系统设计人员是时候必须关注硅片IP了

随着芯片系统跨入“下一个大事记”市场，例如，自动驾驶汽车和物联网(IoT)，SoC设计人员面临新一类需求——例如，环境、生命周期、可靠性和安全，相对于他们在消费类或者通信应用上的经验而言，这完全是陌生的。这些需求相应的也改变了SoC开发人员评估并集成知识产权(IP)的方式。与以往相比，开发人员要考虑某些自始至终都不会出现在SoC数据资料中的问题，其IP决定直接影响了客户——系统开发人员的成功与否。本月设计和重用IP/SoC大会上的论文点明了一些这类隐藏的问题。

图 1.很多投入都对SoC实现长工作寿命有贡献。

汽车：必须一直保持良好工作

小客车和其他车辆的系统体系结构已经出现了根本性的变化。当今汽车的结构图显示了车辆中集合了数百个单一功能微控制器单元(MCU)，每一个连接至自己的本地传感器和致动器，通过混乱的工业标准网络和专用总线以及点对点链路与车辆的其他部分连接起来。在这种混乱的环境中，没有一个处理器能够清楚的获悉车辆完整的状态。这非常不利于冗余或者故障恢复。对汽车制造商更直接的影响是——这一方法成本极高，要使用大量的电缆。

未来将有所不同。OmniPhy CTO Claude Gauthier说：“从宝马和捷豹等高档汽车开始，体系结构向单一以太网骨干网发展。开始时是基于100 Mb IEEE 802.3 bw或者1 Gb 802.3 bp：运行在一条双绞线上的工业/汽车标准。”

这种变化将终结很多这类小MCU。相反，我们将看到融合了传感器数据和控制致动器的混合信号SoC，即能够进行本地处理，又有中央电子控制单元的支持。系统的核心将是异构多核SoC，这类似于服务器中的CPU芯片。

这些SoC并不代表新的体系结构挑战。但是对于以前没有从事过汽车行业的SoC设计团队而言，为汽车开发这些芯片却是一项新工作：因为他们完全沉浸于以前由汽车级小MCU以及混合信号元器件主导的领域中。

Gauthier提醒说：“这是完全不同的市场。鉴定时间非常长，而规范的变化非常快。标准仍然有很大的不确定性。”

在很长的鉴定过程中出现的很多问题将导致SoC设计团队及其IP供应商不断进行争论。很显然，会有新功能，例如802.3 bw以太网接口。而且还将有新温度范围、新可靠性要求，以及AEC Q100等新质量规章制度。

Q100是围绕已知IC故障模式而设计的一组压力测试，旨在估算汽车行业所要求的扩展产品生命周期芯片故障率。很多这类测试集中在封装故障模式上。但是某些研究表明，SoC开发人员直接面对管芯老化问题。

这方面的特殊测试包括检查电子迁移、时间相关介质击穿、热载流子注入、负偏置温度不稳定，以及应变迁移等。要通过这些测试，就要求SoC代工线获得工艺变化的Q100认证。而且还要求IP供应商确保其Q100认证的工艺设计也能够通过测试。无信息娱乐汽车对于SoC是一类新出现的市场，即使是硬件成熟的IP内核也从未在Q100认证工艺开发的硅片上通过Q100检查。

AEC Q100用于确定SoC中可能出现的硬件故障。而汽车设计人员对另一类可靠性问题越来越感兴趣：设计错误。ISO 26262等功能安全标准强制要求使用经过形式验证或者现场成熟可靠的元器件和软件。相应的，汽车SoC用户日益关心SoC设计人员怎样进行他们的设计验证工作。这种好奇心带来了一个非常尴尬的问题。

问题来自SoC设计团队怎样验证他们所使用的IP。这有一点进退两难。

一方面，设计人员可能希望，而汽车客户会要求尽可能的全面覆盖进行验证。另一方面，对SoC设计进行全面仿真又不太可能。第三方IP模块不一定能够获得足够的验证结果，或者足够的信息将其包含在全芯片仿真中。集成过程会带来模块级看不到的问题。但是当仿真模型必须足够快以便执行代码时，全集成的SoC可能会太大而无法进行仿真，特别是在软件集成过程中。

所有这些问题都会影响对基于FPGA的仿真的兴趣。原理上，一个团队可以把所需的I/O放到FPGA电路板上，装入SoC逻辑设计，以近乎实时的速度运行验证——从功能到周期精确。

但是在一篇警示性的论文中，Atos工程师Huy-Nam Nguyen提醒说，FPGA原型开发有其自己的难题。Nguyen重点提到了两个特殊问题。首先，与仿真器相比，FPGA原型开发的可控性和可观察性有限。Nguyen说，相应的明智的方法是考虑在验证的某些特殊阶段设计原型。即使这样，从提出测试到理解结果这一过程也会非常长。

第二个问题更基本。把IP导入到FPGA中，至少需要来自IP开发人员的主动帮助。通常，这一导出过程本身就是一种设计，需要来自SoC设计的资源，从结构上甚至是功能上都会占用最初的IP。有时候，也很难把IP置入到FPGA中。

Nguyen引用了SoC设计中第三方PCI Express® (PCIe®)内核最近的一个例子。内核是Gen3 x16实现。但是当转译到FPGA可编程架构中时，其空间和速度只能容纳一个Gen1 x1内核。Nguyen说，使用这一版本会改变设计中的全部数据流。因此，团队决定使用FPGA中固有的硬核PCIe，根本不验证IP供应商的内核设计。因此，SoC团队交付给系统设计人员的芯片中，至少一个主要的IP内核从未在设计中进行过验证。

测试是另一个问题。正如Silabtech CEO Sujoy Chakravarty所述，“汽车行业对全覆盖设计用于测试的要求到了近乎疯狂的程度。” IP供应商感觉到非常好的一个测试设计很有可能会被汽车客户的系统设计检查拒绝掉。

这些点提示了重要的警告。您的SoC供应商即使使用了硅片成熟的IP，芯片即使经过了全面的验证，仍然可能无法满足关键汽车应用的需求。这是军事承包商多年以来所面临的难题，他们尝试在军用级系统中采用商用货架元器件。对于当今很多的系统设计团队，当他们试图把自己的专长应用到突然感兴趣的汽车市场上时，可能给他们带来的是令人尴尬的惊喜。

到IoT上去

虽然大部分IoT应用不会需要汽车行业那样的可靠性和安全标准，但IoT会有自己的IP问题。其中很多涉及到IoT必须处理的严格的能耗限制。

图 2.在IoT边缘，SoC需要新一类模块。

越靠近IoT外侧边缘，越难以获得能源。墙插电源让位于微小电池，电池让位于能源收集装置。必须要节能。要考虑低电压工作，甚至是在0.5-0.4V接近阈值的范围内，此时，电路设计的基本规则已经出现了变化。设计人员要求实现较长的静态时间，期间功耗接近零，周期性的出现微小的活动突发，因此，占空比被拉开了。所有这些策略都会影响SoC开发人员的IP决定。

与追求汽车级可靠性相似，对低电压工作的要求也是从代工线开始的，采用新的多种超低电压工艺和库。在大会上，设计工程全球代工线总监Gerd Teepe介绍了使用全耗尽绝缘体硅薄膜(FDSoI) 22 nm工艺可调体偏置技术来实现0.4 V工作，而且尽量不损失性能。在文章中，Teepe介绍说，22 nm FDSoI器件采用0.4 V供电，功耗只是标准电压芯片的8%。

工作在这一范围的FDSoI芯片要求不仅有较大的体偏置，而且还有新的单元库。在另一篇文章中，这些变化的影响更加清晰，TSMC技术经理Marco Vrouwe介绍了他的团队采用新的16 nm紧凑FinFET (ffc)工艺实现0.4 V工作。Vrouwe说，几种因素共同起作用。一个是电压非常靠近阈值，放大了供电电压变化和工艺变化的影响。另一个是，在这一范围内，工艺变化的分布是不对称的，要求修改时序工具中的算法。

最后，Vrouwe说，需要对TSMC的16 ffc库进行优先级分类。某些单元在0.4 V以下时工作的很好。而有些则需要重新设计，以承受更大的变化。而还有一些单元不能再减小了，因此从低电压库中去掉它们。

对于SoC开发人员，新库和工艺角带来了明显的问题。他们在新环境中只是使用现有的软核IP，希望实际能够综合到0.4 V的工作电路中? 或者，他们继续坚持在新工艺和电压上进行硅片验证? 芯片开发人员做出的选择会对系统设计人员产生很大的影响。

对节能的要求也影响了IP集成。例如，如果一个模块要工作在低电压下，那么，它会对电源轨的IR压降非常敏感，有可能产生基底耦合。一般的IP验证不会发现这里的问题。据Silabtech的Chakravarty，IP模块外部的其他决定也会导致出现故障，特别是硬核IP。如果模块是电源选通——正如低占空比设计中的，电源轨上的开关晶体管能够与现有IP一起工作吗? I/O引脚复用又会如何?

还会要求有全新一类的IP。Olivier Thomas是CEA-LETI的Silicon Impulse公司的项目主管，介绍了他的团队为IoT边缘遇到的特殊问题而提供的IP。

为应对工艺变化越来越大的影响，Silicon Impulse公司开发了体偏置控制模块。这种IP监视工艺变化、工作电压、管芯温度，在某些情况下还有芯片工作期间的时序松弛，动态调整电压和频率。还有检测单元、高能耗模块，在极低占空比突发情况下能够高效工作的处理器。Thomas说：“我们的目的是让功耗在等待周期时降到皮瓦量级，在检测工作期间降到微瓦量级。”

这些新一类IP是很多IoT端点都需要的。但它们最初还不是很成熟。SoC供应商怎样处理所产生的不确定性会影响IoT系统的性能和可靠性——通常，应用专家装配的系统并不知道芯片设计人员的选择。

新一类挑战

复杂SoC进入辅助驾驶和自动驾驶汽车市场导致在扩展温度范围、长期可靠性和功能安全上产生了新需求。IoT边缘要求新的工作电压、新模式，以及强大的新节能功能。

所有这些需求都要求SoC设计人员考虑他们之前并不重视的IP选择——这些选择涉及到IP模块的参数和侧面通道特性，而不是逻辑功能或者时序。芯片设计人员的决定会影响SoC所在系统的质量，甚至是能否接受SoC。系统设计人员是时候参与IP决定了。