RF: 究竟能否成為插入式IP？

　　當移動(dòng)設備SoC集成射頻電路時(shí)，它們將需要可重用 RF IP。但是它們能夠做到嗎？

　　對于下一代智能手機、移動(dòng)視頻播放器以及 Web 漫游附件的整合，其含意不僅是要將多用途基帶與應用處理器、加速器和內存一起放到同一片 SoC （系統單芯片）上，而且還要將許多小信號RF電路整合到SoC上。其中就存在一項重大難題。

　　在今天的 SoC 中，要想滿(mǎn)足時(shí)間表并維持合理的設計復雜性，硅 IP （知識產(chǎn)權）的重用是絕對必要的。但是，盡管 IP 的重用在數字行業(yè)人所共知，甚至已經(jīng)成為一些甚高頻模塊的常見(jiàn)現象，例如高速I(mǎi)/O的SERDES（串行器/解串器）功能和所有應用類(lèi)別中的PLL（鎖相環(huán)路），但對射頻應用的 RF 電路，設計重用幾乎尚未聽(tīng)說(shuō)。這是為什么呢？我們能否做一些相關(guān)工作？或者說(shuō)，移動(dòng)設備的下一代 SoC 肯定大部分是定制芯片嗎？

　　按問(wèn)題大小排列

　　在這些問(wèn)題中，最要緊的是移動(dòng)系統SoC中大塊的片芯區。這一情況并不單單因為射頻傾向于大面積——它有遠超出最低限度的晶體管和幾乎不可縮小的電感與電容，還因為高級手機要求在一個(gè)SoC上有多個(gè)射頻。

　　例如，考慮這樣一種典型的概念設備，它可作為多頻手機和互聯(lián)網(wǎng)終端，能獲得當前可用的任何最佳網(wǎng)絡(luò )連接。此類(lèi)手機將有一個(gè)LTE（長(cháng)期演進(jìn)）射頻，用于連接蜂窩電話(huà)網(wǎng)絡(luò )；一個(gè)802.11n MIMO（多輸入/多輸出）Wi-Fi 射頻塊，用于與任何可用的 Wi-Fi 接入點(diǎn)建立多天線(xiàn)連接；至少一個(gè)UWB（超寬帶）射頻，用于實(shí)現藍牙、無(wú)線(xiàn) USB 或專(zhuān)有的近程、高帶寬協(xié)議；還有一個(gè)GPS（全球定位系統）接收器，用于獲得位置信息。這些組件沒(méi)有一樣是微不足道的，并且對 802.11n MIMO 射頻，面積會(huì )相當大（圖 1）。

　　最初，這些射頻可能全部位于單獨的片芯上。但是設計壓力強制它們中的許多（即使不是全部）都遷移到SoC上。大信號RF模塊將屬例外，例如功率放大器和天線(xiàn)開(kāi)關(guān)，它們可能保持在 SoC 以外。

　　一個(gè)典型射頻中的小信號 RF 模塊很容易列舉（圖 2 ）。在多數現代射頻中，它們幾乎以相同的配置重復出現。但是這一情況并不意味著(zhù)能簡(jiǎn)單地重用整個(gè)射頻模塊或單個(gè)功能。
　
　　鑒于這么高的復雜性，如此多的片芯區，以及如此多的利害攸關(guān)因素，似乎 SoC 設計者（尤其是缺乏內部 RF 專(zhuān)業(yè)知識的 SoC 團隊）顯然會(huì )希望以第三方IP方式獲得自己的射頻模塊。但今天的實(shí)際情況是，他們不會(huì )這樣做。甚至從中期來(lái)看，這些SoC設計中的一些或多數射頻模塊的設計工作將由SoC 設計團隊自己承擔，而非第三方IP開(kāi)發(fā)者。造成這一困境有若干個(gè)重要原因。

　　所有這些原因都源于可重用 IP 的理念。要想重用，IP模塊必須具有一種能明確理解的功能，創(chuàng )建者和用戶(hù)對該功能達成一致共識。它必須有明確定義的端口，并且必須根據它們與模塊功能的關(guān)系以及許可的信號特征，明白無(wú)誤地定義這些端口的信號。沒(méi)有這些基本約束，IP 就不會(huì )像可重新設計一樣地可重用。但這些要求中的每一項對于 RF 射頻 IP 都成問(wèn)題。

　　首先是標準問(wèn)題。當然，幾乎所有非專(zhuān)利的空中接口都有明確的標準，并有驗證IP和互操作性測試。但問(wèn)題是射頻的實(shí)現。Berkeley Design Automation的首席執行官 Ravi Subramanian 警告說(shuō)：“這些標準射頻的收發(fā)機體系結構仍在發(fā)展之中。構建射頻的方式仍取決于您將用它提供服務(wù)的市場(chǎng)。”例如，盡管一個(gè) UWB 射頻的結構非常像 802.11 射頻，但細節看上去是不同的（圖3）。

　　Synopsys 公司的混合信號產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Navraj Nandra表示：“即使標準射頻的定義也不像你想象的那么明確。”他指出，不同國家可能以不同方法實(shí)現同一個(gè)標準射頻。美國的WiMedia射頻使用 Band Group 1。其他國家使用更高頻率的頻段組，因此需要不同的射頻設計。

　　Subramanian說(shuō)：“對那些有能力的公司來(lái)說(shuō)，將這些射頻放到SoC上的 CMOS 中的工作也是皇冠上的明珠。射頻與高性能的整合能力對于他們的產(chǎn)品必不可少，并能使他們脫穎而出。他們并不打算購買(mǎi) IP 做射頻，雖然可以這么做。”
如何獲得射頻內子模塊的許可呢？畢竟，您可以獲得與某些模塊運行一樣快的第三方 PLL 許可。Nandra 表示，這種情況也不會(huì )出現。“射頻中有明確的功能塊：RF 前端、混頻器、數據變換器，等等。但現在的問(wèn)題是，沒(méi)有定義模塊的確切分區以及它們之間的接口。例如，在 PCI（外圍設備互連） Express 環(huán)境中，PHY（物理） 和MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）層之間有工業(yè)標準的管道接口，但是沒(méi)有定義射頻硬件內各功能之間的接口。”

　　MIPS 無(wú)線(xiàn)系統小組執行副總裁Carlos Leme稱(chēng)：“這些接口的難度很大。這不只是一個(gè)將它們插到一起的問(wèn)題。你需要觀(guān)察各塊之間RF信號的所有負載與阻抗匹配需求。”塊內的功能也沒(méi)有明確定義。Leme繼續說(shuō)：“RF 電路的分區十分復雜。塊的規格相互影響。”Leme 解釋說(shuō)，技巧嫻熟的RF設計者可能選擇在電路的一個(gè)部分接受更多的噪聲，而在另一個(gè)部分補償它。Leme補充說(shuō)：“正是由于這一原因，從來(lái)也不存在一個(gè)規模性的 RF構建塊IP 市場(chǎng)。最終您總得與設計團隊密切合作，那它就不是真正的 IP 了。”

　　信號和噪聲

　　即使一個(gè)設計團隊會(huì )接受前面定義的構建塊，整合過(guò)程也會(huì )是非常困難的。問(wèn)題涉及可重用 IP 定義的另一個(gè)組成部分：塊應在明確定義的引腳上有良好定義的信號。這一概念對 RF 設計的困難之處在于：RF電路和芯片其余部分之間的交互并非只涉及已定義的信號，甚至是 IP塊和芯片其余部分之間的預期路徑。這一情況可能導致一些有意思的問(wèn)題。

　　首先，有連接問(wèn)題。不能簡(jiǎn)單地應用一種數字化布線(xiàn)工具，將一個(gè)硬IP塊上的引腳連接到它們的目的地，并結束在一個(gè)工作射頻上。RF 信號路徑必須進(jìn)行阻抗匹配。它們關(guān)注寄生效應。有時(shí)，它們非常關(guān)心所需連接節點(diǎn)上發(fā)生的一切。

　　即使擁有到安靜、行為正常節點(diǎn)的阻抗匹配連接，但在所采用工藝的驗證中，會(huì )有一部分硬 IP 在芯片中的性能不同于在測試芯片中。通常，這種不可預見(jiàn)性的原因來(lái)自于 RF 電路與不包含已定義信號路徑的片芯上其余部分之間的相互作用。

　　Cadence的高級產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Hany El Hak表示：“在 RF設計中模型有問(wèn)題，這并非肯定源于從代工廠(chǎng)或 IP 供應商獲得的RF模型不準確，而是因為IP設計者在構建模型時(shí)所做的假設并不總能傳達給IP用戶(hù)。”

　　他解釋說(shuō)，如果 IP 設計者假設了一個(gè)最大電源噪聲數值，您需要知道它，以驗證設計中IP上的電源腳確實(shí)沒(méi)有超過(guò)該數值。他指出：“總的來(lái)說(shuō)，問(wèn)題是，在RF域中存在著(zhù)不遵循信號路徑的耦合與干擾。”電源噪聲只是El Hak舉出的一個(gè)例子。另一個(gè)例子是基材耦合。直到不久以前，即使最好的CMOS邏輯流程幾乎不可能得到準確的基材模型。 El Hak表示，現在有了那些模型，代工廠(chǎng)樂(lè )于分享它們。“但是基材耦合模型非常復雜。如果電路模型包含了它們，那么整體問(wèn)題的復雜性會(huì )劇增。必須采用一些正式方法來(lái)降低模型的復雜性，如刪除電路不是特別敏感的寄生路徑，以使仿真切實(shí)可行。例如，在Spectre中就有完成這項任務(wù)的工具，但它不是全自動(dòng)的。簡(jiǎn)化模型的準確性仍然取決于設計者對刪簡(jiǎn)電路的指導原則。”

　　驗證問(wèn)題

　　由于射頻IP塊和基材、電源腳、信號腳甚至附近無(wú)關(guān)走線(xiàn)之間干擾的潛在可能性，即使經(jīng)驗豐富的RF設計者也會(huì )帶著(zhù)某種程度的敬畏去處理集成塊的驗證。這不用驚訝，它并非一件輕而易舉之事。

　　RF設計服務(wù)工作室 Tahoe RF Semiconductor的總裁兼首席執行官I(mǎi)rshad Rasheed警告說(shuō)：“真正要做的是整個(gè)系統的驗證，而不只是IP塊。單從頂層定義系統就可以占到設計周期的15%~25%。一旦完成，許多設計團隊就開(kāi)始用Verilog模型和足夠完成模擬/混合信號功能仿真的提取數據，從行為級對系統作分析。”他告誡說(shuō)，直接進(jìn)入 IP 集成及提供整個(gè)芯片的 GDS（圖形數據系統）-II 是有可能的，但是風(fēng)險極大。“基材耦合和來(lái)自數字電路的噪聲刺激的模型從來(lái)沒(méi)有那么好。VCO（壓控振蕩器）從未集中。風(fēng)險非常大。”

　　與此相反，Rasheed建議說(shuō)，設計部門(mén)可在測試芯片上實(shí)現射頻電路。這些元件開(kāi)始時(shí)可采用小型結構，只是驗證電路模型，并發(fā)展到由數字噪聲生成器環(huán)繞的整個(gè)射頻塊，以仿真最終 SoC 上的環(huán)境。他說(shuō)：“利用測試芯片，可以驗證大量的射頻行為，然后再結束整個(gè)SoC的最終掩碼。”

　　對各種情況，Rasheed 都強調頂層仿真的重要性，它要足夠抽象，能查看設計作為一個(gè)實(shí)際射頻時(shí)的行為，并且能足夠精確地預測到問(wèn)題。他說(shuō)：“需要能反映電路級實(shí)際情況的Verilog-A模型。實(shí)現這一目標需要大量的RF綜合經(jīng)驗。它需要在Spectre、RF-Spice和Verilog-A模型之間輕松地來(lái)回移動(dòng)。并且它需要知道‘gotchas’（關(guān)鍵點(diǎn)）將位于何處，以便能夠在較高層級的模型中捕獲它們，而不會(huì )在下面的設計中遭受它們困擾。實(shí)際上，RF 設計者必須參與芯片驗證過(guò)程。”

　　Berkeley Design Automation公司的Subramanian反映出驗證工作的難度，它將RF IP的驗證分為五個(gè)階段：功能仿真、性能分析、噪聲分析、與封裝設計交互的審查，以及對工藝變量敏感度的分析。糟糕的是，盡管需要在塊整合前完成前兩個(gè)階段，但是在 SoC 的整合和布局后，所有這五步都是必要的。

　　變化性

　　接下來(lái)有變化性問(wèn)題——這不但包括工藝、電壓和溫度的變化，還包括封裝和電路板的變化。放進(jìn)SoC中的射頻必須采用制造 SoC 的數字CMOS 工藝。但是在該工藝的所有環(huán)節中，該芯片都必須功能正常。它必須能采用市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)為芯片構想出的各種封裝變種。它必須能用于客戶(hù)的電路板設計。

　　在這場(chǎng)不平等的對弈中，RF設計者有兩種基本武器：可靠的電路設計和數字配置。從真空管時(shí)代起，第一種因素（即電路的可靠性）就一直是RF設計者的一個(gè)工具。它來(lái)自于固態(tài)電路設計經(jīng)驗、充分的仿真，而許多設計者還力舉足夠的測試芯片。但是隨著(zhù)RF電路集成到數字CMOS工藝中，設計者有了一種改變射頻設計本質(zhì)的新武器：數字可配置性。

　　MIPS的Leme表示：“射頻對寄生效應非常敏感，而寄生效應對各個(gè)工藝變種并不穩定，也不能準確建模。我們需要利用更多的寄生數據來(lái)改進(jìn)設計工具包。但是即使如此，最終，也要采用數字修整方法使電路與工藝完美定位。我們試圖為IP增加盡可能多的可配置性。”

　　Leme認為先進(jìn)CMOS工藝有助于增加可配置性。“一旦達到 90nm 或 65nm，模擬開(kāi)關(guān)就非常好?？梢栽诓皇剐盘枃乐亟导壍那闆r下使用它們。”這一能力為一種設計樣式開(kāi)啟了方便之門(mén)，此時(shí)數字信號可以打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，不但可以調整偏置電流或阻抗匹配，還可完成有源元件在信號路徑上的切進(jìn)切出。

　　Subramanian 表示，這對于RF設計是一種新的設計方式。他說(shuō)：“先進(jìn) 的CMOS工藝對于RF 而言有其局限性，但是它們提供了大量可供使用的晶體管。這使設計者習慣于在無(wú)力實(shí)現規格的情況下都用晶體管來(lái)達到目的。因此，SoC 上的RF-CMOS電路傾向于遠遠大過(guò)傳統的RF設計：可能在其中一個(gè)上看到10 萬(wàn)個(gè)晶體管。”

　　在這種新設計方式中，可配置性接受了那種在設計時(shí)未準確了解關(guān)鍵參數的懶惰。Synopsys的Nandra說(shuō)，特別是對噪聲來(lái)說(shuō)，模型是一個(gè)問(wèn)題。“首要問(wèn)題是柵極噪聲。如果要像積極的SoC設計者那樣，在工藝生命周期的早期開(kāi)始設計，晶體管級的噪聲模型可能不具備準確的穩定性。在測試芯片的劃片槽中放一些工藝監控設備以幫助校準模型，這是一種不錯的做法。然后，可在以后在 IP 中包含測試結構，進(jìn)一步幫助校準。”來(lái)自那些結構的數據可設置集中電路的數字參數。

　　走向IP 重用

　　RF設計中使用海量晶體管、性能監控器和校準電路，這種做法已改變了射頻的本質(zhì)，即使之從僅有少量有源器件的優(yōu)雅小電路改變?yōu)閺碗s度難以置信的數字電路，而其信號路徑上只有一些RF器件。這一演化促使我們轉向可重用RF IP的目標。
著(zhù)名工程師、BroADCom工程總監Arya Behzad坦率地總結了目前的狀況：“如果不能重新利用IP，就不可能生產(chǎn)出我們的系列產(chǎn)品。但一般來(lái)說(shuō)，與數字或其他模擬IP相比， RF IP在重用時(shí)需要更多的修改。”Behzad表示，這一現實(shí)促使Broadcom RF設計部門(mén)根據應用情況，有意識地設計出針對重用的射頻模塊。Behzad說(shuō)：“如果我們正在為全新的市場(chǎng)領(lǐng)域設計一種射頻，并且我們只是想得到一些經(jīng)驗，我們可能會(huì )做一次性設計。但是，如果我們是為一個(gè)有些經(jīng)驗的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)完整的產(chǎn)品線(xiàn)，我們將計劃重用問(wèn)題，盡管這要消耗一些片芯面積。理念是利用所有那些短通道器件，并且用大量這種器件使射頻更加靈活。最終，您的內核周?chē)写罅侩娐贰?rdquo;

　　顯然，這種靈活性要以空間和功耗為代價(jià)。因此可重用設計并非一種教條，而是另一種工程的權衡。Behzad 說(shuō)：“例如，如果您想設計一個(gè)可重用的射頻，那么可能發(fā)現為單入、單出射頻設計的塊中的 70% 可重新使用在MIMO射頻中，盡管MIMO射頻的要求更為嚴格。”

　　Behzad 解釋說(shuō)，假定針對可重用設計了射頻，那么整合就成為這樣一個(gè)過(guò)程，即IP 的可配置性與新SoC 需求的匹配。但是這一過(guò)程本身可能比較復雜。他指出，一臺802.11n收發(fā)的數字控制大于2kB。他解釋說(shuō)，“很多這些數位要與芯片的其他部分實(shí)時(shí)交互。為了驗證在新環(huán)境中的運行，需要在Verilog-A模型、數字模擬之間移動(dòng)，并且在一些交互中還涉及晶體管級仿真。我們發(fā)現這個(gè)要求在初始化序列時(shí)特別成問(wèn)題。”

　　Behzad表示，驗證塊之間的耦合是另一個(gè)難點(diǎn)所在。“不可能捕獲一切，例如基材或封裝耦合。問(wèn)題是，當確實(shí)需要將片芯、封裝和電路板一起建模，它將成為一個(gè)龐大的模型，而仿真無(wú)法運行。因此要做一些簡(jiǎn)化假設，這為錯誤打開(kāi)了大門(mén)。”Behzad警告說(shuō)：“您不能得到最后一分貝的仿真。因此，開(kāi)始時(shí)就要努力使電路對諸如噪聲刺激等事物不太敏感，這些因素難以預測或不可能終止。”例如， Behzad 指出基材耦合問(wèn)題。他嘆道：“基材建模工具的聲明都言過(guò)其實(shí)。因此，在添加基材電容時(shí)您要根據自己的經(jīng)驗，還有放保護環(huán)和使用 N 井。在無(wú)法預測的地方，要使設計可靠。”所有這些措施會(huì )使RF-IP塊可重用嗎？Behzad說(shuō)：“在一個(gè)公司內部，這是毫無(wú)疑問(wèn)的。但是對于第三方 IP，我不這么認為。”最后，問(wèn)題又回到Subramanian有關(guān)差異化射頻與商品化射頻的觀(guān)點(diǎn)?？雌饋?lái)，有了相對標準的工作電壓、極高的截止頻率，以及65nm和45nm工藝數量龐大的晶體管，應該有可能使射頻具有足夠在各種 SoC 設計中重用的可配置性。甚至可能使IP在各個(gè)代工工藝中有相對移植能力，盡管有些設計者對于該方法的切實(shí)可行持悲觀(guān)態(tài)度。

　　但是 Subramanian 強調說(shuō)，要使射頻立刻擁有針對重用的充足可配置性，對關(guān)鍵應用足夠小的面積和足夠低的功耗，并且提供足夠的射頻性能，從而實(shí)現最終 SoC 的差異化，這永遠都是不可能的。Subramanian 推測說(shuō)，“我認為，隨著(zhù)時(shí)間的推移，我們將看到藍牙、GPS甚至電視調諧器塊可能變得足夠商品化，成為第三方IP。但是對于用射頻性能幫助最終產(chǎn)品差異化的應用，我認為第三方 IP 將永遠不可能。”