复杂的多核心ARM集成设计面临的挑战和提出的解决方案

最近，英国Ascot的Agere系统公司 ASIC设计中心从一个重要客户处收到一份富有挑战性的简报：将8个 ARM966E-S r1p0 处理器子系统集成到单芯片上。
　　尽管这项任务很复杂，但是仅花了11个月就完成了4M-gate 5Mbit 的设计。目前，芯片已投入生产，并作为首次推出的基础设施的一部分，于2002年在欧洲首次使用。整个芯片是第三方和Agere设计经验的合作成果，Agere负责提供ARM子系统设计经验和芯片集成知识，而第三方提供特定用途知识产权。

　本文不仅概括了小组在开发设计过程中遇到的挑战，还提供了对所采用的解决方案的深刻见解。使用的技术有Agere的0.16um 6LM (金属层) 1.5V/3.3V处理，且连线到456 PBGAM数据包，以及Agere的内部EDA工具集、用于合成的Synopsys的设计编译器、用于静态时序分析的Primetime、用于测试插入和矢量生成的DC-XP/Tetramax和用于功耗分析的Primepower。小组使用了Avanti Apollo/Saturn 的布局规划和时钟树综合(CTS)技术、Mentor Graphics的Modelsim RTL 仿真技术和Cadence的NCVerilog 功能门仿真技术。 Celerity是用于Spice仿真的解决方案，而AssuraSI是用于信号集成分析的解决方案。

　　ARM966E-S子系统
　　本设计是分等级的，它将ARM966E-S子系统排在最低级别。子系统的结构如图所示。
　　每个ARM966E-S子系统在每段设计里可使用2次，并同时添加第三方IP。而该段在设计中被复制4次。在层次的上一级也包括了第三方IP，最后，包括Agere所有的IO和测试结构。该结构在图2中有说明。使用该设计结构，Agere提出了SoC设计，即当设备中的最低核心电压是1.32V，接合温度达到125 摄氏度，且使用最慢处理特性时，这种设计最少能容纳1280 MIPS，是基于每个ARM966E-S核心160 MIPS的一种测量方法。在这些条件下，限制MIP数目的因素不是ARM966E-S核心（在这种技术下能达到200MIPs），而是指令/数据紧密耦合内存 (TCM)的大小和形状，以及AMBA 高速总线 (AHB)的物理长度。在Agere的最新技术(0.13um)里，已获得不止两倍的性能，同时使用AMBA 3.0 AXI协议，克服了AHB的局限性。

　　子系统设计工艺基础是Agere的 "AHB Supercore macrocell"。 Agere利用子系统的开发经验，使Supercore满足了SoC设计的要求。这就要求更改TCM配置，包括将部分数据TCM内存映射变为双口RAM。而且，增加了一个双向的外部存储接口(EMI) 和一个定制的矢量中断控制器(VIC)。

　　测试设计功能性
　　一旦完成ARM966E-S子系统的RTL设计，Agere的工程师就创建了一套系统测试，以证明设计的功能性。除了可以测试ARM提供的矢量外，还可以测试合成的ARM966E-S核心的有效性。用于测试子系统的测试基准使用了Synopsys LMC (逻辑模型化公司)软内存模式仿真TCM。

　　该测试组件还用于检验各个步骤的分块合成和构造。一旦子系统设计人员确定了整个设计的合成，就会在融合到整个SoC设计前，将单独的验证结果传给SoC设计人员。为了遵守ARM许可协议，无需ARM966E-S门级连线表，而是与ARM966E-S DSM系统仿真的DSM（设计仿真模式）一并传给第三方。

　　这是一个复杂的SoC设计，不仅需要测试性能，还需要相关的调试。将BIST、SCAN和边界扫描结构包含在内，才有可能对整个设计的高故障覆盖生产进行测试。如果需要调试，除了需要一个结构外，还需添加支持ICE在线仿真的ETM9 （内置的踪迹模块）。

　　尤其是扫描技术，它不同于以往一次性扫描整个芯片的方法。每个分层的扫描都是单独进行的，然后合并起来进入上一级。这里主要的工作区将所有以前扫描过的子模块当作黑盒子来处理，直至插入了扫描。之后在填写设计连线表前，子模块代替设计中的黑盒子，为上一级扫描和合并做准备。这个过程在4 种不同层次上都有重复。从设计开始，Synopsys已发布了新版的设计编译器，Agere用它成功扫描和编译了许多复杂的分级设计，而无需精心制作的脚本。

　边界扫描结构设计使所有IO计时在IO和电压转换结构中都是可预料的。这应当通过创建IO缓冲和边界扫描物理布局宏单元获得。这些宏单元与Agere的BCADu软件相结合，建立最高级IO连接。每种接入接出宏单元都转换为正确的电压，并接收不同的扫描输入和输出。

　 这就意味着功能信号在核心内不会与扫描信号相混淆。从而，随着设计的进行，实现从顶级透视预测整个时序。IO环设计的另一特性是将边界扫描时钟TCK发送给数据的另一端。这就消除了与TCK有关的任何保留时序问题，同时意味着不必担心时序平衡和芯片外围的TCK时钟树。

　　由于这种设备是基于ARM的，且具有ICE性能，与IO边界共享JTAG端口，所以需要进行扫描。设计的TDO针需要在每两个测试结构间复用。为了实现这一特性，将边界扫描控制器（Agere开发的BCAD软件部分）变为可支持边界扫描或ICE。
　　复杂设计需要足够的调试性能
　　ICE和ETM性能都添加到SoCy设计中。在设计规格阶段，为每个ARM966E-S提供一个独立的ETM9，费用会很大，而且因为8 个ARM966E-S都具有同一功能，所以只需要其中的一个ARM966E-S。因此单个的ETM9放在核心最上层，并连接到单芯片的单ARM966E-S核心中，其它三个芯片的ETM接口未被连接。

　　SoC 设计的ICE性能需要依靠所有8个ARM966E-S核，能经由设备的JTAG端口，通过TDI/TDO信号进行通信。因为拥有多个JTAG端口的解决方案并不很实用，因而有必要利用ARM966E-S的菊花链通信性能。菊花链控制的说明见图3。菊花链系列连接要求在每两个ARM966E-S核间进行数据传送，并意味着较低级别的TCK时钟平衡变得重要了。为了使多ICE能以实用的调试速率运行，TCK时钟树必须首先在芯片间，然后在芯片内的ARM966E-S间达到平衡。

　　因为设备不包含只读存储器（ROM），所以在通电时，需要启动系统将软件下载到每个核。需通过主要外部接口，到达每个子系统的AHB基础存储器。然后处理器开始启动，并将主程序传输到内核的指令TCM。
　　富有挑战性的物理执行
　此Soc设计的物理执行是使用Avanti的 Apollo 和Saturn来实现TDL(时序驱动布局)和CTS (时钟树整合)的。目前Synopsys Astro已经替代了这个流程。8个内核的设计，可能产生有趣的挑战。设备的形状由ARM966E-S子系统的大小和形状规定，并受芯片形状和大小的影响。通过这个设备的数据流主要是单向的，同时影响到平面布局图。这就意味着唯一的可能就是在各自顶端堆叠芯片。于是要求制定长线（> 3mm）转发器信号策略，同时，因为每个芯片与来自芯片四个方向的信号通信，所以要求大量的转发器元。这就迫使Agere的设计小组在平面布局图中采用转发器区域，管理利用转发器元的数量。随着信号传送距离变长(> 20mm)，就会对计时产生影响，于是要求重新设计SoC的某些方面，以提供更多的管线级数，确保时序不受干扰。

　如果这个设计很大(> 140mm^2)，有大量的初级IO信号，同时大于数据中的125K触发器，那么就应特别注意其功耗、IR压降及IO和时钟交换引起的噪音。通过精确的嵌入时延管理，确保每个芯片的计时，从而减少设备功耗、IR 压降和时钟噪音。芯片外的电路记录对边的时间，另外金属的附加级也添加，仅用于功率路由。然而即使利用这些技术，设计人员仍认为电压能降到1.32V（Agere0.16um 1.5V 库中最小的典型电压）。随后计时分析和模拟这个更低的电压特征，并产生设备计时分析和模拟的SDF（标准时延格式）。

　对这一种类的设备，另一值得考虑的事项是地面反弹分析。需要考虑要求的VDD 和VSS板的数目，然后使用Celerity SPICE模拟器对芯片进行仿真，同时使用所有的输出交换。相应地，测量输出缓冲驱动容量，调整VDD/VSS板的数目和基调。然后再进行一个相似的仿真，评估内核电源板的需求。最后由于这是一种混合的电压设计，我们为3.3V交换 IO 和1.5V内核电压重新设计一个标准的数据基底，以合并电源层，从而减少连接到VDD 和VSS电源的感应。

　Agere实现了布局内的时序闭合后，就会利用其信号集成分析工具方法，评估假信号问题，以及信号耦合引起的时序问题。图4演示了Agere的SI流程。

当时，这个方法还是相对较新的。这些工具虽然已经十分先进了，但仍没有现在的先进。于是导致了许多反复设计，在修复了潜在问题后，再进行进一步的信号集成分析，这样才能完成整个设计。

这样的设计以及许多同样复杂的后续设计的结果是：Agere工具的信号集成能力得到很好的调整，以致于单个信元具有独特的门限特征，产生了新的SI 加强型信元（hardened cell），以及用于更高精度模块化的单网分析。这就使易受当前信号完整性问题影响的网络数量大幅下降，从而让我们能集中精力解决真正的问题。相应地，Agere现在利用了Synopsys Astro Cross-talk工具进行布局设计，并采用时钟屏蔽作为标准，消除时钟故障问题。同时，Agere 还采用了Cadence的Celtic工具代替图4 SI 流程中的Assura工具。

总之，这是个十分苛刻的SoC设计，需要开发新的设计技术才能成功实现。这些技术已经逐渐被应用到Agere的其它设计中，而且到目前为止，位于英国Ascot 的Agere设计中心已完成了7种不同技术的基于ARM的设计，包括Agere最新的0.13um技术，而整个公司已经拥有了30种基于ARM的设计方案。