分类： LINUX
2008-04-28 21:17:26
由於半導體製程進步，相同晶片面積中可以放入愈來愈多的電晶體，致使這10多年來業界開始積極發展所謂的系統單晶片SoC，而可組態性處理器IP概念就像自助餐式的自組拼盤，提供嵌入式系統更寬廣的應用空間…
過往需多顆晶片才能組構的運算系統，現在透過半導體的整合工藝，單一SoC晶片即可實現，但無論是用多顆晶片構成的系統，還是用單顆晶片就實現的系統，系統中都包含各種屬性、功效電路，而在SoC需求愈來愈普遍，同時內部設計愈形複雜後，晶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、驗證過程費時更長，影響SoC上市時間與研發成本。
為能用更簡便、快速方式完成SoC設計，半導體產業衍生新經營型態的公司，稱為IP Provider(矽智財供應商)，IP Provider只專注於晶片內各功效電路研發設計，並將功效電路設計成果授權給其他業者使用，而技術授權費或晶片量產後的權利金，就成了IP Provider的主要收益來源。
不過，並不是只有IP Provider才能授權晶片的功效電路設計，半導體產業中其他經營型態業者，也提供類似服務，包括整合裝置製造商(IDM)、晶圓代工廠(Foundry)、無晶圓廠的晶片公司(Fabless)、晶片設計服務業者(Design House)、以及電路設計自動化的工具供應商(EDA Vendor)等也多有提供，差別只在於專營與兼營，IP Provider屬專營業者，其餘各種型態的業者屬於兼營。
事實上矽智財概念最初來自Foundry，Foundry業者為讓投單客戶晶片電路設計可盡快投產，所以向客戶提供現成、已完成各項驗證的功效電路設計，當這類型的設計累積數量夠多後，才逐漸開展出更高層次的矽智財產業。
處理器IP是SoC的最核心
瞭解IP能簡化、加速SoC設計後。如今的SoC，晶片內多半會使用1個或1個以上的IP，在用及各種IP中，又以控制器、處理器的IP最為基礎與關鍵。每顆SoC設計之初就要決定控制器/處理器架構，此等於決定SoC的最核心設計，接著才能決定週邊功效電路，最後才能完成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)等業者在矽智財業界中相當活躍，因為ARM、MIPS等皆以處理器的IP授權為主業務。今日多數SoC均直接使用ARM、MIPS業者授權的處理器IP，已少有完全自力設計的SoC執行核心。(附註1)
圖說：英國ARC公司可組態性處理器IP的展望規劃圖(Roadmap)，圖上半為ARC 700系列的展望規劃，下半則為600系列的展望規劃。(資料來源：ARC.com)
Soft IP與Hard IP之別
雖然IP可以加速SoC設計，但進一步還要瞭解IP層次，大體而言IP可分成Soft IP與Hard IP 2個層次；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，連帶已完成晶片實際投產前的實體性電路設計。
如果SoC業者期望對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Hard IP設計完成度較高，已經完成邏輯、實體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優於Soft IP。(附註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來說，多數的處理器IP其處理架構均已經固定，如處理器內有多少個暫存器、管線階數等，雖技術上依然可以對這些架構再行調修，但IP的授權業者通常不樂見、甚至不允許這麼做，因為對架構進行調整將會阻礙執行軟體的移植性與相容性。
因此，提供處理器IP的業者，通常採行另一種作法，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讓客戶選擇，若客戶認為某款的IP不合用，則可以再評估另一款IP，直到選定最貼近需求的款式為止。
可組態性處理器IP的意涵
用多種型款的現成固定式設計，來因應客戶對處理器IP的各種不同需求，這是目前較普遍的作法，事實上ARM、MIPS、PowerPC等皆是如此。然而業界也有另一種作法，就是提供更高度的彈性設計，此稱為可組態性處理器(Configurable Processor)。
可組態性處理器，是SoC設計者可以決定處理器的細節設計，包括增/減暫存器、執行單元、指令數...等設計，藉以建構出更合乎需求的處理器核心。如此，可組態性處理器IP，提供更高度的設計彈性，目前以可組態性著稱的處理器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IP雖提供可組態性，但並不表示處理器內的任何環節都可重新調整，仍有其不變的主架構存在，倘若各環節都可以再行調修，此已等於是100%的自主設計，如此就沒有向外取得IP授權的必要。
採行可組態性處理器IP的動機
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，以下將更具體說明採行可組態性處理器IP的動機。
1.減少晶片電路面積
將原本的多晶片系統整合成SoC，為的就是要精省系統電路面積，同時也精省實現成本，不過要將原有的多晶片整合成單晶片，多半要對電路功效進行權衡取捨，甚至犧牲部分規格、性能、功效，所以設計時都會盡力縮小各功效電路面積，而可組態性處理器IP因具備更高彈性，能將「電路面積」視為第一要求，組態出佔用面積最小的處理核心。
2.減少晶片的功耗用電
許多SoC是用於手持式應用裝置中，手持式應用裝置除力求晶片小體積化外，也相當講究功耗用電，原因是手持裝置的電池電力有限。此外能源成本愈來愈高，用於機房設備內的晶片也得講究省電，其他各類應用晶片亦有類似趨勢發展。因此，可組態性處理器IP在組態時，即能針對功耗用電進行最佳化設計。
3.增加晶片的運算效能、反應速率
能以電路面積來組態、能以功耗用電來組態，那麼也可以從運算效能為取向來進行組態，尤其是硬性即時控制(Hard Real-Time Control)的應用格外有需求。事實上，一直以來處理器首要講究的特性表現，是價格效能比(Price/Performance Ratio)，近年來才開始重視功耗用電性的每瓦效能比(Performance Per Watt)。
4.減少晶片的授權成本
使用處理器IP要支付一筆技術授權費，且在SoC設計完成、投入量產後，還要針對每顆出廠後的SoC抽取量產權利金，為了減少授權費及權利金等成本支出，採行可組態作法有機會減少此方面的成本支出，例如不需要浮點運算單元則在組態設計時將可棄捨該單元，需要數位信號處理單元才放入該單元，透過逐項的權衡增減，有可能降低整體「技術授權費/量產權利金」成本。即便不能減少「技術授權費/量產權利金」成本，電路面積也可以獲得精省，進而讓晶片投產成本得到精省(與前述的第一項動機相近)。
5.針對SoC的應用進行最佳化
SoC的應用非常多，有的是數位相機(DSC)的SoC，有的是可攜式媒體播放器(PMP)的SoC，或是導航機(PND)的SoC，不同的SoC其應用設計也不同，例如DSC SoC不重視音訊處理，而PND SoC只專注靜態視訊處理及簡易的音訊處理，但卻需要重視數位信號的處理(接收衛星定位信號後的相關處理)，至於PMP、STB(視訊機上盒)則重視動態、高品質的音/視訊處理，也重視信號處理(接收、處理節目信號)。
由上可知，不同的執行處理特性、不同的運算負荷度，若用單一架構處理器IP則難以滿足設計，而可組態性處理器IP卻可以針對不同的應用需求來進行組態，以合乎各種應用取向的SoC設計。
可組態性處理器IP的隱憂
雖可組態性處理器IP有如上的5種優點，但也不表示沒有缺點，事實上，隨半導體技術及市場演化，可組態性處理器也面臨一些隱憂、威脅，以下我們簡要討論。
1.製程持續縮密，晶片面積資源獲得寬解
晶片的縮密製程技術仍持續精進，從90nm、65nm、到45nm，並持續往下探，使晶片電路面積成本愈來愈低，因此晶片設計者已不如過往般重視面積成本，事實上處理器的多核化發展，無論是同質多核、異質多核，都表示「透過電路面積倍增的作法來爭取效能提升」已屬可行、值得。如此，透過組態作法讓執行核心的面積最佳化，此種需求將逐漸減少。
2.晶片上市的時間壓力愈來愈大
使用IP為的就是要節省晶片設計的驗證心力、加速晶片的開發，讓晶片更早上市銷售，而今市場競爭更加激烈，晶片Time To Market壓力比過去更大，使許多SoC專案都捨棄從Soft IP階段開始設計，直接取用Hard IP加速設計。
然而可組態性處理器IP可說是比Soft IP更Soft(軟)性的IP，是從「比Soft IP」更前期的設計階段開始著手，好處是獲得更高的設計彈性，但相對的就是增加SoC的設計時間，甚至為實現組態化而必須學習、熟悉另一套前期設計工具，即處理器的組態工具。
3.軟體風險
此點前面已約略提及，事實上，除有軟體移植性、相容互通性等疑慮，軟體的後續維護也將令人擔憂，同時協力業者提供的巨集程式(Macro)也可能無法立即適用，這些都須再行斟酌、調修。特別是軟體開發、維護成本在整體SoC方案中所佔的比重愈來愈高，許多原有以硬體電路方式設計成的功效，而今多半轉成軟體方式實現。
4.固定組態處理器IP的轉向
ARM、MIPS等皆是以固定組態性處理器IP為主，不過為因應客戶需求也開始有些轉變，或允許部分的特例，例如MIPS的Pro系列IP就擁有組態性，或如ARM的OptimoDE Data Engines能因應不同需求的應用設計。
附註1：ARM、MIPS在處理器IP的主要授權業務逐漸成熟後，也開始進行相關延伸，如ARM延伸至實體IP領域，MIPS延伸到類比/混訊IP領域，此外兩家業者皆開始跨入32位元的控制器IP市場。
附註2：除了Soft IP、Hard IP外也有Firm IP，Firm IP的設計完成度介於前兩者之間，不過在產業的實際運用中卻不如前兩者普遍。
圖說：Tensilica Xtensa系列可組態性處理器IP的組態設計示意圖，左上是勾核需求的功效項、特性項，例如需不需要硬體乘法器、桶式移位器等，右上則是延伸處理器架構，例如增加暫存器、增加VLIW資料路徑等，左下則進行設計應用最佳化，右下則是軟體自動化產生工具。(資料來源：Tensilica.com)
