聚焦SoC设计关键点
智芯科技李润华：
0 N- Q% o+ j3 X5 u2 y# v {从五个途径实现低功耗设计% g% ]0 o' v s7 B7 V) F
/ z/ K: K, J" d. q& J 我先举两个关于芯片设计中功耗的例子。我们的一家IC设计客户，采用0.18微米工艺设计出图形显示卡高端芯片，但当这一芯片插入PC工作三四秒后，PC图形就不稳定了，原来是因为芯片的工作温度太高，影响了它的性能。为了散热，他们在芯片上不得不加上风扇，但这样就大幅增加了芯片的成本：原来芯片的成本是15美元，而要加的风扇成本约为5美元。我们另一家IC设计客户采用0.13微米工艺设计开发了通信DSL局端芯片。当他们把芯片放在设备架子上时，发现电源的供应已经不够，原来芯片的漏电太多，而且产生了大量的热量。8 I0 }2 q2 p4 w! n
从上述例子可以看出，所有电子设备，都需要低功耗设计。
6 G. R" V1 ], C9 Z/ k- I2 l 那么功耗都消耗到哪里去了？一般功耗包括动态功耗和静态功耗。动态功耗是器件在工作时消耗的功率。今天，当器件的主频越来越高，动态功耗也相应提高了。静态功耗是漏电引起的。而当制造工艺进入深亚微米时，由于氧化层越来越薄，漏电也会越来越多，这些漏电流变成了热量，对工作没有任何帮助，如果处理不好，还会影响芯片的性能。; i5 n3 S1 K+ b! V& l* a, w
为了实现低功耗设计，从设计角度出发，我们有五大解决方法，分别是：早期分析、降低漏电、多电压值设置、降低动态功耗及整个芯片的Sign-off验证。
+ U' x7 B6 o: I7 S) [* L) C 进行低功耗SoC设计，要在芯片设计之初，就评估各部分的耗电量，找到其中功耗最大的部分，对这部分要采取相应的措施。例如，芯片中有处理器IP，这个IP一直在工作，频率很高，这可能就是芯片的“热点”，我们需要在这个IP周边多做处理，使它更好地散热和工作。
" a- B( I: I1 F6 I- a 在解决漏电流方面，代工厂会提供两种库，一种是高阈值库，另一种是低阈值库。对于时序比较高，翻转比较快的IP部分，它们需要被很容易地打开，就采用低阈值库，而对于其他时序要求比较低，翻转不太快的部分采用高阈值库。以我的设计经验来看，85%～90%的设计不需要低阈值库，这样就可以降低漏电。
2 ~2 n3 _, t1 M 在降低动态功耗方面，因为只要闸在不断翻转，就在耗电。我们可以看到，一个设计中，时钟树上的闸是在不断翻转的，会造成耗电，我们就在时钟树前加一个逻，如果不需要时钟翻转，就让它不工作，这是在不影响整个设计工作时，最简单的降低动态功耗的办法。7 x7 u0 c X' [+ `- [9 k2 Y
多电压设置是现在比较常见的一种方法。我们可以看到，手机就有工作模式和待机模式等。如果某个处理工作的元器件目前没有工作，我们就可以设置它进入睡眠状态，给它断电，这样就可以节省漏电功耗。
2 Z! o. w' j7 J- n+ g u 最后，在整个设计完成后，我们要对整个芯片设计进行验证，看看芯片中还有没有“热点”，进行一些后续的处理。( r. m/ m# j0 U9 X3 z( J9 N: p3 O
从这五个方面入手，我们可以大大降低芯片的动态和静态功耗。
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大唐微电子技术有限公司通信集成电路设计部经理彭虹：
) T' w! p- [ Y" D验证工作是SoC成功关键% D$ z/ e4 H' R3 }8 y7 Y9 X# S3 d
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大唐微电子推出的COMIP SoC芯片，在两年多的时间中，采用0.18微米工艺多次流片，每一次都一次性成功，我们认为完善的验证方法在这中间起到了非常重要的作用。我们推出的第二代芯片是600万门，主频100MHz，时钟域50个，从设计到投片的时间为8个月，而其中验证时间达到了6个月，这一产品达到了稳定而且不错的良率。目前每个月向用户发货几十万片。从该芯片上我们得到了很多验证的经验，我想谈谈要做一个成功的SoC，验证工作要注意哪些问题。- N: j1 ^9 z: x$ p9 T% F5 k, H
SoC目前面临着来自验证方面的挑战。传统的验证是根据需求写出SPEC(参数指标)，基于SPEC做前端和后端设计，然后进行动态验证。动态验证是采用一个仿真器，通过运行上百万甚至上千万的验证向量，去保证设计的成功。那么做完动态验证，就能保证SoC成功吗？其实不然。首先，我们不能够验证一个SoC的全部设计，因为SoC设计太复杂了，有几百万甚至上千万门，即使Intel拥有全球半数的IC验证工程师，也不能保证对芯片设计进行完整验证，它的CPU仍然会存在这样或那样的问题。这就是我们遇到的第一个挑战：验证真的能够保证设计完全实现了SPEC吗？其次是SPEC就真的反映了市场的需求吗？这个产品真的能被市场接受吗？答案是也不能。因为SPEC是一个文字描述文档，传统验证方法并没有对SPEC的确认过程。
: s: C ^" U/ ?3 o( e4 w 因此，传统的动态验证无法保证SoC的正确设计，并最终被市场接受。EMATECH的调查显示，虽然设计的复杂程度在不断增长，但验证工作量的增长速度超过了设计复杂度的增长。从1981年到2009年，一颗芯片上平均晶体管数量的年复合增长率为21%，而验证工作量的年复合增长率达到58%。因此，要解决这个问题，我们要借助于新的验证方法学。该方法学如下：
& ~+ y$ @9 ~* Y$ k! W y 首先，在确定SPEC之前要做系统级分析，保证SPEC的正确性。其次，要采用多种验证手段，不仅仅采用仿真器做动态验证，还要做静态验证，并采用一些可重用技术，以保证验证能按时收敛。
5 X+ R* ]8 M( J$ C 在做系统级验证方面，我们要把用不规范语言描述的SPEC抽象为规范化语言，例如用系统C语言。这一验证实现两个目标：一是看功能是否真正反映了需求；二是看我们的设计是否可以真正实现SPEC的要求。
9 e# o8 r y& `7 `" x. @ 在做动态验证方面的要点包括三方面，一是采用随机向量进行验证，这些向量的覆盖率必须达到我们的要求；二是基于VIP的自检；三是分层次的验证。在静态验证方面包括两方面的内容：一是验证RTL和网表是否一致；二是Property验证，这种方法工业上的工具还不多，用得很少，主要是对关键模块进行验证。一个设计模块是否正确与环境激励有关，我们会采用VIP验证。要有可靠的可重用方法保证设计的正确性。- w; G7 o' K* L, G6 _; J# J
总之，虽然一个SoC验证需要投入大量的人力、物力以及时间成本，但它可以确保SoC流片的一次成功率，并使产品能够真正地符合市场的需求。在做验证时，我们有四点经验：一是验证是个系统性工作，我们不仅要验证设计能否实现SPEC，还要验证SPEC是否能真正反映市场需求；二是验证的投入是非常高的，需要配备专门的资源；三是虽然有许多专门的验证工具，但工具只提供了一种方法，需要有专门的、有经验的人去做验证；四是验证不仅仅是IC设计工程师的事，需要有相当数量的软件工程师参与进来。7 X3 J# l; w+ ^/ T
+ q1 G- n/ K1 E7 A北京中电华大电子设计有限责任公司设计部项目主管周建锁：* t5 `/ ]" b' |( l; F* a! t6 N
基于IP的混合信号SoC设计与产品化挑战, S' w3 n6 p. T0 z
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最早的SoC包括CPU、存储及逻辑等部分，而现在的SoC除了上述三部分外，还包括DSP、模拟/混合信号功能块及RF功能块等。一个实现了复杂功能的芯片必将要求芯片与外部真实世界进行接口，那么就不可避免地需要模拟/混合信号IP，如数据转换器、滤波器和PLL等。混合信号SoC的应用也将越来越成为趋势，也将越来越具有挑战性。
! ?$ p6 l+ C1 h# ^5 r; _ 混合信号SoC用IP有几大方面：数字IP(包括CPU、DSP、安全算法IP及接口协议IP)、模拟或混合信号IP(包括ADC、DAC、PLL、RF收发器、USB收发器、Bandgap、电源管理、ESD保护IP、Filter及Sensor)、存储器IP(包括EEPROM、ROM、RAM及e FLASH)以及专用I/O。由于混合信号SoC复杂性高，目前，世界上很少有公司能够单独开发一个SoC芯片，因此，混合信号IP的发展趋势是基于IP平台的SoC设计。 R: z2 l- h+ w. [" l
目前，混合信号SoC设计遇到了三方面的挑战：首先是系统级设计。这主要涉及到IP核间的互连性。其次是IP核设计。这主要是IP核的可重用性问题。目前，模拟IP一般是硬IP，它的优点是开发周期短，器件尺寸得到了优化，版图不用人为设计，文档实现了自动化，但可重用性成了问题，如果要转换工艺需要重新购买IP。三是制造技术。由于模块上集成了模拟、数字和RF等不同功能模块，通常这些制造工艺是不完全相同的。此外，国内公司还面临时序收敛、设计验证、IP集成、IP获取、低功耗设计、算法优化及软硬件协同设计等挑战。不仅如此，混合信号SoC还面临产品化挑战。
0 t. o9 B3 r+ I! T 那么我们如何去应对这些挑战？我个人认为应该从如下几方面着手：
6 i4 i* d K/ [$ j9 u6 X$ Q 首先是人才培养和招聘。混合信号SoC需要系统设计和IP设计人才，我们可以通过从海外招聘、专业培训和实际锻炼等几方面来培养人才。其次是建立IP联盟。IP联盟的工作应该包括建立IP核库、提供IP核测试评估工具、进行IP交易、提供帮助和法律咨询等。目前北京集成电路设计园的IP服务中心正着手建立用SoC设计的IP平台，上海设计园也在规划中。第三是建立IP标准化体系，例如设计重用标准、IP核转让标准、IP核交易和规范标准及IP核质量标准。第四是商业模式的选取。目前，代工、Fabless、IP供应商、IP销售商构成了SoC的四类公司，他们分工不同，互惠互利。而只有合理利用资源，才能最终实现共赢。6 o! g5 W- O, B! @$ F7 N
9 B [- m2 n, u: ~0 |% j9 q# Y上海硅知识产权交易中心技术总监黄涛：
3 F" d" r- ?7 v/ F( DIP复用面临的挑战及应对举措
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) g- p, X0 D' Q6 Z 考虑到开发一个复杂IP所需要的经验、资源、投资和周期，以及产品的市场窗口，很多公司都考虑购买成熟且性价比高的IP。目前国际上芯片设计的80%以上用到了IP复用。
, g1 V* O. @5 R+ T8 D( K5 _ 目前国内SoC设计和IP复用受到很多因素的影响。一方面，由于目前大部分中国IC设计公司的销售额还不高，很多一流IP的授权费平摊到每颗芯片上显得特别高，再加上国内大部分设计公司对市场的把握度还不够，且中小公司资金不够雄厚，所以明星IP在国内还不容易被广泛接受。另一方面，中小供应商IP质量良莠不齐和IP复用度的不成熟，缺乏IP评估测试的实用标准和规范以及第三方权威评估，大部分公司不愿意贸然尝试。和国外大公司比，国内公司IP复用所面临的商务风险较高。. ^, h# t/ x \0 C: e1 k6 R* q- m
那么，如何降低SoC芯片的成本和投资风险呢？首先，要降低明星IP在国内量产前的使用门槛。明星IP把硬核的Foundry模型放在严格挑选出的公共服务平台，让大家付少量的钱就可以做前期开发，甚至MPW流片，并提供技术支持，量产时才付足授权费，这是非常符合中国国情的一种商务模式。其次，应该从长远打算，通过评估测试，选择引进国外中小公司和国内自主开发的经过质量认证的高质量IP。6 `: i; e( I% S% b# o' e
此外，如何保证IP的复用质量也是一个重要问题。造成IP功能缺陷的主要原因包括：一是IP未得到充分的质量认证。二是已在个别产品上经过Silicon Proven的IP仍可能在新产品中引入功能缺陷。造成IP复用缺陷的主要原因包括：一是硬核各种模型的质量影响IP的复用以及复用质量的检验。二是IP数据及信息可能不正确不充分，所以，是否能正确集成以取得预期的目标难以得到判明和保证。三是设计工程师的经验和技能不足也会影响IP复用质量。而影响IP复用效率问题的主要原因包括代码对可综合、可测性设计等规则的依从性，验证环境的易移植性，验证的效率及灵活性，是否有针对目标系统的驱动程序，前后端各交付项的完整性和易移植性，数据格式是否与目标EDA工具相容，设计工程师的技能等等。
: [, ~3 S2 Y3 S& ?- [. D/ K/ ?( f 在克服IP功能缺陷方面的探索性方法包括：制定详细验证方案，并与SPEC一一对照检查，进行代码覆盖率分析及改善，采用缺陷提醒表对照检查，基于经验及对IP功能、应用理解的Corner Case枚举，SoC芯片级验证以及系统应用平台验证等。其中，之所以需要SoC芯片级验证，是因为很多功能及适配度的问题在系统级仿真较容易发现，例如，IP与目标平台在DMA方式和Bulk传输方式时的适配度等等。而之所以需要系统应用平台验证，主要是因为很多外接器件的仿真模型和真实的器件往往有差异，特别是异常操作和响应等细节上，另外，类似TFT-LCD屏、触摸屏等更是不易在仿真平台上实现。EDA平台的仿真速度也在很大程度上限制了海量事件的随机测试和饱和测试。而系统应用平台可以快速直观地得到结果。9 m% X7 @: x( y( j) H* S
在提高IP复用效率方面，首先，应当提供保证能将IP正确复用的完整的信息、数据和文档。其次，推荐使用便于信号分组化识别的命名规则，便于理解、移植、系统集成、加约束条件、验证观测等等。. C7 I; ~$ C9 k0 x1 @
第三，应提供可测性设计信息。第四，IP核的协议和算法的引擎等关键部分与总线接口及总线FIFO等应当分开。第五，对IP交付项的质量和完整性应当做专家审查，回归检验，结果审核。
0 f% Q; _: q6 k! u/ n2 ? 上海硅知识产权交易中心即将推出可扩展重构的技术服务平台，包括EDA平台(IP测试、交付项回归检验、IP固化建模等)、IP选购试用一站式公共服务平台以及系统应用平台等。而SSIPEX规划推出的公共技术服务包括IP评估测试、IP体验试用及一站式挑选、数字IP包装及固化、MPW流片验证、硬核Modeling、SoC应用参考方案设计以及IP开发/使用和SoC设计等方面的培训和技术支持。 M j7 |# E$ w6 T) j' T" ?
建立平台及公共服务，要充分保障IP供应商和用户双方的权益，保证IP数据、用户信息不会泄密。上海硅知识产权交易中心是信息产业部、上海市信息委和上海市科委联合投资的IP交易服务非赢利性专业公司。中心将严格保持公正性和中立性，设立严格的信息安全保密措施和管理制度，并审计检查。
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