|
|
|
电子系统设计的新概念--系统级芯片
|
|
The New Design Concept of Electronic System Design:System-on-a-Chip
|
|
■ 清华大学计算机科学与技术系 洪先龙 经 彤 蔡懿慈
|
系统级芯片(SOC)
集成电路在过去30年的发展几乎完全遵循Moore定律，即集成电路的集成度每隔18个月就翻一番。进入90年代以后，集成电路仍保持着非常高的发展速度。从美国SRC(semiconductor
research corporation)组织给出的"1997年到2009年美国集成电路工艺发展趋势(参见表1)"的相关数据中可以看到：集成电路的设计规模正由超大规模集成(VLSI)、甚大规模集成(ultra
large scale integrated circuits, ULSI)向G大规模集成(Giga-scale integrated
circuits, GSI)的方向发展。实际上，目前集成电路工艺的发展甚至已经超过了SRC在表1中给出的过去预测的技术指标。
现在，ULSI、GSI技术使集成电路的面积进一步减小，并获得更高的集成度。于是，越来越多的功能、甚至是一个完整的系统都能够被嵌入到单个芯片之中。这样，以前需要由一块电路板实现的系统，现在只需要一只单个芯片就可以完成。电子系统设计正从SOB、MCM向着系统级芯片(system-on-a-chip，SOC)的方向发展。图1描述了从SOB到SOC的转变。图2给出了一个SOC的系统结构示意图。此时，硬件厂商提供的不再是真实的单个实元件芯片，而是IP(intellectual
properties)模块，包括软IP、固化(firm) IP和硬IP三种类型。其中，软IP是HDL描述，固化IP是指门级网表描述，硬IP是指实现到物理版图的硅块(silicon
block)。此时，系统设计人员通过利用供应商提供的IP模块来设计实现整个系统，设计方法的描述如图3所示。这些被提供的IP模块也称为虚拟元件(virtual
component)。
SOC设计概念的出现给电子系统的设计带来诸多优点：进一步提高了系统性能、大大缩小了系统尺寸；降低了系统造价、更易于编译、节能等。SOC设计概念将极大地促进半导体技术向前发展，实现激励国民经济的增长。
SOC设计面临挑战
SOC设计概念的出现，在给系统设计带来众多优点的同时，其设计复杂性也使得电子系统设计将面临新的挑战，这主要表现在以下几个方面：
● 来自设计目标方面的挑战。主要是指在SOC设计中，整个系统中各个部件都有自己的设计目标。如：数字电路部分关心速度指标，存储器设计注重设计密度以期获得更大容量，混合信号电路则重点考虑兼容性问题，而模拟电路设计追求设计精度，I/O部分更多考虑信号灵敏度、电路尺寸和功耗等。因此，如何在SOC设计中考虑这多个设计目标的协调统一将成为一个重要的问题。
● 系统集成方面的挑战，主要涉及基于平台、基于核(core)、基于综合等三种不同的系统集成技术。
● 设计复杂度方面的挑战，主要包括部件复用技术、知识产权(IP)模块等。SOC设计概念的出现引出了新的电子系统设计方法--IP模块技术。可以设想，若对于结构十分复杂的SOC系统从零起点开始设计，则其设计正确性、可靠性以及设计周期等都将很难保证，甚至结果不可预料。因此，最好能基于已有的他人成熟的功能模块，在其上根据自己的不同系统功能需要将这些模块进行继承、复用和上层开发，以实现自己的设计目标。这种方法思路就是IP模块和部件复用技术。
● 软/硬件协同设计。这也是新出现的设计方法,主要包括SOC系统软/硬件划分方法，系统方案说明、系统功能分析、设计、模拟等的协同技术，接口综合技术等内容。
● 模拟与混合信号电路系统设计，重点考虑A/D、D/A的转换问题。
● 片内通信技术，重点考虑如何克服互连线的信号传输瓶颈与传输质量等电性能问题。
● 系统级描述语言的挑战。对于SOC设计，目前采用的HDL硬件描述技术其功能还不够全面，需要确定C语言是否是更佳选择。
● 系统测试与验证技术。SOC设计不仅要解决由于系统复杂性高、性能优化目标多、系统规模庞大等因素给系统测试与验证带来的困难，同时要解决软/硬协同测试与验证的新问题。目前，测试与验证的成本已经占到集成电路总成本的50%。
SOC国际研究动态
为了迎接SOC给电子系统设计带来的挑战，国际上已积极展开相关的研究工作。从近期的IEEE/ACM重大国际学术会议及相关重要国际学术刊物上可以看到，有许多针对SOC研究的相关论文。另外，已举行了十几届的IEEE
ASIC国际学术年会也已开始关注SOC设计技术，从1999年起该会议更名为IEEE ASIC/SOC学术年会，会议内容从以往传统的专用集成电路设计转向面向SOC系统设计需要的关键技术研究。
这里值得一提的是，为了避免单个专家或研究小组由于只熟悉一个或少数几个与SOC相关研究方向而造成开发一个SOC系统遇到困难，相继出现了两个SOC系统设计合作研究工作室。
第一个是目前著名的区域性合作研究中心。在美国MACRO组织的支持下，由University of California at Berkley(UCB)大学的Newton教授牵头，联合全美十几所大学成立了SOC设计研究中心--Giga-Scale
Silicon Research Center(GSRC)。该中心拥有至少25位专家，他们来自分布美国国内的各个研究机构。该研究中心每年能得到1千万美元的巨额资助，该项资助超出了美国设计自动化研究领域一般自然科学基金资助额度的20~50倍。
另一个是晚些成立的国际及双边合作研究工作室--International Center on System-on-a-Chip Workshop
(IC-SOC Workshop)。该工作室由美国、中国内地、中国台湾地区的7家研究单位组成，它们是：美国University of
California at Los Angeles(UCLA)大学、University of California at Santa
Barbara(UCSB)大学，清华大学、北京大学、浙江大学，台湾地区的新竹清华大学、交通大学等。IC-SOC工作室成立于1999年，参加单位都是国际上集成电路设计及工具研究领域的著名机构，各自都有自己的专业优势与侧重方面，并做过许多卓有成效的研究工作，与国际业界有着密切的合作。该项合作的目地是欲在一般额度自然科学基金资助的条件下，通过强-强联合，充分发挥各自的研究优势，形成研究资源与成果共享，实现研究方向互补，力争较全面覆盖SOC设计的各项关键技术，促进SOC研究进展。同时，通过项目的合作研究，培养锻炼出一大批SOC系统的专业设计人才。IC-SOC工作室自成立以来，通过中美国际合作和海峡两岸双边合作开展学术交流活动，已进行了包括：1999年8月在台湾地区新竹、2000年1月在日本Yokohama、3月在美国夏威夷、8月在河北承德、2001年4月在台湾地区新竹、6月在美国UCLA、8月在浙江杭州等重要学术交流活动。目前，该工作室的研究工作进展顺利，呈现出良好的发展势头。
对于SOC系统设计，这种合作研究的形式是一种很好的途径，能够取得好的研究效果。
|
|
