(jīng)提出了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,但是研究的思路和方法仍然在面向邏輯的設(shè)計(jì)思路中徘徊,也許布局規(guī)劃和時(shí)序驅(qū)動(dòng)的方法還能夠解決當(dāng)前大部分的實(shí)際問題,但是當(dāng)我們面對(duì)0.15μm甚至更細(xì)線條的時(shí)候,又有誰能保證現(xiàn)在的作法有效呢？深亞微米集成電路設(shè)計(jì)方法的根本性突破顯然是SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)中最具挑戰(zhàn)性的。

SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究所影響的不僅僅是集成電路領(lǐng)域,事實(shí)上由于集成電路的基礎(chǔ)作用,它還會(huì)對(duì)集成電路的基礎(chǔ)作用,它還會(huì)對(duì)集成電路以外的領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。它改變 的也不僅僅是集成電路的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路,同時(shí)也會(huì)為電子整機(jī)和系統(tǒng)的發(fā)展帶來革命性的變化。隨著整機(jī)與芯片的日益融合,SOC設(shè)計(jì)方法也必然深入到整機(jī)的設(shè)計(jì)中去,對(duì)電子整機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極的影響,同時(shí)電子整機(jī)的發(fā)展也必然會(huì)對(duì)SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)的豐富和完美作出貢獻(xiàn)。SOC設(shè)計(jì)方法學(xué)產(chǎn)生的這種芯片與整機(jī)互促進(jìn),共同發(fā)展的態(tài)勢(shì)和影響力是以前任何一個(gè)集成電路設(shè)計(jì)理論都不具有的。