SoC設(shè)計之組態(tài)性處理器IP

由于半導(dǎo)體工藝進(jìn)步，相同芯片面積中可以放入愈來愈多的晶體管，致使這10多年來業(yè)界開始積極發(fā)展所謂的系統(tǒng)單芯片SoC，而可組態(tài)性處理器IP概念就像自助餐式的自組拼盤，提供嵌入式系統(tǒng)更寬廣的應(yīng)用空間…

過往需多顆芯片才能組構(gòu)的運算系統(tǒng)，現(xiàn)在透過半導(dǎo)體的整合工藝，單一SoC芯片即可實現(xiàn)，但無論是用多顆芯片構(gòu)成的系統(tǒng)，還是用單顆芯片就實現(xiàn)的系統(tǒng)，系統(tǒng)中都包含各種屬性、功效電路，而在SoC需求愈來愈普遍，同時內(nèi)部設(shè)計愈形復(fù)雜后，芯片公司已難完全以自力、自主完成SoC設(shè)計，若完全自力設(shè)計，則電路的設(shè)計、驗證過程費時更長，影響SoC上市時間與研發(fā)成本。

為能用更簡便、快速方式完成SoC設(shè)計，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)衍生新經(jīng)營型態(tài)的公司，稱為IP Provider(硅知識產(chǎn)權(quán)供貨商)，IP Provider只專注于芯片內(nèi)各功效電路研發(fā)設(shè)計，并將功效電路設(shè)計成果授權(quán)給其它業(yè)者使用，而技術(shù)授權(quán)費或芯片量產(chǎn)后的權(quán)利金，就成了IP Provider的主要收益來源。

不過，并不是只有IP Provider才能授權(quán)芯片的功效電路設(shè)計，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中其它經(jīng)營型態(tài)業(yè)者，也提供類似服務(wù)，包括整合裝置制造商(IDM)、晶圓代工廠(Foundry)、無晶圓廠的芯片公司(Fabless)、芯片設(shè)計服務(wù)業(yè)者(Design House)、以及電路設(shè)計自動化的工具供貨商(EDA Vendor)等也多有提供，差別只在于專營與兼營，IP Provider屬專營業(yè)者，其余各種型態(tài)的業(yè)者屬于兼營。

事實上硅知識產(chǎn)權(quán)概念最初來自Foundry，F(xiàn)oundry業(yè)者為讓投單客戶芯片電路設(shè)計可盡快投產(chǎn)，所以向客戶提供現(xiàn)成、已完成各項驗證的功效電路設(shè)計，當(dāng)這類型的設(shè)計累積數(shù)量夠多后，才逐漸開展出更高層次的硅知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)業(yè)。

處理器IP是SoC的最核心

了解IP能簡化、加速SoC設(shè)計后。如今的SoC，芯片內(nèi)多半會使用1個或1個以上的IP，在用及各種IP中，又以控制器、處理器的IP最為基礎(chǔ)與關(guān)鍵。每顆SoC設(shè)計之初就要決定控制器/處理器架構(gòu)，此等于決定SoC的最核心設(shè)計，接著才能決定外圍功效電路，最后才能完成SoC整體設(shè)計。

也因為控制器/處理器的需求最基礎(chǔ)、普遍，所以如英國ARM(安謀國際)、美國MIPS(美普思)等業(yè)者在硅知識產(chǎn)權(quán)業(yè)界中相當(dāng)活躍，因為ARM、MIPS等皆以處理器的IP授權(quán)為主業(yè)務(wù)。今日多數(shù)SoC均直接使用ARM、MIPS業(yè)者授權(quán)的處理器IP，已少有完全自力設(shè)計的SoC執(zhí)行核心。

 

圖 英國ARC公司可組態(tài)性處理器IP的展望規(guī)劃圖(Roadmap)，圖上半年為ARC 700系列的展望規(guī)劃，下半年則為600系列的展望規(guī)劃。

Soft IP與Hard IP之別

雖然IP可以加速SoC設(shè)計，但進(jìn)一步還要了解IP層次，大體而言IP可分成Soft IP與Hard IP 2個層次；Soft IP是偏向電路功效邏輯層面設(shè)計，而Hard IP則是除了具備電路功效邏輯外，連帶已完成芯片實際投產(chǎn)前的實體性電路設(shè)計。

如果SoC業(yè)者期望對IP部分電路設(shè)計能有較高的再修改性，或者是更高度的電路設(shè)計整合，則必須選擇Soft IP，反之Hard IP難以再修改，整合度也有限。不過Hard IP設(shè)計完成度較高，已經(jīng)完成邏輯、實體2部分的設(shè)計，相對的Soft IP僅完成前期性的功效邏輯，所以就SoC整體設(shè)計的加速性而言，此方面Hard IP優(yōu)于Soft IP。(附注2)

Soft IP的調(diào)修彈性仍有其限

所以，若為了追求較高的設(shè)計彈性，則必須選擇Soft IP，但即便是Soft IP模式，其設(shè)計彈性也有限。以處理器IP來說，多數(shù)的處理器IP其處理架構(gòu)均已經(jīng)固定，如處理器內(nèi)有多少個緩存器、管線階數(shù)等，雖技術(shù)上依然可以對這些架構(gòu)再行調(diào)修，但I(xiàn)P的授權(quán)業(yè)者通常不樂見、甚至不允許這么做，因為對架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整將會阻礙執(zhí)行軟件的移植性與兼容性。

因此，提供處理器IP的業(yè)者，通常實行另一種作法，那就是提供多種型款(但各款的設(shè)計架構(gòu)皆已固定)的處理器IP讓客戶選擇，若客戶認(rèn)為某款的IP不合用，則可以再評估另一款I(lǐng)P，直到選定最貼近需求的款式為止。

可組態(tài)性處理器IP的意涵

用多種型款的現(xiàn)成固定式設(shè)計，來因應(yīng)客戶對處理器IP的各種不同需求，這是目前較普遍的作法，事實上ARM、MIPS、PowerPC等皆是如此。然而業(yè)界也有另一種作法，就是提供更高度的彈性設(shè)計，此稱為可組態(tài)性處理器(Configurable Processor)。

可組態(tài)性處理器，是SoC設(shè)計者可以決定處理器的細(xì)節(jié)設(shè)計，包括增/減緩存器、執(zhí)行單元、指令數(shù)...等設(shè)計，借以建構(gòu)出更合乎需求的處理器核心。如此，可組態(tài)性處理器IP，提供更高度的設(shè)計彈性，目前以可組態(tài)性著稱的處理器IP，主要有英國ARC公司的ARC 600、ARC 700核心，以及美國Tensilica公司的Xtensa 7、Xtensa LX2核心。

要注意的是，此類IP雖提供可組態(tài)性，但并不表示處理器內(nèi)的任何環(huán)節(jié)都可重新調(diào)整，仍有其不變的主架構(gòu)存在，倘若各環(huán)節(jié)都可以再行調(diào)修，此已等于是100%的自主設(shè)計，如此就沒有向外取得IP授權(quán)的必要。

實行可組態(tài)性處理器IP的動機

前面提到，為了更高的設(shè)計彈性、為了更切合設(shè)計要求，所以需要可組態(tài)性處理器IP，但「彈性」、「要求」仍是相當(dāng)浮泛的概念性形容，以下將更具體說明實行可組態(tài)性處理器IP的動機。

1.減少芯片電路面積

將原本的多芯片系統(tǒng)整合成SoC，為的就是要精省系統(tǒng)電路面積，同時也精省實現(xiàn)成本，不過要將原有的多芯片整合成單芯片，多半要對電路功效進(jìn)行權(quán)衡取舍，甚至犧牲部分規(guī)格、性能、功效，所以設(shè)計時都會盡力縮小各功效電路面積，而可組態(tài)性處理器IP因具備更高彈性，能將「電路面積」視為第一要求，組態(tài)出占用面積最小的處理核心。

2.減少芯片的功耗用電

許多SoC是用于手持式應(yīng)用裝置中，手持式應(yīng)用裝置除力求芯片小體積化外，也相當(dāng)講究功耗用電，原因是手持裝置的電池電力有限。此外能源成本愈來愈高，用于機房設(shè)備內(nèi)的芯片也得講究省電，其它各類應(yīng)用芯片亦有類似趨勢發(fā)展。因此，可組態(tài)性處理器IP在組態(tài)時，即能針對功耗用電進(jìn)行最佳化設(shè)計。

3.增加芯片的運算效能、反應(yīng)速率

能以電路面積來組態(tài)、能以功耗用電來組態(tài)，那么也可以從運算效能為取向來進(jìn)行組態(tài)，尤其是硬性實時控制(Hard Real-Time Control)的應(yīng)用格外有需求。事實上，一直以來處理器首要講究的特性表現(xiàn)，是價格效能比(Price/Performance Ratio)，近年來才開始重視功耗用電性的每瓦效能比(Performance Per Watt)。

4.減少芯片的授權(quán)成本

使用處理器IP要支付一筆技術(shù)授權(quán)費，且在SoC設(shè)計完成、投入量產(chǎn)后，還要針對每顆出廠后的SoC抽取量產(chǎn)權(quán)利金，為了減少授權(quán)費及權(quán)利金等成本支出，實行可組態(tài)作法有機會減少此方面的成本支出，例如不需要浮點運算單元則在組態(tài)設(shè)計時將可棄舍該單元，需要數(shù)字信號處理單元才放入該單元，透過逐項的權(quán)衡增減，有可能降低整體「技術(shù)授權(quán)費/量產(chǎn)權(quán)利金」成本。即便不能減少「技術(shù)授權(quán)費/量產(chǎn)權(quán)利金」成本，電路面積也可以獲得精省，進(jìn)而讓芯片投產(chǎn)成本得到精省(與前述的第一項動機相近)。 [!--empirenews.page--]

5.針對SoC的應(yīng)用進(jìn)行最佳化

SoC的應(yīng)用非常多，有的是數(shù)字相機(DSC)的SoC，有的是可攜式媒體播放器(PMP)的SoC，或是導(dǎo)航機(PND)的SoC，不同的SoC其應(yīng)用設(shè)計也不同，例如DSC SoC不重視音訊處理，而PND SoC只專注靜態(tài)視訊處理及簡易的音訊處理，但卻需要重視數(shù)字信號的處理(接收衛(wèi)星定位信號后的相關(guān)處理)，至于PMP、STB(視訊機上盒)則重視動態(tài)、高質(zhì)量的音/視訊處理，也重視信號處理(接收、處理節(jié)目信號)。

由上可知，不同的執(zhí)行處理特性、不同的運算負(fù)荷度，若用單一架構(gòu)處理器IP則難以滿足設(shè)計，而可組態(tài)性處理器IP卻可以針對不同的應(yīng)用需求來進(jìn)行組態(tài)，以合乎各種應(yīng)用取向的SoC設(shè)計。

可組態(tài)性處理器IP的隱憂

雖可組態(tài)性處理器IP有如上的5種優(yōu)點，但也不表示沒有缺點，事實上，隨半導(dǎo)體技術(shù)及市場演化，可組態(tài)性處理器也面臨一些隱憂、威脅，以下我們簡要討論。

1.工藝持續(xù)縮密，芯片面積資源獲得寬解

芯片的縮密工藝技術(shù)仍持續(xù)精進(jìn)，從90nm、65nm、到45nm，并持續(xù)往下探，使芯片電路面積成本愈來愈低，因此芯片設(shè)計者已不如過往般重視面積成本，事實上處理器的多核化發(fā)展，無論是同質(zhì)多核、異質(zhì)多核，都表示「透過電路面積倍增的作法來爭取效能提升」已屬可行、值得。如此，透過組態(tài)作法讓執(zhí)行核心的面積最佳化，此種需求將逐漸減少。

2.芯片上市的時間壓力愈來愈大

使用IP為的就是要節(jié)省芯片設(shè)計的驗證心力、加速芯片的開發(fā)，讓芯片更早上市銷售，而今市場競爭更加激烈，芯片Time To Market壓力比過去更大，使許多SoC項目都舍棄從Soft IP階段開始設(shè)計，直接取用Hard IP加速設(shè)計。

然而可組態(tài)性處理器IP可說是比Soft IP更Soft(軟)性的IP，是從「比Soft IP」更前期的設(shè)計階段開始著手，好處是獲得更高的設(shè)計彈性，但相對的就是增加SoC的設(shè)計時間，甚至為實現(xiàn)組態(tài)化而必須學(xué)習(xí)、熟悉另一套前期設(shè)計工具，即處理器的組態(tài)工具。

3.軟件風(fēng)險

此點前面已約略提及，事實上，除有軟件移植性、兼容互通性等疑慮，軟件的后續(xù)維護(hù)也將令人擔(dān)憂，同時協(xié)力業(yè)者提供的宏程序(Macro)也可能無法立即適用，這些都須再行斟酌、調(diào)修。特別是軟件開發(fā)、維護(hù)成本在整體SoC方案中所占的比重愈來愈高，許多原有以硬件電路方式設(shè)計成的功效，而今多半轉(zhuǎn)成軟件方式實現(xiàn)。

4.固定組態(tài)處理器IP的轉(zhuǎn)向

ARM、MIPS等皆是以固定組態(tài)性處理器IP為主，不過為因應(yīng)客戶需求也開始有些轉(zhuǎn)變，或允許部分的特例，例如MIPS的Pro系列IP就擁有組態(tài)性，或如ARM的OptimoDE Data Engines能因應(yīng)不同需求的應(yīng)用設(shè)計。

附注1：ARM、MIPS在處理器IP的主要授權(quán)業(yè)務(wù)逐漸成熟后，也開始進(jìn)行相關(guān)延伸，如ARM延伸至實體IP領(lǐng)域，MIPS延伸到模擬/混訊IP領(lǐng)域，此外兩家業(yè)者皆開始跨入32位的控制器IP市場。

附注2：除了Soft IP、Hard IP外也有Firm IP，F(xiàn)irm IP的設(shè)計完成度介于前兩者之間，不過在產(chǎn)業(yè)的實際運用中卻不如前兩者普遍。

 

圖 Tensilica Xtensa系列可組態(tài)性處理器IP的組態(tài)設(shè)計示意圖，左上是勾核需求的功效項、特性項，例如需不需要硬件乘法器、桶式移位器等，右上則是延伸處理器架構(gòu)，例如增加緩存器、增加VLIW數(shù)據(jù)路徑等，左下則進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用最佳化，右下則是軟件自動化產(chǎn)生工具。