第三方IP：SoC設計的一種不穩固基礎
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時(shí)間：2008-10-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
深亞微米技術(shù)的成功應用需要設計反復使用。
根據Gartner Dataquest公司說(shuō)，IP（知識產(chǎn)權）市場(chǎng)正在增長(cháng)，其規?，F在已超過(guò)10億美元。
最大的三家IP供應商占IP市場(chǎng) 45%的份額。
與合適的EDA工具捆綁在一起的平臺將為下一次增長(cháng)提供動(dòng)力。
雖然大多數電子設計師用IP 來(lái)表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Internet Protocol），但律師們卻把可反復使用的設計塊（即內核）叫做 IP（知識產(chǎn)權），而大多數工程師更愿意把這類(lèi)產(chǎn)品描述為“虛擬內核”。然而，用 IP 表示“知識產(chǎn)權”的用法日漸流行，這只是電子行業(yè)的這一部門(mén)內概念混淆的一個(gè)實(shí)例。盡管許多分析家和市場(chǎng)人士把 IP 市場(chǎng)看成電子行業(yè)內的一個(gè)新現象，但可反復使用的IP作為一門(mén)技術(shù)和第三方市場(chǎng)，已經(jīng)出現約 20 年了。雖然 IP 市場(chǎng)正在發(fā)展之中，但它卻缺乏商業(yè)與工程標準。缺乏標準的特許慣例和質(zhì)量度量標準常常會(huì )抵銷(xiāo)已驗證的、可用于生產(chǎn)的標準邏輯功能實(shí)現方法所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。然而，考慮到當今ic37要求縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，使用可靠的 IP 則可節省時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)人員數量，延長(cháng)產(chǎn)品市場(chǎng)壽命。
回顧歷史
設計師使用的商業(yè)IP的第一種形式是驗證模型。在1980年代后5年，諸如EIS Modeling公司，這類(lèi)小公司出售為許多模擬器和仿真器編寫(xiě)的邏輯仿真模型。由于標準的建模語(yǔ)言剛剛出現，大多數模型都只適用于使用自己的建模語(yǔ)言的專(zhuān)有仿真器。因此，供應商無(wú)法反復使用其開(kāi)發(fā)成果，利潤過(guò)于微薄，使大公司無(wú)法從事這一業(yè)務(wù)。當業(yè)界采用Verilog 和 VHDL 語(yǔ)言后，使用專(zhuān)有建模語(yǔ)言的仿真器就從市場(chǎng)上消失了。使用 VHDL 和 Verilog 語(yǔ)言的建模公司則具有其工程成果都有較大的重復使用性的優(yōu)勢，因而繼續從事這一業(yè)務(wù)。
邏輯綜合的采用為“預制功能塊”提供了另一個(gè)市場(chǎng)機會(huì )，因為受過(guò)培訓或掌握專(zhuān)門(mén)技能來(lái)有效地使用邏輯綜合的設計師寥寥無(wú)幾。未經(jīng)培訓的設計師做出的電路常常達不到最優(yōu)的尺寸或速度。1991 年，為了支持其推銷(xiāo)邏輯綜合的努力，Synopsys公司 從一位工程師那里得到了一個(gè)很小的邏輯單元庫，作為 DesignWare 模塊庫的基礎。DesignWare 產(chǎn)品現已經(jīng)得到增強和擴展，以滿(mǎn)足現在邏輯綜合產(chǎn)品的性能。它仍然是一個(gè)成功的產(chǎn)品。
就在 DesignWare 推出的前一年，有一家小公司，即 HDL Systems公司， 在MIPS 公司特許下，將 MIPS R3000 CPU 的體系結構權作為可綜合的模塊出售。HDL Systems公司既提供 用Verilog 綜合的CPU 模型，又提供用VHDL綜合的CPU 模型并作為采用相應綜合腳本的源碼出售，售價(jià)為一次特許費 25.6 萬(wàn)美元。然而就其創(chuàng )辦業(yè)務(wù)情況而言，該公司的銷(xiāo)售狀況好得令人驚訝，但它從未獲得資金去擴展產(chǎn)品系列。最終，飛利浦半導體公司買(mǎi)下了這家公司，并使用 R3000 開(kāi)發(fā)其半導體業(yè)務(wù)的派生產(chǎn)品。
也是在 1991 年，ARM公司 推出了 ARM6，這是一款向那些要在設計中集成處理器的設計師特許銷(xiāo)售的微處理器內核。與 HDL Systems 公司不同的是，ARM公司 在 1993 年從 Nippon Investment and Finance公司獲得了資金，現在已成為全球第一位的 IP 供應商。居第二位的 Rambus 公司在 1990 開(kāi)始成為總線(xiàn)規范開(kāi)發(fā)商，以提高 DRAM 至微處理器的連接性能。該公司一直在開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售用于高速專(zhuān)用體系結構的接口選件。
現有的 IP 供應商和許多小型設計團隊都在提供可反復使用的功能塊，以便公開(kāi)銷(xiāo)售或提供特許，滿(mǎn)足系統設計師的需求。IP 市場(chǎng)規模已經(jīng)從 1988 年的數千美元擴大到 2003 年超過(guò)十億美元。Data-quest公司 半導體部門(mén)副總裁兼研究主管Jim Tully說(shuō)：“在大多數情況下，設計專(zhuān)有功能塊來(lái)實(shí)現IP 市場(chǎng)上隨處可以獲得的功能是沒(méi)有意義的。這些功能雖然在一種產(chǎn)品中不會(huì )與眾不同，但是是系統設計中‘必備’的功能。”
IP市場(chǎng)
Tully 預計IP 市場(chǎng)在 2004 年增長(cháng) 28%。表 1 示出了 2003 年10大供應商在IP市場(chǎng)上所占的份額。在 2004 年秋季，ARM公司 收購了 Artisan公司，因而鞏固了它在IP市場(chǎng)上的領(lǐng)先地位。三大EDA 公司中的兩家公司，即Synopsys公司和Mentor Graphics公司，均位于10大IP供應商行列，并通過(guò)收購小型或現成的 IP 公司來(lái)增強IP 庫。Cadence 公司負責行業(yè)營(yíng)銷(xiāo)的高級副總裁 Jan Willis 說(shuō)：“Cadence公司并不把自己看作一個(gè) IP 供應商。我們認為，將IP 與 EDA 融合在一起并不是客戶(hù)所需要的。”Cadence公司 提供一種能使第三方 IP適用于其客戶(hù)的程序，即OpenChoice，并強調開(kāi)發(fā)一種能將第三方 IP 方便地集成到客戶(hù)設計中的環(huán)境。
IP 行業(yè)在其成熟時(shí)，似乎在步 EDA 行業(yè)的后塵。各大公司正在用收購小公司的辦法獲得產(chǎn)品與技術(shù)。Mentor Graphics公司 IP 部總經(jīng)理兼 VSIA（虛擬硅接口聯(lián)盟）主席Michael Kaskowitz說(shuō)：“你可以用一家大型公司開(kāi)發(fā)同一技術(shù)的費用來(lái)購買(mǎi)一家小型公司。”小公司一般在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期間都會(huì )耗盡財力資源，無(wú)法生存到 IP 盈利的那一天。
企業(yè)收入只是 IP分析市場(chǎng)的方法之一。另一種方法涉及到根據所售產(chǎn)品的類(lèi)別將IP市場(chǎng)劃分為數字分市場(chǎng)、模擬分市場(chǎng)、存儲分市場(chǎng)和驗證 IP分市場(chǎng)。所售的大多數 IP 塊屬于數字分市場(chǎng)。就銷(xiāo)售的或提供特許的數量而言，微處理器內核居首位，隨后是DSP功能塊。除了 ARM公司 和 MIPS公司 以外，其它公司，如 Tensilica公司以及供應FPGA的Altera公司 和 Xilinx公司，也銷(xiāo)售大量的微處理器內核。Altera 公司提供 Nios 處理器，而 Xilinx 公司的客戶(hù)可以將Xilinx公司從 IBM公司獲得特許的PowerOne 處理器集成到自己的FPGA 設計中。
Rambus 公司在接口協(xié)議 IP方面居領(lǐng)先地位。大多數小IP 供應商都進(jìn)入IP市場(chǎng)的這一分市場(chǎng)，因為開(kāi)發(fā)一個(gè)功能塊的初始投資要比開(kāi)發(fā)一款微處理器或 DSP低。提供功能塊之間的整合性和提高數據傳輸速度這一要求，需要人們開(kāi)發(fā)一系列標準，如 PCI Express 和 AMBA（先進(jìn)微控制器總線(xiàn)架構），而這些標準進(jìn)一步促進(jìn)了這一分市場(chǎng)的成長(cháng)。模擬 IP 是IP市場(chǎng)中正在成長(cháng)的分市場(chǎng)，盡管還沒(méi)有一個(gè)專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品供應商進(jìn)入收入最大的10家公司行列。SOC 設計需要越來(lái)越多的模擬功能，而有才干的模擬設計師數量大大低于所需的數量。根據 Qualcore公司 首席執行官 Mahandra Jain 說(shuō)，“許多公司都缺乏模擬方面的專(zhuān)門(mén)知識與技能，所以不得不從外面購買(mǎi) IP 或將設計外包。”
True Circuits 公司是另一家主要的模擬 IP 供應商，它的產(chǎn)品正在獲得廣泛的關(guān)注。由于 SOC 設計中存儲器占有相當大的部分，所以提供自糾錯或自保護的存儲器就很重要。諸如 Virage Logic、CEVA 和 Kilopass 等公司都為這一市場(chǎng)服務(wù)。驗證 IP 在克服驗證與質(zhì)量問(wèn)題方面起著(zhù)重要的作用，這些問(wèn)題都是 IP 反復使用的障礙。將第三方 IP 集成到設計中是件困難的事，而驗證 IP則可以顯著(zhù)簡(jiǎn)化這一過(guò)程（附文《從驗證結構開(kāi)始的 IP 方法》）。采用驗證反復使用可以使客戶(hù)和供應商越發(fā)領(lǐng)悟到 IP 的突出好處。有些公司，如Deanli Software 公司，提供了一種方法，用來(lái)測試并驗證通過(guò)一根總線(xiàn)（如PCI）通信的所有塊的功能是否正常，是否遵從協(xié)議。
要求系統公司繼續遵守摩爾定律去開(kāi)發(fā)競爭性的產(chǎn)品，這是 IP 市場(chǎng)的重要推動(dòng)力。130納米工藝和 90 納米工藝都可提供很大的裸芯面積，以致工程師能在一個(gè)裸芯上實(shí)現非常復雜的系統。“SOC”這一術(shù)語(yǔ)描述的就是采用這些深亞微米工藝制造的產(chǎn)品。不出兩三年，剛面世的 65 nm工藝將會(huì )在生產(chǎn)中普遍使用，而且僅僅使設計問(wèn)題復雜化。大多數的工程團隊都沒(méi)有時(shí)間和知識從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā) SOC，因此他們要反復使用功能塊來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。
有些問(wèn)題會(huì )減慢IP市場(chǎng)的增長(cháng)速度。一個(gè)主要的問(wèn)題是：如果不把IP塊集成到完整設計中，就難以對IP塊作出評價(jià)。Toshiba America Electronics Components 公司 ASIC 與代工業(yè)務(wù)部門(mén)副總裁 Richard Tobias 說(shuō)：“一般來(lái)說(shuō)，當你購買(mǎi) IP 時(shí)，你也會(huì )得一個(gè)與之配套的測試臺。很顯然，該 IP 是與該測試臺一起工作的。因此，根據該供應商說(shuō)，（它）搞出了一個(gè)能用的 IP。IP 供應商幾乎從來(lái)不提供與普通系統進(jìn)行集成的范例。”IP供應商試圖通過(guò)提供客戶(hù)所選代工廠(chǎng)能成功生產(chǎn)的硬 IP，來(lái)減少設計師的種種擔心。許多設計師都有這樣的看法：這類(lèi)IP能正常運用，并能成功地制造出來(lái)，但這一看法是錯誤的，事實(shí)上它可能會(huì )產(chǎn)生另外的問(wèn)題。Tobias說(shuō)：“硬IP意味著(zhù)它是不能修改的，所以，如果在將功能塊與設計的其它部分組合在一起時(shí)，不能移動(dòng)一根引腳，或者不能修改一個(gè)緩存器，那你就難以使定時(shí)正確。”Qualcore公司的Jain也表示贊同：“客戶(hù)認為購買(mǎi)IP就像購買(mǎi)一個(gè)元件一樣，但情況并非如此。硅片可不是印制電路板。”
正如圖1所示，開(kāi)發(fā)商需要在產(chǎn)品的整個(gè)壽命期間投資進(jìn)行支持與維護。Synopsys公司負責業(yè)務(wù)發(fā)展的總監 John Weekley指出：“IP產(chǎn)品將繼續一邊使用一邊演進(jìn)，不斷發(fā)現問(wèn)題和解決問(wèn)題，像任何發(fā)展中的技術(shù)一樣需要進(jìn)行更新和完善。”
IP行業(yè)尚須實(shí)現處理合同的標準化程序。IP功能塊以多種格式銷(xiāo)售，包括罕見(jiàn)的源代碼，直至包括GDS-II 文件和用于布局工具指令的硬IP都有。就處理器或DSP來(lái)說(shuō)，軟件工程師常常需要該器件的內部結構信息，但某些供應商并不免費提供。據 Toshiba公司的Tobias說(shuō)，一個(gè)IP塊銷(xiāo)售合同的談判要持續六個(gè)月之久?？紤]到開(kāi)發(fā)時(shí)間日益縮短和市場(chǎng)窗口變窄，即使開(kāi)發(fā)最終完成了，這么長(cháng)時(shí)間的談判可能會(huì )使某一產(chǎn)品甚至在其開(kāi)發(fā)完成后就過(guò)時(shí)了。VSIA、OCP-IP（開(kāi)放式內核協(xié)議國際伙伴）以及 SPIRIT（工具流中的封裝、集成和重用IP結構）組織都正研究IP市場(chǎng)的方方面面，以制定各種標準化準則，用以提高有關(guān)各方的生產(chǎn)率。他們已取得了某些進(jìn)展，有些標準已在最近出臺，但仍有大量工作要做。
致力于無(wú)線(xiàn)通信的TTPCom公司和從事視頻游戲市場(chǎng)的 Imagination 技術(shù)公司都提供專(zhuān)用的IP平臺。一個(gè)平臺系統由許多 IP 塊組成，其中的IP塊可能包括實(shí)現一個(gè)專(zhuān)用系統的軟件和硬件。Toshiba公司采用其SOC Mosaic系列產(chǎn)品來(lái)實(shí)現CSSP（客戶(hù)專(zhuān)用標準產(chǎn)品）IC。這一系列中的每一種IC都包含有50個(gè)或60個(gè)數字和模擬 IP塊，并允許客戶(hù)增加軟、硬件，以快速實(shí)現一種ASIC 器件。
這類(lèi)IP能顯著(zhù)減少深亞微米設計固有的一些問(wèn)題。例如，它包含有占有最高百分比的硅器件，并解決常常對這類(lèi)設計造成重大影響的寄生效應問(wèn)題和功耗問(wèn)題?？梢灶A計最大的IP供應商們將推出更多的這類(lèi)IP。Synopsys公司和Mentor Graphics公司很可能會(huì )證明：IP平臺是EDA市場(chǎng)的自然拓展。這些公司以及使用第三方IP的Cadence公司都會(huì )提供平臺與工具，從而將客戶(hù)專(zhuān)用的軟、硬件更有效地集成在一個(gè)設計內。圖2示出了可能發(fā)生的市場(chǎng)成熟度進(jìn)展情況：產(chǎn)品的先進(jìn)性與復雜程度隨工藝技術(shù)和供應商經(jīng)驗的不斷改進(jìn)而日益增加。
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