Si3P 之 intelligence
时间：2021-08-19 15:10:01
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[导读]文章导读在本公众号前面一期的文章中，本文作者首次提出一个新的概念：Si³P，用于加深对SiP含义的理解，其目的是为了使读者更为深入，更为全面、更为系统化地理解SiP中包含的相关技术。在这篇文章中，作者就Si³P中的intelligence做详细解读，是为深入解读Si³P的第三篇文...
文 章 导 读在本公众号前面一期的文章中，本文作者首次提出一个新的概念：Si³P，用于加深对SiP含义的理解，其目的是为了使读者更为深入，更为全面、更为系统化地理解SiP中包含的相关技术。在这篇文章中，作者就Si³P中的intelligence做详细解读，是为深入解读Si³P的第三篇文章。
前面两期文章，关于Si³P中的 integration 和interconnection做了详细的解读，文章受到了许多读者的欢迎和肯定，这里，我们对Si³P中的intelligence做详细解读。intelligence中文翻译为智能、智慧。智能，通常认为是智力和能力的总称。从感觉-->思维-->记忆这一过程，称为智力，智力结果产生了行为和语言，将行为和语言的表达过程称为能力，两者合称智能。将感觉、思维、记忆、行为、语言的整个过程称为智能过程，它是智力和能力的表现。参看下面两张图，我们可以将智能（智力 能力）和“智能系统”做对应的理解。从智力所包含的感觉、思维、记忆来说，可对应与智能系统的传感器、处理器、存储器。
能力包含的行为和语言对应智能系统的“硬件执行”和“软件执行”，简称为硬件和软件。从计算机语言来描述：智力更强调【输入 运算 存储】，而能力则强调【执行 输出】。对于实现微系统平台的SiP来说，一个结构合理的系统，一个工作可靠的系统，一个功能完备的系统是我们设计的目的。
对于一款SiP，结构合理可以从integration（2D、3D）着手，工作可靠则重点关注interconnection（电磁、热、力），而功能完备性是我们现在需要讨论的智能化intelligence 。
我们分四个方面对SiP的功能完备性、智能性（intelligence）进行讨论：
1 系统功能定义（Function definition of System）
- 输入 运算 存储；执行 输出
SiP作为智能系统的一部分，随着系统对智能化的要越来越高，SiP也需要具备智能化的元素，从智能化的角度去考虑SiP的研发和设计。如果一个SiP要成为一个完整的智能系统，则需要包含输入、运算、存储、执行、输出等单元。这样的SiP就需要配备有传感器、CPU、存储器、执行机构、输出接口等，以及相配套的软件，才能成为真正的智能系统。- 功能的合理裁剪
- 解决兼容性问题
2 产品应用场景（Product application scenarios）
在SiP产品研发中，要充分考虑产品最终应用场景和应用环境的需要，并在设计中采用相应的策略。例如，应用在深空探测的宇宙飞船或者卫星中的SiP，需要考虑空间环境中工作的可靠性，除了采用辐照性能好的芯片，还需要在设计中采用诸如三模冗余等设计方法。此外，由于深空探测距离远，无法及时和地球进行通信，需要其系统的处理能力足够强，遇到紧急情况可自主决策，如果SiP是作为主控计算机，设计则需要有足够强大的处理器来进行自主决策。
如果一颗SiP是应用在智能手机中，其设计思路则会完全不同，除了功能强大以满足智能手机的各种APP需求外，还需要考虑低功耗设计，使手机有更长的续航时间。如果一颗SiP是应用在智能汽车中，其要求又会有所不同，因此，设计师同的设计思路同样需要相应的调整。......3 测试和调试（Testing and Debugging）
一般情况下，测试是去发现可能潜在的问题，调试是想办法解决已经发现的问题。一颗SiP，其测试和调试时间可能需要占其研发时间的一半以上。
测试的种类很多，包括功能测试、性能测试，以及机械强度、热冲击、扫频震动、恒定加速度等测试，还包括老练试验、ESD试验、抗辐照试验等，主要根据前面提到的产品的应用场景来合理安排相关测试项目。调试则通过模拟实际的工作环境，并通过软硬件配置和工作状态的改变来解决或者确认已经发现的问题，对于无法通过调试解决的问题，则需要重新进行设计。在定义SiP和外界通信的通道时，除了满足正常工作时的功能需求，还需要满足测试、调试以及问题分析的需求。在SiP封装引脚的定义上，需要专门为测试和调试留有通道，这样就便于发现潜藏的问题和后续问题分析。对于SiP的功能测试和性能测试，通常分为机台测试和板级测试两部分。机台测试：机台测试一般是测试SiP在不同工作状态下，即满足不同功能需求情况下的电参数，例如不同网络在不同工作模式下的的电流值和电压值，通常包括常温测试（25°C），低温测试（-40°C，-55°C）高温测试（85°C，125°C），根据使用环境的不同定义不同的低温和高温。
板级测试：板级测试通过模拟SiP的实际工作情况，对SiP的各种功能和性能进行测试。为了测试充分，需要编写相应的测试案例，同时也需要在常温、低温和高温下进行测试。
4 软件及算法（Software and Algorithm）
软件和硬件是一个电子系统互相依存的两大部分，在SiP系统中两者缺一不可，软件和硬件的关系主要体现在以下3个方面。
⑴ 软件和硬件互相依存，硬件是软件赖以工作的物质基础，软件的正常工作是硬件发挥作用的途径。⑵ 硬件和软件无严格界线，在许多情况，系统的某些功能既可以由硬件实现，也可以由软件来实现。因此，软件与硬件在一定意义上说没有绝对严格的界限。 ⑶ 硬件和软件协同发展，软件随硬件技术的发展而发展，而软件的不断发展与完善又促进硬件的更新，两者交织发展，缺一不可。
从上面软件和硬件的关系和可以看出软件对于系统的重要性，如果没有软件，SiP的不能实现其正常功能，其智能化更是空中楼阁。
通常，和SiP研发过程及产品应用相关的软件包括以下类型的软件：
1）测试软件
机台测试软件通过Verilog或者VHDL语言编写测试激励和器件模型，然后通过仿真工具转成.vcd等格式的文件（波形文件），在测试机台中导入成为测试向量。
测试向量（test vector）是每个时钟周期作用于器件管脚的用于测试或者操作的逻辑1和逻辑0数据，其中逻辑1和逻辑0是由带定时特性和电平特性的波形代表的，与波形形状、脉冲宽度、脉冲边缘或斜率以及上升沿 和下降沿的位置都有关系。依据被测器件(DUT)特点和功能，通过机台提供测试向量，包括输入给DUT测试激励和预期响应，测量DUT输出响应与预期响应做比较，从而判断DUT是否符合格。下图机台测试的基本原理，通过机台模拟被测器件DUT的实际工作状态，输入一系列有序的测试波形，以电路规定的速率作用于被测器件，再在电路输出端检测输出信号是否与预期图形相符，以此判别DUT功能是否正常。板级测试软件：板级测试软件和SiP的实际工作状态相关，是通过模拟SiP的实际工作情况，对SiP的各种功能和性能进行测试。为了测试充分，需要编写相应的测试案例，同时也需要在常温、低温和高温下进行各种功能的测试。为了提高测试效率，板级测试软件需要能同时测量多颗SiP，这一点，和SiP实际工作状态会有所区别。
2）系统软件系统软件是指控制和协调SiP系统及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统，是无需用户干预，能调度，监控和维护整个SiP系统。系统软件负责管理SiP系统中各种独立的模块，使之可以协调工作。系统软件使用户将SiP当作一个整体而不需要顾及到底层每个硬件单元是如何工作的。
例如，电脑上的Windows操作系统，手机上的iOS，Android操作系统，嵌入式系统中的VX works操作系统都属于系统软件。3）应用软件应用软件是为了解决不同问题，满足不同应用需求的软件。它可以拓展SiP系统的应用领域，放大硬件的功能。应用软件是可以使用的多种程序设计语言编写的应用程序的集合，是专门针对解决某类问题而设计的程序。例如电脑中的Office办公软件，EDA设计软件、仿真软件，图像图形处理软件等，手机中的各种APP如微信，地图，音乐，新闻，支付宝等都属于应用软件。
应用软件通常根据特定的任务需求而研发，例如需要监测某个传感器传递来的信号进行分析，并执行相应的任务，例如步数监测，心率监测等。系统的智能化（intelligence）需要通过各种各样的应用软件来实现并和用户进行交互。
4）算法
算法就是软件的灵魂，一个需要实现特定功能的软件，实现它的算法可以有很多种，算法的优劣决定着软件的好坏。例如在EDA工具中的自动布线器就有不同种算法，设计师在使用时可以选择不同的算法从而得到不同的布线结果。好的算法可以提高布通率，同时能提升布线效果，保证信号传输质量的同时也更美观。
对于仿真软件来说，同一个问题，不同的软件采用不同的算法会得到不同的结果，算法的优劣性会影响到仿真速度、仿真精度等。所以，好的算法，不仅会影响软件的运行结果，也会整个系统的执行效果。5 总 结（in a nut shell)
本文中，我们从1.系统功能定义，2.产品应用场景，3.测试和调试，4.软件和算法，四个方面对SiP的智能性intelligence进行了阐述，每个方面又进行了分类说明，请参看下图：
最后，我想说的是，智能性intelligence是系统实现的最终目的，SiP也同样不会例外！
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