如何加快系统单芯片设计的上市时间
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2003-02-01 00:00
前言:
在这篇文章中,我们将检视设计周期的每一个阶段,并寻找所有可行方法,使系统单芯片发展人员能在更短时间内,把他们设计的转化为市场实际产品;只要遵循几项简单设计准则,发展人员即可充份发挥IP潜力,真正减少他们的设计成本、加快新产品上市时间和降低整体风险。
ARC公司提供
编辑部译
TTM压力迫在眉睫
在今天变化快速的市场上,通讯和消费性产品的商业成功会受到许多因素影响,芯片能否尽早供应就是其中最重要考虑之一,因为这将直接影响产品的推出时间以及市场销售量和价格。
只要对任何ASIC和ASSP相关市场做一项迅速调查,就会发现任何新产品上市后,价格都会很快的滑落;举例来说,您现在很容易就能以不到100美元价格,买到一部可同时支持杜比数位、MP3和VCD的多功能DVD播放机 -- 几乎只有去年同等级产品售价的三分之一!
只要供应时间延迟六个月,不但客户商机立刻消失,厂商为了与他人竞争,也将被迫以更低价格销售产品。由于产品能否尽早供应对于厂商利润有极大影响,设计人员因而承受很大压力,必须尽快完成产品的设计、测试和制造;然而随着通讯和消费性产品日益复杂,这项工作也变得更加困难,因为产品必须整合更多功能,这却会使得设计周期变得更繁复,也需要更长时间。
运用IP授权真的能彻底解决难题?
工程师要如何做,才能在更短时间内完成这些复杂设计?方法之一是采用其它厂商授权的硅智财(IP)零件。根据Electronics Weekly最近所做的调查,发展人员期望IP和更强大工具能协助他们更快完成设计;同样的调查也显示所有设计项目中,70%会使用超过一颗IP组件,目前的平均项目发展时间大约为一年。
使用IP的主要目标是缩短系统标准组件的发展时间,让设计人员把更多时间用于产品差异化;将IP用于设计时,工程师希望把它们当成可立即使用的黑盒子,能和其它电路建构方块一样,立刻加入他们的设计中。取得先进IP的使用授权,例如处理器或是支持复杂标准的外围功能,它的好处当然直接明显,毕竟把事先制造完成的引擎装入车中要比制造一部引擎来得简单!
但事情真是如此简单?这种做法真能加快新产品上市时间?事实上,它有赖于发展人员如何在产品设计周期解决IP相关问题。在这篇文章中,我们将检视设计周期的每一个阶段,并寻找所有可行方法,使系统单芯片发展人员能在更短时间内,把他们设计的转化为市场实际产品;只要遵循几项简单设计准则,发展人员即可充份发挥IP潜力,真正减少他们的设计成本、加快新产品上市时间和降低整体风险。
SOC设计七大设计准则
步骤1:选择和评估IP
设计项目开始时,工程师必须针对IP和发展工具,做出某些最重要决定;进入产品发展阶段后,若要再改变这些决定,就会浪费可观成本,产品上市时间也会受到影响,因此工程师必须在项目初期做出正确决定,才能获得最大成功机会。
在今日的设计项目中,许多是为了发展有效的系统解决方案,这表示设计人员必须在项目刚开始时,就将所有系统组件的影响列入考虑,包括软件开发工具、操作系统和中间软件。
对于每种IP组件,设计人员都有许多产品可供使用,他们必须分析和评估,找出最适合的产品,这并不是一件简单的工作。完成个别IP的评估后,工程师必须找出所有可能的系统排列组合,确认那些IP真正能在一起搭配工作,需要多少的工程成本;绝大多数系统都包含数颗IP零件,因此单是这项工作可能就需要几个月的时间。在取得IP使用授权之前,若未能确认这颗IP符合设计目标要求,将是一项极为严重错误。
根据Electronics Weekly最近一项调查显示,若按照优先级排列,工程师选择IP的最重要三项准则分别是:(1) IP效能,(2) 单一IP供货商,(3) 供货商的信誉;这些准则来自于许多发展厂商实际的IP应用经验。
发展厂商必须寻找IP来满足他们的应用效能需求,这点其实非常明显,但为什么他们也要考虑单一IP供货商和他们的信誉?这是因为在发展初期,若能找到一家IP供货商提供所有必要IP零件,那么评估过程将远比来自不同供货商的IP简单许多;只要从单一来源取得已经整合、已完成验证、和「套装」技术,风险即可大幅降低,工程师不必为了自行完成这些工作,而浪费大量的时间、精神和成本。由一家IP供货商回答所有相关问题将使得设计过程更简单,这些供货商也更容易证明他们的IP组件确能在一起正常工作。
由于IP来源非常明确,工程师只须更少时间,即可更轻松完成IP评估。这个阶段的其它重要评估准则还包括IP应用弹性、技术文件品质、IP实作和供货商的支持,通常这也是供货商信誉会发生作用的地方,他们若有可证实的成功记录,就比较可能符合这方面的要求。
步骤2:IP的授权
一旦完成IP评估,最后决定又已定案,接下来就必须取得IP使用授权,然后开始发展工作,但有个因素却常为工程人员所低估,就是公司通常须要比预估更长的时间,才能完成IP授权价格和使用期限的商业谈判,如果这些IP是由多家不同厂商提供,情形还会变得更复杂。若某家供货商不同意你所提供的条件怎么办?您可能必须重新思考整个设计,然后采行其它替代方案;不幸的是,替代方案通常需要更多评估和时间。
公司的法律专家和主管会积极与对方协商,希望达成一项双方都能接受的授权协议,但每回谈判所得的协议可能都须要数天甚至数个星期,才能通过公司内部审核程序,这是非常重要的工作,不容有任何错误;要做到这点,特别是面对多家IP供货商,每家又有不同的律师和协议,整个过程必然需要很长时间和很高成本,而且也很繁复,这也是为什么在设计人员考虑的优先级当中,向单一厂商购买会排名第二的主要原因。
步骤3:整合与模块测试
取得IP模块的使用授权,并完成安装程序后,工程师就必须确认它们可正常工作,然后才把这些IP零件组合在一起,再加入自己设计的其它部份。实际应用中,IP整合远比表面看起来更困难,因为有许多系统问题是事先所未能预见的,这也是步骤1所做的重要决定第一次接受考验;一次匆促的决定,或只是为了把成本减至最低,都可能选择出没有标准界面、技术文件非常糟糕、支持服务很差或是有多家供货商的IP零件,通常在设计流程初期,这些决定就可能带来许多问题。若只是安装某些IP,就想验证它们的功能是否符合厂商宣称,这其实非常困难,因此许多工程师在决定购买之前,都会先花许多时间,对这些IP进行严密测试。
根据Electronics Weekly调查,选择不使用IP的发展人员当中,有将近六成表示是因为他们相信整合过程的所须时间太长,发展商若决定向一家信誉卓著的供货商购买全部或大部份IP,即可在此阶段省下大量时间,这是因为授权协议的协商过程更简单,IP的品质也更有保障,兼容性也已事先通过验证;此外,工程师使用IP之前,还必须先渡过困难的学习阶段,此时IP供货商所提供的支持内容和品质就极为重要。发展人员若能掌握这两项因素,即可更快完成基本系统设计,并让它们正常工作。
步骤4:系统测试
对于较大规模的设计项目,整合IP所须时间通常会少于把IP模块加入整合系统所需的测试和验证时间,若IP来自不同供货商,这还可能是它们首次在一起接受测试;若有任何问题发生(这种情形总会出现),通常都是由发展人员负责找出问题,再向IP供货商确认这些问题,此时即可看出供货商的支持服务品质 -- 他们需要多少时间才能找出问题以及提供解决方法或其它替代方案?
如果IP来自多家供货商,除非供货商直接到客户地点,否则他们也无法重建问题发生时的系统环境,这使得问题的确认和修复变得很困难;要让供货商找出和解决问题,发展人员必须在单一模块系统中重建原来的问题,这对他们是时间和资源的浪费。
若全部IP都是由一家厂商提供,问题的重建就变得很简单,因为他们拥有所有的IP零件和相关技术知识,这能为发展人员节省宝贵时间,供货商也更乐意解决问题,因为其它客户也可能遇到同样问题。
步骤5:系统效能测试
流程进行到这个阶段,系统应已能投入生产制造。若系统非常复杂,效能又很重要,那么较聪明的做法是先利用实际应用软件(或其它类似工具)执行系统效能测试;若厂商也供应兼容的IP仿真模型,那么在提供IP时,客户即可先执行这项测试。
若没有任何仿真模型可供使用,工程师可稍后透过协同仿真工具协助,利用混合软件模型和RTL仿真来执行应用软件协同验证,这让发展厂商得以验证系统效能和功能,进而为设计人员带来更大信心,确定芯片制造完成后,系统效能会符合原设计规格要求。
系统仿真能力也表示在制造芯片时,软件工程师仍可继续软件开发工作,这样等到芯片完成后,软件也已准备就绪,不但大幅缩短系统验证时间,还可确保系统真正满足客户要求,并协助新产品更快上市。
若系统无法满足效能要求,发展人员应如何处理?毕竟,今天许多系统都很复杂,工程师非常可能在设计过程中忽略一些极端状况(corner case)。这些问题通常是由多个状况共同造成,部份是最初设计阶段未曾发现的问题,其它则来自于授权IP,但若要排除有问题的IP,重新整合另一颗新IP,整个过程将耗费大量时间和成本,特别是当它身处系统中心,价格又很昂贵时,这个问题将更为严重。
必须结合三项关键要素才能解决这类问题。首先,发展人员须有适当能力和知识,以便找出问题,然后提供方法先绕过这个问题(workaround);其次是IP供货商所提供的支持水准,他们应和发展厂商密切合作,共同解决这个问题。最后是IP设计本身,举例来说,工程师必须花费很大工夫,才能改变硬宏(hard macro)的架构 -- 而且这完全掌控在IP供货商的手中;就算他们愿意修改架构,解决问题的所须时间往往也让客户无法忍受。
选择IP时,工程师应寻找支持良好而有弹性的设计技术,其中又以软件方式较佳,这通常表示可在更短时间内,完成解决方案的确认、实作和验证。
步骤6:布局和Tapeout
等到系统效能测试完成后(甚至在完成之前),产生第一组光罩的截止时间通常也会确定下来,这表示工程师与时间的竞赛已经开始,他们必须实时把目标设计转化为可正常工作的电路实作。时序收敛(timing closure)是这个阶段的最重要里程碑,也就是让电路实作符合组件规格所要求的工作速度,通常这需要工程师重新合成电路或手动调整逻辑闸和信号路径,让设计中最慢的单元可以加快执行速度。
幸运的是,有许多方法可将电路实作的困难程度减至最小,其中最明显的方法就是保留某些「空间」-- 举例来说,在合成RTL设计时,先设定较高的速度要求;但若设计的线路安排存在某些基本问题,那么就算采用更宽松设计,也不会有任何帮助 -- 要解决设计线路安排问题,就必须对电路实作做更好的规划,所采用的工具也必须提供更强大功能以解决各种实体设计问题。针对设计所能达到的工作速度,这些工具可做出更精确的估测,并在设计刚开始时,就提供更适合电路实作的网络节点清单(netlists)。现代发展工具也让工程师更容易分析和评估芯片基板规划的影响,若能在设计流程初期就利用这些工具,就可在后面的阶段省下更多时间。
步骤7:制造、测试和原型
芯片制造时间完全由所选择的制程和晶圆代工厂商决定,一旦芯片制造完成,测试和组装时间也必须确定。
制造芯片的同时,厂商也会设计与制造合适的原型电路板;最理想情形下,软件开发人员可透过系统仿真协助,完成最后定案的产品和诊断测试软件,然后把芯片安装至原型电路板,执行测试软件,于是在几天之内,一套可正常工作的系统就会交到软件开发人员手中,由他们利用这张电路板来测试他们的应用软件。这些工作完成后,厂商即可开始展示和销售他们的产品,并将这些产品交给客户。
若系统仿真在项目流程初期就先完成,发展人员几乎就可在前述理想条件下,逐步完成设计工作。但若缺少系统仿真支持,流程的每个步骤就需要数个星期、甚至数个月的时间才能完成,解决方案的展示和销售时间也会受到耽误;此时,问题通常是透过软件修改的方式来解决,发展人员也会保留效能空间,以便支持最后可能出现的修改要求。但有些时候,工程师可能最后才发现硬件无法符合设计目标要求,于是被迫浪费数个月的时间进行重新设计,甚至丧失市场商机。
结论
从设计构思到芯片制造,在整个系统单芯片设计流程中,可明显看出有多个共同问题必须解决。向ARC International或其它单一供货商购买IP零件,将会协助客户加快新产品上市时间、减少风险和降低发展成本。此外,工程师若能利用工具所提供的最新技术尽早评估系统效能,即可避免许多会造成系统必须重新修改的重大设计错误,对设计流程的后端作业也有极大助益。这项评估系统效能的能力还可以继续扩大,让工程人员能同时发展硬件和应用软件,进一步减少设计项目后期所需的时间和努力。