RF: 究竟能否成為插入式IP？

　　當(dāng)移動設(shè)備SoC集成射頻電路時，它們將需要可重用 RF IP。但是它們能夠做到嗎？

　　對于下一代智能手機、移動視頻播放器以及 Web 漫游附件的整合，其含意不僅是要將多用途基帶與應(yīng)用處理器、加速器和內(nèi)存一起放到同一片 SoC （系統(tǒng)單芯片）上，而且還要將許多小信號RF電路整合到SoC上。其中就存在一項重大難題。

　　在今天的 SoC 中，要想滿足時間表并維持合理的設(shè)計復(fù)雜性，硅 IP （知識產(chǎn)權(quán)）的重用是絕對必要的。但是，盡管 IP 的重用在數(shù)字行業(yè)人所共知，甚至已經(jīng)成為一些甚高頻模塊的常見現(xiàn)象，例如高速I/O的SERDES（串行器/解串器）功能和所有應(yīng)用類別中的PLL（鎖相環(huán)路），但對射頻應(yīng)用的 RF 電路，設(shè)計重用幾乎尚未聽說。這是為什么呢？我們能否做一些相關(guān)工作？或者說，移動設(shè)備的下一代 SoC 肯定大部分是定制芯片嗎？

　　按問題大小排列

　　在這些問題中，最要緊的是移動系統(tǒng)SoC中大塊的片芯區(qū)。這一情況并不單單因為射頻傾向于大面積——它有遠超出最低限度的晶體管和幾乎不可縮小的電感與電容，還因為高級手機要求在一個SoC上有多個射頻。

　　例如，考慮這樣一種典型的概念設(shè)備，它可作為多頻手機和互聯(lián)網(wǎng)終端，能獲得當(dāng)前可用的任何最佳網(wǎng)絡(luò)連接。此類手機將有一個LTE（長期演進）射頻，用于連接蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)；一個802.11n MIMO（多輸入/多輸出）Wi-Fi 射頻塊，用于與任何可用的 Wi-Fi 接入點建立多天線連接；至少一個UWB（超寬帶）射頻，用于實現(xiàn)藍牙、無線 USB 或?qū)Ｓ械慕?、高帶寬協(xié)議；還有一個GPS（全球定位系統(tǒng)）接收器，用于獲得位置信息。這些組件沒有一樣是微不足道的，并且對 802.11n MIMO 射頻，面積會相當(dāng)大（圖 1）。

　　最初，這些射頻可能全部位于單獨的片芯上。但是設(shè)計壓力強制它們中的許多（即使不是全部）都遷移到SoC上。大信號RF模塊將屬例外，例如功率放大器和天線開關(guān)，它們可能保持在 SoC 以外。

　　一個典型射頻中的小信號 RF 模塊很容易列舉（圖 2 ）。在多數(shù)現(xiàn)代射頻中，它們幾乎以相同的配置重復(fù)出現(xiàn)。但是這一情況并不意味著能簡單地重用整個射頻模塊或單個功能。
　
　　鑒于這么高的復(fù)雜性，如此多的片芯區(qū)，以及如此多的利害攸關(guān)因素，似乎 SoC 設(shè)計者（尤其是缺乏內(nèi)部 RF 專業(yè)知識的 SoC 團隊）顯然會希望以第三方IP方式獲得自己的射頻模塊。但今天的實際情況是，他們不會這樣做。甚至從中期來看，這些SoC設(shè)計中的一些或多數(shù)射頻模塊的設(shè)計工作將由SoC 設(shè)計團隊自己承擔(dān)，而非第三方IP開發(fā)者。造成這一困境有若干個重要原因。

　　所有這些原因都源于可重用 IP 的理念。要想重用，IP模塊必須具有一種能明確理解的功能，創(chuàng)建者和用戶對該功能達成一致共識。它必須有明確定義的端口，并且必須根據(jù)它們與模塊功能的關(guān)系以及許可的信號特征，明白無誤地定義這些端口的信號。沒有這些基本約束，IP 就不會像可重新設(shè)計一樣地可重用。但這些要求中的每一項對于 RF 射頻 IP 都成問題。

　　首先是標準問題。當(dāng)然，幾乎所有非專利的空中接口都有明確的標準，并有驗證IP和互操作性測試。但問題是射頻的實現(xiàn)。Berkeley Design Automation的首席執(zhí)行官 Ravi Subramanian 警告說：“這些標準射頻的收發(fā)機體系結(jié)構(gòu)仍在發(fā)展之中。構(gòu)建射頻的方式仍取決于您將用它提供服務(wù)的市場。”例如，盡管一個 UWB 射頻的結(jié)構(gòu)非常像 802.11 射頻，但細節(jié)看上去是不同的（圖3）。

　　Synopsys 公司的混合信號產(chǎn)品營銷經(jīng)理Navraj Nandra表示：“即使標準射頻的定義也不像你想象的那么明確。”他指出，不同國家可能以不同方法實現(xiàn)同一個標準射頻。美國的WiMedia射頻使用 Band Group 1。其他國家使用更高頻率的頻段組，因此需要不同的射頻設(shè)計。

　　Subramanian說：“對那些有能力的公司來說，將這些射頻放到SoC上的 CMOS 中的工作也是皇冠上的明珠。射頻與高性能的整合能力對于他們的產(chǎn)品必不可少，并能使他們脫穎而出。他們并不打算購買 IP 做射頻，雖然可以這么做。”
如何獲得射頻內(nèi)子模塊的許可呢？畢竟，您可以獲得與某些模塊運行一樣快的第三方 PLL 許可。Nandra 表示，這種情況也不會出現(xiàn)。“射頻中有明確的功能塊：RF 前端、混頻器、數(shù)據(jù)變換器，等等。但現(xiàn)在的問題是，沒有定義模塊的確切分區(qū)以及它們之間的接口。例如，在 PCI（外圍設(shè)備互連） Express 環(huán)境中，PHY（物理） 和MAC（介質(zhì)訪問控制）層之間有工業(yè)標準的管道接口，但是沒有定義射頻硬件內(nèi)各功能之間的接口。”

　　MIPS 無線系統(tǒng)小組執(zhí)行副總裁Carlos Leme稱：“這些接口的難度很大。這不只是一個將它們插到一起的問題。你需要觀察各塊之間RF信號的所有負載與阻抗匹配需求。”塊內(nèi)的功能也沒有明確定義。Leme繼續(xù)說：“RF 電路的分區(qū)十分復(fù)雜。塊的規(guī)格相互影響。”Leme 解釋說，技巧嫻熟的RF設(shè)計者可能選擇在電路的一個部分接受更多的噪聲，而在另一個部分補償它。Leme補充說：“正是由于這一原因，從來也不存在一個規(guī)模性的 RF構(gòu)建塊IP 市場。最終您總得與設(shè)計團隊密切合作，那它就不是真正的 IP 了。”

　　信號和噪聲

　　即使一個設(shè)計團隊會接受前面定義的構(gòu)建塊，整合過程也會是非常困難的。問題涉及可重用 IP 定義的另一個組成部分：塊應(yīng)在明確定義的引腳上有良好定義的信號。這一概念對 RF 設(shè)計的困難之處在于：RF電路和芯片其余部分之間的交互并非只涉及已定義的信號，甚至是 IP塊和芯片其余部分之間的預(yù)期路徑。這一情況可能導(dǎo)致一些有意思的問題。

　　首先，有連接問題。不能簡單地應(yīng)用一種數(shù)字化布線工具，將一個硬IP塊上的引腳連接到它們的目的地，并結(jié)束在一個工作射頻上。RF 信號路徑必須進行阻抗匹配。它們關(guān)注寄生效應(yīng)。有時，它們非常關(guān)心所需連接節(jié)點上發(fā)生的一切。

　　即使擁有到安靜、行為正常節(jié)點的阻抗匹配連接，但在所采用工藝的驗證中，會有一部分硬 IP 在芯片中的性能不同于在測試芯片中。通常，這種不可預(yù)見性的原因來自于 RF 電路與不包含已定義信號路徑的片芯上其余部分之間的相互作用。

　　Cadence的高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理Hany El Hak表示：“在 RF設(shè)計中模型有問題，這并非肯定源于從代工廠或 IP 供應(yīng)商獲得的RF模型不準確，而是因為IP設(shè)計者在構(gòu)建模型時所做的假設(shè)并不總能傳達給IP用戶。”

　　他解釋說，如果 IP 設(shè)計者假設(shè)了一個最大電源噪聲數(shù)值，您需要知道它，以驗證設(shè)計中IP上的電源腳確實沒有超過該數(shù)值。他指出：“總的來說，問題是，在RF域中存在著不遵循信號路徑的耦合與干擾。”電源噪聲只是El Hak舉出的一個例子。另一個例子是基材耦合。直到不久以前，即使最好的CMOS邏輯流程幾乎不可能得到準確的基材模型。 El Hak表示，現(xiàn)在有了那些模型，代工廠樂于分享它們。“但是基材耦合模型非常復(fù)雜。如果電路模型包含了它們，那么整體問題的復(fù)雜性會劇增。必須采用一些正式方法來降低模型的復(fù)雜性，如刪除電路不是特別敏感的寄生路徑，以使仿真切實可行。例如，在Spectre中就有完成這項任務(wù)的工具，但它不是全自動的。簡化模型的準確性仍然取決于設(shè)計者對刪簡電路的指導(dǎo)原則。”

　　驗證問題

　　由于射頻IP塊和基材、電源腳、信號腳甚至附近無關(guān)走線之間干擾的潛在可能性，即使經(jīng)驗豐富的RF設(shè)計者也會帶著某種程度的敬畏去處理集成塊的驗證。這不用驚訝，它并非一件輕而易舉之事。

　　RF設(shè)計服務(wù)工作室 Tahoe RF Semiconductor的總裁兼首席執(zhí)行官Irshad Rasheed警告說：“真正要做的是整個系統(tǒng)的驗證，而不只是IP塊。單從頂層定義系統(tǒng)就可以占到設(shè)計周期的15%~25%。一旦完成，許多設(shè)計團隊就開始用Verilog模型和足夠完成模擬/混合信號功能仿真的提取數(shù)據(jù)，從行為級對系統(tǒng)作分析。”他告誡說，直接進入 IP 集成及提供整個芯片的 GDS（圖形數(shù)據(jù)系統(tǒng)）-II 是有可能的，但是風(fēng)險極大。“基材耦合和來自數(shù)字電路的噪聲刺激的模型從來沒有那么好。VCO（壓控振蕩器）從未集中。風(fēng)險非常大。”

　　與此相反，Rasheed建議說，設(shè)計部門可在測試芯片上實現(xiàn)射頻電路。這些元件開始時可采用小型結(jié)構(gòu)，只是驗證電路模型，并發(fā)展到由數(shù)字噪聲生成器環(huán)繞的整個射頻塊，以仿真最終 SoC 上的環(huán)境。他說：“利用測試芯片，可以驗證大量的射頻行為，然后再結(jié)束整個SoC的最終掩碼。”

　　對各種情況，Rasheed 都強調(diào)頂層仿真的重要性，它要足夠抽象，能查看設(shè)計作為一個實際射頻時的行為，并且能足夠精確地預(yù)測到問題。他說：“需要能反映電路級實際情況的Verilog-A模型。實現(xiàn)這一目標需要大量的RF綜合經(jīng)驗。它需要在Spectre、RF-Spice和Verilog-A模型之間輕松地來回移動。并且它需要知道‘gotchas’（關(guān)鍵點）將位于何處，以便能夠在較高層級的模型中捕獲它們，而不會在下面的設(shè)計中遭受它們困擾。實際上，RF 設(shè)計者必須參與芯片驗證過程。”

　　Berkeley Design Automation公司的Subramanian反映出驗證工作的難度，它將RF IP的驗證分為五個階段：功能仿真、性能分析、噪聲分析、與封裝設(shè)計交互的審查，以及對工藝變量敏感度的分析。糟糕的是，盡管需要在塊整合前完成前兩個階段，但是在 SoC 的整合和布局后，所有這五步都是必要的。

　　變化性

　　接下來有變化性問題——這不但包括工藝、電壓和溫度的變化，還包括封裝和電路板的變化。放進SoC中的射頻必須采用制造 SoC 的數(shù)字CMOS 工藝。但是在該工藝的所有環(huán)節(jié)中，該芯片都必須功能正常。它必須能采用市場營銷部門為芯片構(gòu)想出的各種封裝變種。它必須能用于客戶的電路板設(shè)計。

　　在這場不平等的對弈中，RF設(shè)計者有兩種基本武器：可靠的電路設(shè)計和數(shù)字配置。從真空管時代起，第一種因素（即電路的可靠性）就一直是RF設(shè)計者的一個工具。它來自于固態(tài)電路設(shè)計經(jīng)驗、充分的仿真，而許多設(shè)計者還力舉足夠的測試芯片。但是隨著RF電路集成到數(shù)字CMOS工藝中，設(shè)計者有了一種改變射頻設(shè)計本質(zhì)的新武器：數(shù)字可配置性。

　　MIPS的Leme表示：“射頻對寄生效應(yīng)非常敏感，而寄生效應(yīng)對各個工藝變種并不穩(wěn)定，也不能準確建模。我們需要利用更多的寄生數(shù)據(jù)來改進設(shè)計工具包。但是即使如此，最終，也要采用數(shù)字修整方法使電路與工藝完美定位。我們試圖為IP增加盡可能多的可配置性。”

　　Leme認為先進CMOS工藝有助于增加可配置性。“一旦達到 90nm 或 65nm，模擬開關(guān)就非常好?？梢栽诓皇剐盘枃乐亟导壍那闆r下使用它們。”這一能力為一種設(shè)計樣式開啟了方便之門，此時數(shù)字信號可以打開和關(guān)閉開關(guān)，不但可以調(diào)整偏置電流或阻抗匹配，還可完成有源元件在信號路徑上的切進切出。

　　Subramanian 表示，這對于RF設(shè)計是一種新的設(shè)計方式。他說：“先進 的CMOS工藝對于RF 而言有其局限性，但是它們提供了大量可供使用的晶體管。這使設(shè)計者習(xí)慣于在無力實現(xiàn)規(guī)格的情況下都用晶體管來達到目的。因此，SoC 上的RF-CMOS電路傾向于遠遠大過傳統(tǒng)的RF設(shè)計：可能在其中一個上看到10 萬個晶體管。”

　　在這種新設(shè)計方式中，可配置性接受了那種在設(shè)計時未準確了解關(guān)鍵參數(shù)的懶惰。Synopsys的Nandra說，特別是對噪聲來說，模型是一個問題。“首要問題是柵極噪聲。如果要像積極的SoC設(shè)計者那樣，在工藝生命周期的早期開始設(shè)計，晶體管級的噪聲模型可能不具備準確的穩(wěn)定性。在測試芯片的劃片槽中放一些工藝監(jiān)控設(shè)備以幫助校準模型，這是一種不錯的做法。然后，可在以后在 IP 中包含測試結(jié)構(gòu)，進一步幫助校準。”來自那些結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可設(shè)置集中電路的數(shù)字參數(shù)。

　　走向IP 重用

　　RF設(shè)計中使用海量晶體管、性能監(jiān)控器和校準電路，這種做法已改變了射頻的本質(zhì)，即使之從僅有少量有源器件的優(yōu)雅小電路改變?yōu)閺?fù)雜度難以置信的數(shù)字電路，而其信號路徑上只有一些RF器件。這一演化促使我們轉(zhuǎn)向可重用RF IP的目標。
著名工程師、BroADCom工程總監(jiān)Arya Behzad坦率地總結(jié)了目前的狀況：“如果不能重新利用IP，就不可能生產(chǎn)出我們的系列產(chǎn)品。但一般來說，與數(shù)字或其他模擬IP相比， RF IP在重用時需要更多的修改。”Behzad表示，這一現(xiàn)實促使Broadcom RF設(shè)計部門根據(jù)應(yīng)用情況，有意識地設(shè)計出針對重用的射頻模塊。Behzad說：“如果我們正在為全新的市場領(lǐng)域設(shè)計一種射頻，并且我們只是想得到一些經(jīng)驗，我們可能會做一次性設(shè)計。但是，如果我們是為一個有些經(jīng)驗的市場開發(fā)完整的產(chǎn)品線，我們將計劃重用問題，盡管這要消耗一些片芯面積。理念是利用所有那些短通道器件，并且用大量這種器件使射頻更加靈活。最終，您的內(nèi)核周圍有大量電路。”

　　顯然，這種靈活性要以空間和功耗為代價。因此可重用設(shè)計并非一種教條，而是另一種工程的權(quán)衡。Behzad 說：“例如，如果您想設(shè)計一個可重用的射頻，那么可能發(fā)現(xiàn)為單入、單出射頻設(shè)計的塊中的 70% 可重新使用在MIMO射頻中，盡管MIMO射頻的要求更為嚴格。”

　　Behzad 解釋說，假定針對可重用設(shè)計了射頻，那么整合就成為這樣一個過程，即IP 的可配置性與新SoC 需求的匹配。但是這一過程本身可能比較復(fù)雜。他指出，一臺802.11n收發(fā)的數(shù)字控制大于2kB。他解釋說，“很多這些數(shù)位要與芯片的其他部分實時交互。為了驗證在新環(huán)境中的運行，需要在Verilog-A模型、數(shù)字模擬之間移動，并且在一些交互中還涉及晶體管級仿真。我們發(fā)現(xiàn)這個要求在初始化序列時特別成問題。”

　　Behzad表示，驗證塊之間的耦合是另一個難點所在。“不可能捕獲一切，例如基材或封裝耦合。問題是，當(dāng)確實需要將片芯、封裝和電路板一起建模，它將成為一個龐大的模型，而仿真無法運行。因此要做一些簡化假設(shè)，這為錯誤打開了大門。”Behzad警告說：“您不能得到最后一分貝的仿真。因此，開始時就要努力使電路對諸如噪聲刺激等事物不太敏感，這些因素難以預(yù)測或不可能終止。”例如， Behzad 指出基材耦合問題。他嘆道：“基材建模工具的聲明都言過其實。因此，在添加基材電容時您要根據(jù)自己的經(jīng)驗，還有放保護環(huán)和使用 N 井。在無法預(yù)測的地方，要使設(shè)計可靠。”所有這些措施會使RF-IP塊可重用嗎？Behzad說：“在一個公司內(nèi)部，這是毫無疑問的。但是對于第三方 IP，我不這么認為。”最后，問題又回到Subramanian有關(guān)差異化射頻與商品化射頻的觀點?？雌饋?，有了相對標準的工作電壓、極高的截止頻率，以及65nm和45nm工藝數(shù)量龐大的晶體管，應(yīng)該有可能使射頻具有足夠在各種 SoC 設(shè)計中重用的可配置性。甚至可能使IP在各個代工工藝中有相對移植能力，盡管有些設(shè)計者對于該方法的切實可行持悲觀態(tài)度。

　　但是 Subramanian 強調(diào)說，要使射頻立刻擁有針對重用的充足可配置性，對關(guān)鍵應(yīng)用足夠小的面積和足夠低的功耗，并且提供足夠的射頻性能，從而實現(xiàn)最終 SoC 的差異化，這永遠都是不可能的。Subramanian 推測說，“我認為，隨著時間的推移，我們將看到藍牙、GPS甚至電視調(diào)諧器塊可能變得足夠商品化，成為第三方IP。但是對于用射頻性能幫助最終產(chǎn)品差異化的應(yīng)用，我認為第三方 IP 將永遠不可能。”