SoC設計之組態(tài)性處理器IP介紹

由于半導體工藝進(jìn)步，相同芯片面積中可以放入愈來(lái)愈多的晶體管，致使這10多年來(lái)業(yè)界開(kāi)始積極發(fā)展所謂的系統單芯片SoC，而可組態(tài)性處理器IP概念就像自助餐式的自組拼盤(pán)，提供嵌入式系統更寬廣的應用空間…

過(guò)往需多顆芯片才能組構的運算系統，現在透過(guò)半導體的整合工藝，單一SoC芯片即可實(shí)現，但無(wú)論是用多顆芯片構成的系統，還是用單顆芯片就實(shí)現的系統，系統中都包含各種屬性、功效電路，而在SoC需求愈來(lái)愈普遍，同時(shí)內部設計愈形復雜后，芯片公司已難完全以自力、自主完成SoC設計，若完全自力設計，則電路的設計、驗證過(guò)程費時(shí)更長(cháng)，影響SoC上市時(shí)間與研發(fā)成本。

為能用更簡(jiǎn)便、快速方式完成SoC設計，半導體產(chǎn)業(yè)衍生新經(jīng)營(yíng)型態(tài)的公司，稱(chēng)為IP Provider(硅知識產(chǎn)權供貨商)，IP Provider只專(zhuān)注于芯片內各功效電路研發(fā)設計，并將功效電路設計成果授權給其它業(yè)者使用，而技術(shù)授權費或芯片量產(chǎn)后的權利金，就成了IP Provider的主要收益來(lái)源。

不過(guò)，并不是只有IP Provider才能授權芯片的功效電路設計，半導體產(chǎn)業(yè)中其它經(jīng)營(yíng)型態(tài)業(yè)者，也提供類(lèi)似服務(wù)，包括整合裝置制造商(IDM)、晶圓代工廠(chǎng)(Foundry)、無(wú)晶圓廠(chǎng)的芯片公司(Fabless)、芯片設計服務(wù)業(yè)者(Design House)、以及電路設計自動(dòng)化的工具供貨商(EDA Vendor)等也多有提供，差別只在于專(zhuān)營(yíng)與兼營(yíng)，IP Provider屬專(zhuān)營(yíng)業(yè)者，其余各種型態(tài)的業(yè)者屬于兼營(yíng)。

事實(shí)上硅知識產(chǎn)權概念最初來(lái)自Foundry，Foundry業(yè)者為讓投單客戶(hù)芯片電路設計可盡快投產(chǎn)，所以向客戶(hù)提供現成、已完成各項驗證的功效電路設計，當這類(lèi)型的設計累積數量夠多后，才逐漸開(kāi)展出更高層次的硅知識產(chǎn)權產(chǎn)業(yè)。

處理器IP是SoC的最核心

了解IP能簡(jiǎn)化、加速SoC設計后。如今的SoC，芯片內多半會(huì )使用1個(gè)或1個(gè)以上的IP，在用及各種IP中，又以控制器、處理器的IP最為基礎與關(guān)鍵。每顆SoC設計之初就要決定控制器/處理器架構，此等于決定SoC的最核心設計，接著(zhù)才能決定外圍功效電路，最后才能完成SoC整體設計。

也因為控制器/處理器的需求最基礎、普遍，所以如英國ARM(安謀國際)、美國MIPS(美普思)等業(yè)者在硅知識產(chǎn)權業(yè)界中相當活躍，因為ARM、MIPS等皆以處理器的IP授權為主業(yè)務(wù)。今日多數SoC均直接使用ARM、MIPS業(yè)者授權的處理器IP，已少有完全自力設計的SoC執行核心。

圖 英國ARC公司可組態(tài)性處理器IP的展望規劃圖(Roadmap)，圖上半年為ARC 700系列的展望規劃，下半年則為600系列的展望規劃。

Soft IP與Hard IP之別

雖然IP可以加速SoC設計，但進(jìn)一步還要了解IP層次，大體而言IP可分成Soft IP與Hard IP 2個(gè)層次；Soft IP是偏向電路功效邏輯層面設計，而Hard IP則是除了具備電路功效邏輯外，連帶已完成芯片實(shí)際投產(chǎn)前的實(shí)體性電路設計。

如果SoC業(yè)者期望對IP部分電路設計能有較高的再修改性，或者是更高度的電路設計整合，則必須選擇Soft IP，反之Hard IP難以再修改，整合度也有限。不過(guò)Hard IP設計完成度較高，已經(jīng)完成邏輯、實(shí)體2部分的設計，相對的Soft IP僅完成前期性的功效邏輯，所以就SoC整體設計的加速性而言，此方面Hard IP優(yōu)于Soft IP。(附注2)

Soft IP的調修彈性仍有其限

所以，若為了追求較高的設計彈性，則必須選擇Soft IP，但即便是Soft IP模式，其設計彈性也有限。以處理器IP來(lái)說(shuō)，多數的處理器IP其處理架構均已經(jīng)固定，如處理器內有多少個(gè)緩存器、管線(xiàn)階數等，雖技術(shù)上依然可以對這些架構再行調修，但IP的授權業(yè)者通常不樂(lè )見(jiàn)、甚至不允許這么做，因為對架構進(jìn)行調整將會(huì )阻礙執行軟件的移植性與兼容性。

因此，提供處理器IP的業(yè)者，通常實(shí)行另一種作法，那就是提供多種型款(但各款的設計架構皆已固定)的處理器IP讓客戶(hù)選擇，若客戶(hù)認為某款的IP不合用，則可以再評估另一款I(lǐng)P，直到選定最貼近需求的款式為止。

可組態(tài)性處理器IP的意涵

用多種型款的現成固定式設計，來(lái)因應客戶(hù)對處理器IP的各種不同需求，這是目前較普遍的作法，事實(shí)上ARM、MIPS、PowerPC等皆是如此。然而業(yè)界也有另一種作法，就是提供更高度的彈性設計，此稱(chēng)為可組態(tài)性處理器(Configurable Processor)。

可組態(tài)性處理器，是SoC設計者可以決定處理器的細節設計，包括增/減緩存器、執行單元、指令數...等設計，借以建構出更合乎需求的處理器核心。如此，可組態(tài)性處理器IP，提供更高度的設計彈性，目前以可組態(tài)性著(zhù)稱(chēng)的處理器IP，主要有英國ARC公司的ARC 600、ARC 700核心，以及美國Tensilica公司的Xtensa 7、Xtensa LX2核心。

要注意的是，此類(lèi)IP雖提供可組態(tài)性，但并不表示處理器內的任何環(huán)節都可重新調整，仍有其不變的主架構存在，倘若各環(huán)節都可以再行調修，此已等于是100%的自主設計，如此就沒(méi)有向外取得IP授權的必要。

實(shí)行可組態(tài)性處理器IP的動(dòng)機

前面提到，為了更高的設計彈性、為了更切合設計要求，所以需要可組態(tài)性處理器IP，但「彈性」、「要求」仍是相當浮泛的概念性形容，以下將更具體說(shuō)明實(shí)行可組態(tài)性處理器IP的動(dòng)機。

1.減少芯片電路面積

將原本的多芯片系統整合成SoC，為的就是要精省系統電路面積，同時(shí)也精省實(shí)現成本，不過(guò)要將原有的多芯片整合成單芯片，多半要對電路功效進(jìn)行權衡取舍，甚至犧牲部分規格、性能、功效，所以設計時(shí)都會(huì )盡力縮小各功效電路面積，而可組態(tài)性處理器IP因具備更高彈性，能將「電路面積」視為第一要求，組態(tài)出占用面積最小的處理核心。

2.減少芯片的功耗用電

許多SoC是用于手持式應用裝置中，手持式應用裝置除力求芯片小體積化外，也相當講究功耗用電，原因是手持裝置的電池電力有限。此外能源成本愈來(lái)愈高，用于機房設備內的芯片也得講究省電，其它各類(lèi)應用芯片亦有類(lèi)似趨勢發(fā)展。因此，可組態(tài)性處理器IP在組態(tài)時(shí)，即能針對功耗用電進(jìn)行最佳化設計。

3.增加芯片的運算效能、反應速率

能以電路面積來(lái)組態(tài)、能以功耗用電來(lái)組態(tài)，那么也可以從運算效能為取向來(lái)進(jìn)行組態(tài)，尤其是硬性實(shí)時(shí)控制(Hard Real-Time Control)的應用格外有需求。事實(shí)上，一直以來(lái)處理器首要講究的特性表現，是價(jià)格效能比(Price/Performance Ratio)，近年來(lái)才開(kāi)始重視功耗用電性的每瓦效能比(Performance Per Watt)。

4.減少芯片的授權成本

使用處理器IP要支付一筆技術(shù)授權費，且在SoC設計完成、投入量產(chǎn)后，還要針對每顆出廠(chǎng)后的SoC抽取量產(chǎn)權利金，為了減少授權費及權利金等成本支出，實(shí)行可組態(tài)作法有機會(huì )減少此方面的成本支出，例如不需要浮點(diǎn)運算單元則在組態(tài)設計時(shí)將可棄舍該單元，需要數字信號處理單元才放入該單元，透過(guò)逐項的權衡增減，有可能降低整體「技術(shù)授權費/量產(chǎn)權利金」成本。即便不能減少「技術(shù)授權費/量產(chǎn)權利金」成本，電路面積也可以獲得精省，進(jìn)而讓芯片投產(chǎn)成本得到精省(與前述的第一項動(dòng)機相近)。