何為嵌入式SoC IC，嵌入式SoCIC的設(shè)計方案解讀

SoC（System on Chip）可以譯為"系統(tǒng)集成芯片"，意指它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容；SoC也可以譯為"系統(tǒng)芯片集成"，意指它是一種技術(shù)，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。

作為ASIC（Application Specific IC）設(shè)計方法學(xué)中的新技術(shù)，SoC始于20世紀(jì)90年代中期。1994年MOTORLA發(fā)布的Flex CoreTM系統(tǒng)（用來制作基于68000TM和Power PCTM的定制微處理器）和1995年LSI Logic公司為SONY公司設(shè)計的SoC，可能是基于IP（Intellectual Property）核完成SoC設(shè)計的最早報導(dǎo)。由于SoC可以充分利用已有的設(shè)計積累，顯著地提高ASIC的設(shè)計能力，因此發(fā)展非常迅速。在2000年的CICC（Custom IC Conference）會議上，MOTORLA SoC 設(shè)計技術(shù)研究部主任 Joe Pumo作了主題報告（key note），題目是"SoC：The Convergence Point for Solution of the 21st century[1]。CICC是ASIC設(shè)計領(lǐng)域最高層次的國際學(xué)術(shù)會議。它的主題報告一般代表著ASIC設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢，也說明SoC在ASIC學(xué)術(shù)界和工業(yè)界受到重視的程度。本文擬對嵌入式SoCIC的設(shè)計方法和流程作些討論。

一、系統(tǒng)集成芯片（SoC）是IC設(shè)計的發(fā)展趨勢

（1）隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，超大規(guī)模集成電路和集成度和工藝水平不斷提高，深亞微米（deep-submicron）工藝，如0.18μm、0.13μm已經(jīng)走向成熟，使得在一個芯片上完成系統(tǒng)級的集成已成為可能。

（2）各種電子系統(tǒng)出于降低成本、減少體積的要求，對系統(tǒng)集成提出了更高的要求。

（3）高性能的EDA工具得到長足發(fā)展，其自動化和智能化程度不斷提高，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了功能強大的開發(fā)集成環(huán)境。

（4）計算機硬件平臺性能大幅度提高，使得很復(fù)雜的算法和方便的圖形界面得以實現(xiàn)，為復(fù)雜的SoC設(shè)計提供了物理基礎(chǔ)。

IC技術(shù)的迅速發(fā)展得益于IC產(chǎn)業(yè)內(nèi)部的細(xì)致分工，SoC技術(shù)正是IC產(chǎn)業(yè)分工的體現(xiàn)。確切地說，60年代的IC產(chǎn)業(yè)應(yīng)該是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，當(dāng)時的廠家沒有分工，所掌握的技術(shù)十分全面，最典型的代表就是Fairchild公司，不但生產(chǎn)晶體管、集成電路，就連擴散爐都自己制作，如圖2中的第一行所示。到了70年代開始分工，半導(dǎo)體工藝設(shè)備和ICCAD設(shè)備成為獨立產(chǎn)業(yè)，以其精湛的專業(yè)技術(shù)為IC廠家提供高質(zhì)量的設(shè)備。此時IC廠家可以有更多的精力用于產(chǎn)品的設(shè)計與工藝的研究。到了80年代，工藝設(shè)備生產(chǎn)能力已經(jīng)相當(dāng)強大，而且費用也十分昂貴，IC廠家自己的設(shè)計已不足以供其飽和運行。因此開始承接對外加工，繼而由部分到全部對外加工，形成了Foundry加工和Fabless設(shè)計的分工。IC產(chǎn)業(yè)的這一次分工，再加上ICCAD工具發(fā)展為EDA系統(tǒng)和大批沒有半導(dǎo)體背景的系統(tǒng)設(shè)計師提供了直接介入IC設(shè)計的條件。由于系統(tǒng)設(shè)計師來自國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，因此使得IC的作用也滲透到各行各業(yè)，開拓了IC的應(yīng)用領(lǐng)域，擴大了對IC的需求。80年代的這次分工是IC發(fā)展過程中的一次重要分工，極大地推動了IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

二、何為嵌入式SoC IC

SoC（System on Chip）是指集系統(tǒng)性能于一塊芯片上的系統(tǒng)級芯片。它通常含有一個微處理器核（CPU），有時再增加一個或多個DSP核，以及多個或幾十個的外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器（RAM、ROM）等。嵌入式SoC更是針對應(yīng)用所需的性能，將其設(shè)計在芯片上而成為系統(tǒng)操作芯片。芯片的規(guī)模常?？梢赃_(dá)到數(shù)百萬門甚至上千萬門以上，所以嵌入式SoC是滿足應(yīng)用的系統(tǒng)級的集成電路產(chǎn)生，一方面要滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，另一方面也要滿足市場上日新月異的對新產(chǎn)品的需求，因此嵌入式SoC的設(shè)計也代替了高科技的設(shè)計方法和程序。只有在不斷地發(fā)展優(yōu)化下，嵌入式SoC才能提供設(shè)計周期短而性能優(yōu)異的產(chǎn)品。因此，要掌握嵌入式系統(tǒng)芯片的設(shè)計，就要了解其設(shè)計方法和流程。

三、嵌入式SoC IC的設(shè)計方法和流程

SoC IC的設(shè)計原則，就是盡可能重用各種功能模塊并集成為所需的系統(tǒng)級芯片。讀到設(shè)計重用，必須對重用時需要考慮的因素作一些說明。首先，重用的功能模塊要有詳盡的說明書，對模塊的功能和適用范圍以及芯片集成時的總線接口進(jìn)行說明。其次，要提供該模塊過去已實現(xiàn)的生產(chǎn)工藝。第三，要提供用于測試該模塊的測試程序及測試平臺。最后，也是最重要的，就是模塊的設(shè)計內(nèi)核。通常提供的設(shè)計分為“軟模塊”和“硬模塊”兩種?！败浤K”只提供RTL語言描述，可以用EDA綜合工具產(chǎn)生電路。它的優(yōu)點是比較靈活，可以根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝產(chǎn)生對應(yīng)的電路。“硬模塊”提供的是已經(jīng)完成的電路物理設(shè)計（physical design），也就是版圖的設(shè)計（layout）。它的缺點是一旦生產(chǎn)工藝改變就不能夠再使用了，即使是在采用同樣生產(chǎn)工藝的情況下，由于模塊的物理尺寸已經(jīng)確定因而也影響了布局（floor-plan）的靈活性；它的優(yōu)點是在設(shè)計采用同樣生產(chǎn)工藝的產(chǎn)品并且其物理尺寸不影響芯片布局的情況下，能夠直接采用，不用重新設(shè)計。由于半導(dǎo)體工藝發(fā)展極快，通常重用“軟模塊”比較多。

目前，在歐洲和北美已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界形成了基于IP（Interllectual Property）總線模塊的重用標(biāo)準(zhǔn)，對于重用的各個因素都有明確的規(guī)定。我國的IC設(shè)計產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展，應(yīng)該盡快建立自己的重用標(biāo)準(zhǔn)，與國際接軌。

通常SoC IC的設(shè)計方法有兩種：一種是基于模塊（module-based）的設(shè)計方法，另一種是“門海”（sea-of-cell）的設(shè)計方法。

Module-based的設(shè)計方法是指各個單元模塊完成各自的RTL和電路綜合以及版圖設(shè)計，然后，在頂層完成整個芯片的版圖設(shè)計。這種方法的優(yōu)點是當(dāng)個別模塊進(jìn)行修改進(jìn)，不會對整個芯片的設(shè)計產(chǎn)生較大的影響。它的設(shè)計流程如圖1所示。

Sea-of-cell的設(shè)計方法指的是在各個單元模塊完成RTL后，直接對整個芯片進(jìn)行綜合，產(chǎn)生整個芯片的網(wǎng)表，然后，完成整個芯片的版圖設(shè)計。它的優(yōu)點是能夠節(jié)省芯片面積，缺點是一旦某個模塊修改了，整個芯片要重新做綜合和版圖設(shè)計。它的設(shè)計流程如圖2所示。

四、SoC IC滿足的時序要求

由于SoC IC的規(guī)模一般都非常大，因此各個模塊用于綜合（synthesis）的約束條件必須基于整個芯片的時序要求來產(chǎn)生，才不至于對整個芯片的Timing產(chǎn)生影響。Synopsys公司的Design Budgeting工具能夠根據(jù)芯片頂層的約束條件對整個芯片以及子模塊的約束和時序進(jìn)行分配和控制，并且產(chǎn)生以此為基礎(chǔ)的各個子模塊的約束條件用于電路綜合，由于芯片頂層以及模塊之間的時序已經(jīng)得到平衡考慮，許多時序問題（timing violations）已經(jīng)預(yù)先得到控制，能夠減少后期對設(shè)計進(jìn)行反復(fù)修改的次數(shù)。

在對電路進(jìn)行驗證（verify）的時候，除了驗證功能正確外，還要驗證工作時序的正確性。通常的方法是編寫專門的測試程序，運行EDA仿真工具來完成，這通常稱為動態(tài)仿真（dynamic simulation）。由于SoC IC的規(guī)模比較大，仿真（simulation）運行的時間比較長，尤其是在完成版圖設(shè)計后做后仿真（postlayout simulation）的時候，因此，我們要引入靜態(tài)時序分析的方法（static timing analysis）。它是從電路的連接和布線上來推測貪污傳輸?shù)臅r序，因此當(dāng)電路的工作時鐘和約束條件確定后，電路中信號傳輸時的設(shè)定時間（setup time）和保持時間（hold time）也已經(jīng)確定，通過靜態(tài)時序分析就可以把那些不滿足要求的路徑或電路單元找出來，提供修改設(shè)計的依據(jù)。它的特點是運行時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于動態(tài)仿真。許多電路的時序問題可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)而不用等到動態(tài)仿真完成，因而可以幫助我們縮短設(shè)計周期。常用的設(shè)計工具有Synopsys公司的Primetime和Cadence公司的Pearl。

IC工藝的發(fā)展也給人們帶來一些憂慮，這就是所謂的"極限"問題。擔(dān)心Moore定律是否有效，現(xiàn)行的硅基工藝還能持續(xù)多久？這個問題已經(jīng)討論了10年。在這10年的IC發(fā)展中可以得出這樣的結(jié)論：21世紀(jì)，起碼是21世紀(jì)前半，系統(tǒng)集成仍然是以硅基工藝實現(xiàn)。盡管微電子學(xué)在化合物和其他新材料方面的研究取得了很大進(jìn)展，但全世界數(shù)以萬億計的設(shè)備和技術(shù)投入，已經(jīng)使硅基工藝形成非常強大的產(chǎn)業(yè)能力。同時，長期的科研投入已使得人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達(dá)到十分深刻、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。產(chǎn)業(yè)的能力和知識的積累決定著硅基工藝起碼將在30~50年內(nèi)起骨干作用，還將繼續(xù)發(fā)展。即使是Moore定律不再有效，硅工藝為IC設(shè)計提供的加工能力也足夠使用幾十年。

五、版圖設(shè)計

對于復(fù)雜的SoC IC，其版圖設(shè)計（layout）也是非常復(fù)雜的。隨著半導(dǎo)體工藝的越來越精密，芯片的規(guī)模越來越大，版圖布線的負(fù)荷已成為主要的時序影響因素，所以自動布局布線的時序分析成為設(shè)計的重點。無論采用module-based的設(shè)計方法還是sea-of-cell的方法，最好要采用時序驅(qū)動（timing driven）的版圖設(shè)計方式，這樣，可以確保前端各個層次的設(shè)計約束條件延伸到物理設(shè)計（physical design）中去。具體做法是將綜合電路的約束條件轉(zhuǎn)化為Layout工具可以識別的格式，用來驅(qū)動Layout工具完成設(shè)計。此外，為了保證電路的時鐘到達(dá)各時序單元的時間的一致性，需要在各時鐘路徑上插入時鐘樹（clocktree），通過一定的約束條件，Layout工具可以通過平衡時鐘路徑之間的差異（skew），自動完成時鐘樹的生成。通常的版圖設(shè)計流程如圖3所示。

最后，當(dāng)布局布線完成之后，還要做DRC和LVS的檢查。DRC（Design Rule Check）是檢查版圖設(shè)計定否符號生產(chǎn)工藝的物理規(guī)則要求；LVS（Layout Versus Schematic）是檢查版圖設(shè)計是否與電路設(shè)計一致。只有當(dāng)這兩項檢查都通過后，版圖設(shè)計的工作才算完成。我們通常采用Cadence或Avanti公司的Layout檢查工具。

再要一提的是，當(dāng)生產(chǎn)工藝小于0.35μm以下時，尤其在采用同步電路設(shè)計方法時，因為布線而造成的時序差異和延遲常常超過模塊中電路設(shè)計的差異和延遲。因此，在Layout時對布局設(shè)計和時鐘樹生成需要仔細(xì)考慮。Layout完成后的時序分板是做好設(shè)計的關(guān)鍵。這也是選擇基于模塊設(shè)計方法或是“門?！痹O(shè)計方法時要考慮的因素之一。

對于深亞微米的版圖設(shè)計，還有兩個因素要考慮。一個是當(dāng)走線過長時產(chǎn)生的天線效應(yīng)（antennaeffect）會對電路的時序產(chǎn)生影響。解決的辦法是在長走線中插入天線二極管（antenna diode），用于抵消天線效應(yīng)。另一個情況是當(dāng)兩條平行的走線非常靠近的時候，它們之間的偶合效應(yīng)會產(chǎn)生交叉干擾（cross-talk），也會對電路的時序造成不利影響。解決的辦法是在線路中加入buffer來克服，采用Cadence公司的Signal Integrity工具可以分析出交叉干擾出現(xiàn)的電路部分并結(jié)合Layout工具自動完成buffer的插入。

芯片端口（I/O PAD）的設(shè)計也是SoC IC設(shè)計的重點，除了要考慮靜電保證ESD、驅(qū)動能力等因素外，還要考慮到當(dāng)兩個PAD靠得很近的時候，它們之間的耦合效應(yīng)會形成寄生三極管（parasitic transistor）效應(yīng)，影響I/O PAD的正常功能。

SoC IC通常都是數(shù)?；旌想娐罚鎴D設(shè)計的核心是防止噪聲干擾。通常要從兩個方面來考慮：一是在布局時盡量使相互容易受干擾的模塊分開得遠(yuǎn)一些；二是數(shù)字電路和模擬電路要采用不同的電源和布線。

六、SoC IC的測試設(shè)計DFT（Design For Test）

芯片的測試，一方面是為了保證芯片的質(zhì)量和可靠性，另一方面也要滿足低成本的生產(chǎn)目的。過去，傳統(tǒng)的測試方法是把我們用于功能仿真的測試程序轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)測試程序輸入測試儀器。它的缺點是測試時間長，尤其是高覆蓋率（test coverage）的要求下，對于大規(guī)模的SoC IC，其成本將非常高?，F(xiàn)在，通常采用插入測鏈（scan chain）的方法，使得芯片中的時序單元在測試模式下連接成移位寄存器（shift register），然后，采用ATPG（Automatic Test Pattern Generator）工具產(chǎn)生的測試向量，能夠有效地對芯片完成測試。測試時間大大縮短，也能達(dá)到高于90%的覆蓋率，保證產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠性。許多EDA工具如Synopsys公司的Design Compiler和Mentor公司的DFT Aduvisor/Fastscan都可以幫助完成這一工作，自動化程序相當(dāng)高。當(dāng)然，這一方法的代價是會增加芯片的面積。需要指出的是，采用插入測試鏈的方法只適用于同步電路設(shè)計，而且在電路的RTL設(shè)計階段就要把這一因素考慮進(jìn)去。對于異步電路的測試主要還是通過功能測試完成。

由于SoC IC比較復(fù)雜，芯處中需要設(shè)有專門的測試控制模塊（test control module），將整個芯片分為若干個測試組，每個部分都有獨立的測試鏈完成測試。結(jié)合若干個芯片端口完成整個芯片的測試控制。

結(jié)束語

設(shè)計計劃考慮項目：

Product Design specification（產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格書）

Design methodology and EDA tools selection（設(shè)計方法和設(shè)計工具的選擇）

Database structure（and choose a Database Manager）（設(shè)計數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)）

Naming convertion（命名規(guī)范）

IP Module re-use consideration （IP模塊重用的考慮）

Test plan（測試計劃）

Chip Integration plan（整個芯片的集成計劃）

Design schedule（設(shè)計時間表）

Design Resources requirement plan（設(shè)計的人力和軟硬件需求計劃）

Detail design task check off list。（詳盡的設(shè)計任務(wù)完成情況檢查表）

SoC IC成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心已是不爭的事實，一個人或幾個人包打天下的可能性已經(jīng)很小。有效利用“重用”功能模塊和強大EDA工個的支持是SoC IC設(shè)計的基礎(chǔ)，而采用好的設(shè)計方法和流程、解決好Timing Closure和Testability是SoC IC設(shè)計的核心。如果說在IP模塊設(shè)計中更多體現(xiàn)物理背景的話，包括電路的、器件的、工藝的，甚至分子的、原子的，那么系統(tǒng)級設(shè)計將更多體現(xiàn)系統(tǒng)背景，包括功能的、行為的、算法的、架構(gòu)的、設(shè)置思路的。赤橙黃綠青藍(lán)紫，系統(tǒng)集成的廣譜背景襯映著一個七彩紛呈的絢麗世界。