SOC設計方法學（一）

摘要：本文通過對集成電路IC技術發(fā)展現(xiàn)狀的討論和歷史回顧，特別是通過對電子整機設計技術發(fā)展趨勢的探討，引入系統(tǒng)芯片（System on Chip，簡稱SOC）的定義，主要特點及其設計方法學等基本概念，并著重探討面向SOC的新一代集成電路設計方法學的主要研究內容和發(fā)展趨勢。

關鍵詞：SOC 軟硬件協(xié)同設計 超深亞微米 高層次綜合 IP核 設計再利用

引言

人類進入21世界面臨的一個重要課題就是如何面對國民經濟和社會發(fā)展信息化的挑戰(zhàn)。以網絡通信、軟件和微電子為主要標志的信息產業(yè)的飛速發(fā)展既為我們提供了一個前所未有的發(fā)展機遇，也營造了一個難得的市場與產業(yè)環(huán)境。

集成電路作為電子工業(yè)乃至整個信息產業(yè)的基礎得益于這一難得的機遇，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。以軟硬件協(xié)同設計（Software/Hardware Co-Design）、具有知識產權的內核（IP核）復用和超深亞微米（Very Deep Sub-M集成電路ron，簡稱VDSM）技術為支撐的SOC是國際超大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展趨勢和新世紀集成電路的主流。

與此同時，集成電路設計技術的進步滯后于集成電路制造技術的進步已成為制約未來集成電路工業(yè)進一步健康發(fā)展的關鍵。傳統(tǒng)的、基于標準單元庫的設計方法已被證明不能勝任SOC的設計；現(xiàn)行的面向邏輯的集成電路設計方法在深亞微米集成電路設計中遇到了難以逾越的障礙；芯片設計涉及的領域不再局限于傳統(tǒng)的半導體而且必須與整機系統(tǒng)結合；集成電路設計工程師們從來沒有像今天這樣迫切地需要汲取新知識，特別是有關整機系統(tǒng)的知識。所以盡快開展面向SOC的新一代集成電路設計方法學研究對于推動集成電路的發(fā)展是至關重要的。

回顧20世紀后半葉集成電路工業(yè)的歷史，不難看出著名的MOORE（摩爾）定律一直在準確地描述著集成電路技術的發(fā)展。專家們普遍認為，在新的世紀中，這一著名定律仍將長期有效。盡管MOORE定律揭示的集成電路工藝技術的進步規(guī)律是那樣的誘人，且其發(fā)展速度之高在現(xiàn)代社會是少有的，但是今天正在蓬勃發(fā)展的網絡技術的進步相比（見圖1）還是相形見絀，遠遠不能滿足信息產業(yè)發(fā)展的要求。

據有關報道，在今天的美國社會如果以每分鐘9美分的費用計算，并有15%的家庭每天平均上網60min，則現(xiàn)有的網絡容量必須增大1倍，由此引發(fā)的交換設備投資為300億美元，接入設備投資多達7000億美元。這些交換設備和接入設備對集成電路的需求拉動將是巨大的。

現(xiàn)代通信技術正在向個人化，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通信的發(fā)展對集成電路的拉動作用在20世紀的最后1年表現(xiàn)得淋漓盡致。

隨著寬帶技術的發(fā)展，人們傳統(tǒng)文化娛樂的手段也將不斷更新，以“精顯”技術為代表的新一代高分辨率電視已開始進入家庭，電視點播（VOD）也將成為人們日常生活中不可缺少的一部分。如果希望通過網絡傳輸高分辨率電視節(jié)目，則接入的帶寬將達到15MHz。顯然，這種新的文化娛樂方式的出現(xiàn)，必然對集成電路技術的進步產生巨大的推動作用。所以有人說集成電路發(fā)展得多快都為之不過。

市場是集成電路工業(yè)發(fā)展最直接的推動力，集成電路幾十年的發(fā)展證明了“更細、更快、更便宜”這個人們一直追求的目標在新的世紀中不僅仍然有效，而且隨著經濟的發(fā)展變得更為緊迫。在SOC時代來臨的時候，雖然人們要面對眾多的挑戰(zhàn)和眾多的新課題，但是也給所有從事這一領域工作的科技人員提供了一個難得的發(fā)展機遇，也為全球半導體行業(yè)提供了一次重新洗牌的機會。

SOC的內涵及處延

內涵

要研究SOC設計方法學，首先必須明確什么叫SOC。在經過多年的爭論之后，專家們最終就SOC的定義達成了比較一致的意見。這個定義雖然在形式上不那么嚴格，但是明確了SOC的內涵和表征。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：

實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能的VLSI；

采用超深亞微米工藝技術；

使用一個或數(shù)個嵌入式CPU或數(shù)字信號處理器（DSP）；

具備外部對芯片進行編程的功能；

主要采用第三方的IP核進行設計。

這樣的定義決定了SOC的設計必須采用與現(xiàn)在的集成電路設計十分不同的方法。

首先，一個SOC必須是實現(xiàn)復雜功能的VLSI，它的規(guī)模決定了芯片的設計不僅需要設計者具備集成電路的知識，更要具備系統(tǒng)的知識，也要對芯片的應用有透徹的了解。顯然，這對設計者的知識結構提出了很高的要求；在眾多的困難當中，知識結構的改進是最困難的。

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，互連延遲主導系統(tǒng)性能的問題隨著工藝技術的不斷進步將變得越來越突出。在人們徹底實現(xiàn)從而向邏輯的設計方法向面向互連的設計方法的轉變之前，這個問題將一直存在，并長期困擾整個集成電路設計業(yè)。

第三，單個芯片要處理的信息量和信息復雜度要求芯片必須具備強大的數(shù)據處理能力；嵌入式CPU或DSP的使用將是SOC的一個重要標志。事實上，一個芯片上集成一個或多個微處理器以完成復雜的系統(tǒng)功能，在今天的集成電路設計中已不少見。

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。對于大多數(shù)專用集成電路，由于其功能相對比較簡單、應用范圍也比較窄，它們雖然采用了內嵌入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。但是對于未來的SOC，由于其功能非常復雜，應用時會由于各種原因使原來的設計與實現(xiàn)應用有些差異，需要作必要的修改或變動以適應應用環(huán)境。采取外部對其編程的方式顯然是一個比較明智的作法。允許外部對芯片進行編程的另外個考慮是隨著芯片規(guī)模的不斷擴大，開發(fā)一個SOC不僅需要克服眾多的技術難題，而且開發(fā)成本也將越來越高，有能力進行SOC設計的商家也將逐漸會議集中到那些有比較強的技術和經濟實力的單位，顯然如果能夠提供可由用戶自己進行功能配置的SOC，將大大減少應用風險，并促進SOC的推廣應用。

最后，采用第三方的IP核是SOC設計的必然。高度復雜的系統(tǒng)功能和愈來愈高新的產品打入市場的時間要求不允許芯片設計者一切從零開始，必須借鑒和使用已經成熟的設計為自己的產品開發(fā)服務。事實上今天的集成電路已經開始越來越多的使用IP核來進行設計（圖3）.

SOC設計方法學正是圍繞SOC的上述內容展開的新一輪理論研究。這一理論根植于過去幾十年計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）和電子設計自動化（EDA）理論的土壤之中，將借鑒已有的理論并在其基礎上創(chuàng)新。盡管如此，研究人員還是不得不面對許多的難題，因為SOC時代的集成電路設計方法學的內涵及外延到底是什么確實不那么清楚（圖4）.

人們只能模糊在感到這個新生的理論應當涉及系統(tǒng)和芯片，應當涉及硬件和軟件，應當涉及設計和制造，應當涉及知識產權的保護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的和非技術的問題。

要想鈄SOC設計中的所有問題都清楚地羅列出來是不現(xiàn)實的，但是研究人員可以在以前的研究基礎上確認哪些是關系到SOC設計成敗的關鍵，并將它們作為SOC設計方法學首先要解決的課題。

SOC技術包含的三個內容

SOC設計方法學要包含的第一個內容就是系統(tǒng)設計方法。傳統(tǒng)的集成電路設計基本上屬于硬件設計的范疇，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現(xiàn)。而在SOC設計當中，設計者必須面對一個新的挑戰(zhàn)，那就是他不僅要面對復雜的邏輯設計，而且要考慮軟件，特別是那些可以改變芯片功能的外部應用軟件的設計。盡管軟件的加入在某種程度上加大了系統(tǒng)設計的工作量，但是軟件的引入也會對系統(tǒng)代價的減少產生積極的作用。如何在軟件和硬件設計中取得平衡，獲得最優(yōu)的設計結果是我們要認真探討的課題。

SOC設計方法學要包含的第二個內容是IP核的設計和使用。IP核是SOC設計中非常重要，它包含兩個方面的內容，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計中的單元庫的使用，它所涉及的內容幾乎覆蓋了集成電路設計中的所 有經典課題，包括測試、驗證、模擬、低功耗等等。IP核的生成也絕非是簡單的設計抽取和整理，它所涉及的設計思路、時序的要求、性能的要求等均需要人們重新審視我們已經熟知的設計方法。

SOC設計方法學要包含的第三個內容是深亞微米集成電路設計。盡管這個課題已經提出了相當長的時間，但是研究的思路和方法仍然在面向邏輯的設計思路中徘徊，也許布局規(guī)劃和時序驅動的方法還能夠解決當前大部分的實際問題，但是當我們面對0.15μm甚至更細線條的時候，又有誰能保證現(xiàn)在的作法有效呢？深亞微米集成電路設計方法的根本性突破顯然是SOC設計方法學中最具挑戰(zhàn)性的。

SOC設計方法學的研究所影響的不僅僅是集成電路領域，事實上由于集成電路的基礎作用，它還會對集成電路的基礎作用，它還會對集成電路以外的領域產生深遠的影響。它改變 的也不僅僅是集成電路的設計方法和設計思路，同時也會為電子整機和系統(tǒng)的發(fā)展帶來革命性的變化。隨著整機與芯片的日益融合，SOC設計方法也必然深入到整機的設計中去，對電子整機的設計產生積極的影響，同時電子整機的發(fā)展也必然會對SOC設計方法學的豐富和完美作出貢獻。SOC設計方法學產生的這種芯片與整機互促進，共同發(fā)展的態(tài)勢和影響力是以前任何一個集成電路設計理論都不具有的。