SoC系統(tǒng)架構(gòu)師掌握產(chǎn)品意圖并作架構(gòu)選擇

近來(lái)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，一種新的工作職務(wù)正在崛起，其職稱(chēng)是“系統(tǒng)架構(gòu)師”（systems architect）。歐洲IC設(shè)計(jì)服務(wù)咨詢(xún)公司Sondrel坦言，業(yè)界越來(lái)越需要系統(tǒng)架構(gòu)師來(lái)協(xié)調(diào)SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目的每一個(gè)層面，包括確保SoC項(xiàng)目符合規(guī)格并且準(zhǔn)時(shí)且低成本。

據(jù)Sondrel設(shè)計(jì)架構(gòu)主管Paul Martin解釋?zhuān)到y(tǒng)架構(gòu)師就像是管弦樂(lè)隊(duì)的指揮?！八蛩仨殞?duì)項(xiàng)目所需的所有技能有深刻的理解，知道這些技能在項(xiàng)目順序中發(fā)揮的時(shí)機(jī)，就像指揮家所做的一樣，讓管弦樂(lè)團(tuán)的每種樂(lè)器群分別在正確的時(shí)間演奏?！?/p>

在深入說(shuō)明系統(tǒng)架構(gòu)師一職的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵之前，最重要的是知道SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每個(gè)團(tuán)隊(duì)往往都有一個(gè)特定的用戶(hù)心智模型。例如，產(chǎn)品經(jīng)理會(huì)專(zhuān)注在終端用途與產(chǎn)品應(yīng)用上。系統(tǒng)架構(gòu)師在此的工作則是著重在功能面和執(zhí)行面，并確保實(shí)現(xiàn)需求。

系統(tǒng)架構(gòu)師必須能提取產(chǎn)品需求并有效地表達(dá)，才能讓技術(shù)和非技術(shù)利害相關(guān)者無(wú)需了解過(guò)多技術(shù)細(xì)節(jié)，而能掌握產(chǎn)品意圖并作架構(gòu)選擇。

SoC架構(gòu)探索

系統(tǒng)架構(gòu)師的工作從需求獲取階段開(kāi)始，此階段要辨識(shí)、制訂和記錄所有已知的功能與指針，包括以明確完整的提案提出效能要求。這階段也要辨識(shí)尚未完全理解或?qū)?lái)可能納入的功能。系統(tǒng)架構(gòu)師在此階段還必須確定并規(guī)劃完成這些功能的驗(yàn)證與量化所需的任務(wù)。

其次，這些需求會(huì)進(jìn)入分析階段，提供設(shè)計(jì)和實(shí)施團(tuán)隊(duì)輸入的適當(dāng)構(gòu)想。這個(gè)迭代過(guò)程會(huì)針對(duì)所有的功能性產(chǎn)生包含架構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范，而其功能包括決定對(duì)于功率、效能和面積（PPA）的估計(jì)。

圖1：SoC架構(gòu)探索是一種嚴(yán)格的方法，用于獲取SoC必須執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用使用案例和數(shù)據(jù)流。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

架構(gòu)分析包括架構(gòu)探索、IP選擇和規(guī)格、需求驗(yàn)證以及項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃的產(chǎn)生并詳述后期階段的主要任務(wù)。在這里，候選架構(gòu)之架構(gòu)探索是關(guān)鍵組成要素，因?yàn)樗?jīng)由對(duì)提案進(jìn)行建模、評(píng)估已知或可參考的使用案例讓架構(gòu)設(shè)計(jì)去蕪存菁。

這種做法能夠動(dòng)態(tài)地定義系統(tǒng)拓?fù)洳⑻峁┲T如內(nèi)存、總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和配置的數(shù)據(jù)/控制路徑等資源。因此，架構(gòu)探索可以評(píng)估、驗(yàn)證連接性、時(shí)序和效能等功能面的質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)的正確性產(chǎn)生可信度。后期階段則會(huì)采用更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的模型來(lái)確定和修正架構(gòu)實(shí)施過(guò)程中的潛在錯(cuò)誤。

總而言之，系統(tǒng)架構(gòu)師會(huì)檢查探索活動(dòng)的結(jié)果，并逐漸匯整歸納出最適合SoC的架構(gòu)。然后，架構(gòu)師再與產(chǎn)品經(jīng)理溝通調(diào)查的結(jié)果，產(chǎn)品經(jīng)理可能會(huì)決定修改需求或與系統(tǒng)架構(gòu)師合作，進(jìn)一步改善該候選SoC的架構(gòu)。

系統(tǒng)架構(gòu)師：工作描述

以上主要是針對(duì)SoC設(shè)計(jì)做初步描述（即SoC架構(gòu)探索），讓人一窺系統(tǒng)架構(gòu)師的工作內(nèi)涵。西門(mén)子數(shù)字工業(yè)軟件公司（Siemens Digital Industries Software）資深副總裁兼IC驗(yàn)證解決方案總經(jīng)理Ravi Subramanian表示，系統(tǒng)架構(gòu)師需要具備一套獨(dú)特的技能資格。首先是擅長(zhǎng)在組織中跨多個(gè)層級(jí)協(xié)調(diào)的能力。

另一個(gè)重要技能是在促成SoC架構(gòu)和微型架構(gòu)規(guī)范上有實(shí)質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)Subramanian的說(shuō)法，系統(tǒng)架構(gòu)師必須了解需求、分析、規(guī)格、加工、建模、實(shí)施和驗(yàn)證/確認(rèn)的周期循環(huán)?！傲私夤ぷ髫?fù)載分析和計(jì)算機(jī)架構(gòu)效能分析也是關(guān)鍵所在。”

依據(jù)Arteris IP公司副總裁兼IP部署總經(jīng)理Isabelle Geday的說(shuō)法，擔(dān)任這項(xiàng)職務(wù)需要具備系統(tǒng)導(dǎo)向的思維，也就是需要有整體性的做法確保所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠成功。“系統(tǒng)架構(gòu)師需要對(duì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證有深入的理解，并掌握目標(biāo)應(yīng)用與領(lǐng)域的各個(gè)關(guān)鍵層面?！蓖瑫r(shí)從系統(tǒng)面根據(jù)其架構(gòu)的定義，思考有效處理安全性、保護(hù)和效能的方法。

圖2：從區(qū)塊到子系統(tǒng)再到完整的SoC設(shè)計(jì)，都需要系統(tǒng)架構(gòu)師直接或間接參與監(jiān)督。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

Isabelle Geday曾經(jīng)是總部位于法國(guó)巴黎的Magillem Design Services公司（已于2020年為Arteris IP收購(gòu)）創(chuàng)辦人兼首席執(zhí)行官。她補(bǔ)充說(shuō)，系統(tǒng)架構(gòu)師應(yīng)該了解目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)樗麄円苿?dòng)系統(tǒng)需求和衍生的相關(guān)管理。因此，必須與營(yíng)銷(xiāo)團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作、溝通才能訂定產(chǎn)品管理策略，有效處理SoC的復(fù)雜性。

Geday指出，安全與保護(hù)特別重要，因?yàn)镾oC目前在汽車(chē)、通信和國(guó)防上的應(yīng)用越來(lái)越重要。由此產(chǎn)生的壓力對(duì)半導(dǎo)體業(yè)而言是相對(duì)較新的壓力;例如2018年發(fā)布的ISO 26262第11章（Chapter 11）。

因此，系統(tǒng)架構(gòu)師一方面應(yīng)該在開(kāi)發(fā)過(guò)程中與安全、保護(hù)及效能的專(zhuān)家密切互動(dòng);另一方面，他們需要與設(shè)計(jì)及驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作，以確保系統(tǒng)可行性，進(jìn)而使系統(tǒng)付諸實(shí)現(xiàn)。

正如同Martin所指出的，另一個(gè)重要的考慮因素是將需求轉(zhuǎn)換為建模流程所需的數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)（DSL）格式。因此，熟悉可產(chǎn)生使用案例之可執(zhí)行規(guī)格與可視化的工具非常重要。 誰(shuí)有資格勝任此工作？

依據(jù)Subramanian的說(shuō)法，系統(tǒng)架構(gòu)師必須對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)架構(gòu)，包括儲(chǔ)存系統(tǒng)、軟件和硬件有深入的了解。換句話(huà)說(shuō)，系統(tǒng)架構(gòu)師需要在定義及實(shí)施運(yùn)算設(shè)備的架構(gòu)方面累積10余年的經(jīng)驗(yàn)。

系統(tǒng)架構(gòu)師必須了解需求、分析、規(guī)格、加工、建模、實(shí)施和驗(yàn)證/確認(rèn)的周期循環(huán)。因此，了解工作負(fù)載分析和計(jì)算機(jī)架構(gòu)效能分析極其關(guān)鍵。

整體而言，這相當(dāng)于在SoC設(shè)計(jì)流程、實(shí)施和驗(yàn)證的各種方法論上都積累了實(shí)質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)架構(gòu)師還必須熟悉接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格;在功率、效能、面積（亦即PPA）的專(zhuān)業(yè)知識(shí)上都能均衡掌握也是重要的加分優(yōu)勢(shì)。

圖3：在SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目的后期階段，采用了更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的模型來(lái)確定及修正架構(gòu)實(shí)施過(guò)程中的潛在錯(cuò)誤。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

正如Martin指出的，系統(tǒng)架構(gòu)師通常是透過(guò)簡(jiǎn)報(bào)、電子表格或文件了解使用案例需求。Geday說(shuō)，對(duì)此，系統(tǒng)架構(gòu)師必須運(yùn)用再利用策略將先前的設(shè)計(jì)加以發(fā)揮?！叭欢?，定義再利用策略以因應(yīng)衍生的管理，并從系統(tǒng)層面考慮變化性并非易事?！?/p>

這需要以系統(tǒng)級(jí)的表示法將現(xiàn)有的IP與子系統(tǒng)等信息加以整合，用于推導(dǎo)架構(gòu)的定義;失效模式和影響分析（FMEA）就是一個(gè)很適當(dāng)?shù)陌咐?。Geday說(shuō)：“再利用策略需要有一致的自制或外購(gòu)策略之支持。外購(gòu)可節(jié)省時(shí)間而自制可獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)確保最終都能符合內(nèi)部與外部IP以及由此產(chǎn)生的SoC設(shè)計(jì)?！?/p>

系統(tǒng)架構(gòu)師：工作分析

在充份解釋系統(tǒng)架構(gòu)師各方面的工作后，為了更加清楚起見(jiàn)，逐步分析這份工作的內(nèi)涵也很重要。依據(jù)Subramanian的說(shuō)法，系統(tǒng)架構(gòu)師在SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的工作流程，典型細(xì)分如下：

需求獲?。喊ㄅc產(chǎn)品管理部門(mén)合作以取得全面的產(chǎn)品需求摘要。

產(chǎn)品分析：這涉及建立架構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范，其中包括估計(jì)功率、效能與面積。這需要全面了解如何將SoC整合到終端平臺(tái)，并明確定義使用案例與軟件工作負(fù)載，讓SoC成功受到采用。

架構(gòu)規(guī)范：系統(tǒng)架構(gòu)師必須確保產(chǎn)品分析的輸出或SoC架構(gòu)的定義能夠符合要求與使用案例的驗(yàn)證方法。

架構(gòu)探索：包括探索、IP選擇和規(guī)格、需求驗(yàn)證以及項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃的產(chǎn)生，并詳細(xì)闡述主要工作任務(wù)。架構(gòu)設(shè)計(jì)是透過(guò)對(duì)架構(gòu)提案建立模型并評(píng)估已知或可參考的使用案例來(lái)完成。因此，所有功能層面，諸如連接性、時(shí)序、效能等都要經(jīng)過(guò)評(píng)估和驗(yàn)證，以確保設(shè)計(jì)正確性的可信度。后期階段要采用更詳細(xì)、更準(zhǔn)確的模型，用來(lái)確定及修正架構(gòu)實(shí)施期間的潛在錯(cuò)誤。

建模：這需要開(kāi)發(fā)必要的模型并改進(jìn)建模方法。

實(shí)施及驗(yàn)證：這個(gè)階段涵蓋從區(qū)塊到子系統(tǒng)再到SoC之實(shí)施及驗(yàn)證。

使用案例驗(yàn)證：這涉及需求階段所定義的使用案例與工作負(fù)載的驗(yàn)證。

系統(tǒng)整合驗(yàn)證：這需要在系統(tǒng)環(huán)境的特定使用案例下驗(yàn)證SoC與工作負(fù)載，例如在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）設(shè)計(jì)中可在SoC上運(yùn)作的軟件。

圖4：建模能夠探索未知，模型中的錯(cuò)誤比在SoC中更容易修正。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

系統(tǒng)架構(gòu)師工作的藍(lán)圖仍隨著SoC的發(fā)展而演變著。然而，這項(xiàng)新工作的基本原則在未來(lái)仍然可能適用。同時(shí)，在人員數(shù)、工具和單次工程費(fèi)用（NRE）等方面的龐大費(fèi)用將更突顯出SoC系統(tǒng)架構(gòu)師重要性。

審核編輯：郭婷