SoC的另类设计哲学：可组态性处理器IP 处理器, 半导体, 另类, 哲学

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由于半导体工艺进步，相同芯片面积中可以放入愈来愈多的晶体管，致使这10多年来业界开始积极发展所谓的系统单芯片SoC，而可组态性处理器IP概念就像自助餐式的自组拼盘，提供嵌入式系统更宽广的应用空间…
       过往需多颗芯片才能组构的运算系统，现在透过半导体的整合工艺，单一SoC芯片即可实现，但无论是用多颗芯片构成的系统，还是用单颗芯片就实现的系统，系统中都包含各种属性、功效电路，而在SoC需求愈来愈普遍，同时内部设计愈形复杂后，芯片公司已难完全以自力、自主完成SoC设计，若完全自力设计，则电路的设计、验证过程费时更长，影响SoC上市时间与研发成本。
       为能用更简便、快速方式完成SoC设计，半导体产业衍生新经营型态的公司，称为IP Provider(硅知识产权供货商)，IP Provider只专注于芯片内各功效电路研发设计，并将功效电路设计成果授权给其它业者使用，而技术授权费或芯片量产后的权利金，就成了IP Provider的主要收益来源。
       不过，并不是只有IP Provider才能授权芯片的功效电路设计，半导体产业中其它经营型态业者，也提供类似服务，包括整合装置制造商(IDM)、晶圆代工厂(Foundry)、无晶圆厂的芯片公司(Fabless)、芯片设计服务业者(Design House)、以及电路设计自动化的工具供货商(EDA Vendor)等也多有提供，差别只在于专营与兼营，IP Provider属专营业者，其余各种型态的业者属于兼营。
       事实上硅知识产权概念最初来自Foundry，Foundry业者为让投单客户芯片电路设计可尽快投产，所以向客户提供现成、已完成各项验证的功效电路设计，当这类型的设计累积数量够多后，才逐渐开展出更高层次的硅知识产权产业。
      处理器IP是SoC的最核心
       了解IP能简化、加速SoC设计后。如今的SoC，芯片内多半会使用1个或1个以上的IP，在用及各种IP中，又以控制器、处理器的IP最为基础与关键。每颗SoC设计之初就要决定控制器/处理器架构，此等于决定SoC的最核心设计，接着才能决定外围功效电路，最后才能完成SoC整体设计。
       也因为控制器/处理器的需求最基础、普遍，所以如英国ARM(安谋国际)、美国MIPS(美普思)等业者在硅知识产权业界中相当活跃，因为ARM、MIPS等皆以处理器的IP授权为主业务。今日多数SoC均直接使用ARM、MIPS业者授权的处理器IP，已少有完全自力设计的SoC执行核心。

        图 英国ARC公司可组态性处理器IP的展望规划图(Roadmap)，图上半年为ARC 700系列的展望规划，下半年则为600系列的展望规划。
       Soft IP与Hard IP之别
       虽然IP可以加速SoC设计，但进一步还要了解IP层次，大体而言IP可分成Soft IP与Hard IP 2个层次；Soft IP是偏向电路功效逻辑层面设计，而Hard IP则是除了具备电路功效逻辑外，连带已完成芯片实际投产前的实体性电路设计。
       如果SoC业者期望对IP部分电路设计能有较高的再修改性，或者是更高度的电路设计整合，则必须选择Soft IP，反之Hard IP难以再修改，整合度也有限。不过Hard IP设计完成度较高，已经完成逻辑、实体2部分的设计，相对的Soft IP仅完成前期性的功效逻辑，所以就SoC整体设计的加速性而言，此方面Hard IP优于Soft IP。(附注2)
       Soft IP的调修弹性仍有其限
       所以，若为了追求较高的设计弹性，则必须选择Soft IP，但即便是Soft IP模式，其设计弹性也有限。以处理器IP来说，多数的处理器IP其处理架构均已经固定，如处理器内有多少个缓存器、管线阶数等，虽技术上依然可以对这些架构再行调修，但IP的授权业者通常不乐见、甚至不允许这么做，因为对架构进行调整将会阻碍执行软件的移植性与兼容性。
       因此，提供处理器IP的业者，通常实行另一种作法，那就是提供多种型款(但各款的设计架构皆已固定)的处理器IP让客户选择，若客户认为某款的IP不合用，则可以再评估另一款IP，直到选定最贴近需求的款式为止。
       可组态性处理器IP的意涵
       用多种型款的现成固定式设计，来因应客户对处理器IP的各种不同需求，这是目前较普遍的作法，事实上ARM、MIPS、PowerPC等皆是如此。然而业界也有另一种作法，就是提供更高度的弹性设计，此称为可组态性处理器(Configurable Processor)。
       可组态性处理器，是SoC设计者可以决定处理器的细节设计，包括增/减缓存器、执行单元、指令数...等设计，借以建构出更合乎需求的处理器核心。如此，可组态性处理器IP，提供更高度的设计弹性，目前以可组态性著称的处理器IP，主要有英国ARC公司的ARC 600、ARC 700核心，以及美国Tensilica公司的Xtensa 7、Xtensa LX2核心。
       要注意的是，此类IP虽提供可组态性，但并不表示处理器内的任何环节都可重新调整，仍有其不变的主架构存在，倘若各环节都可以再行调修，此已等于是100%的自主设计，如此就没有向外取得IP授权的必要。
       实行可组态性处理器IP的动机
       前面提到，为了更高的设计弹性、为了更切合设计要求，所以需要可组态性处理器IP，但「弹性」、「要求」仍是相当浮泛的概念性形容，以下将更具体说明实行可组态性处理器IP的动机。
       1.减少芯片电路面积
       将原本的多芯片系统整合成SoC，为的就是要精省系统电路面积，同时也精省实现成本，不过要将原有的多芯片整合成单芯片，多半要对电路功效进行权衡取舍，甚至牺牲部分规格、性能、功效，所以设计时都会尽力缩小各功效电路面积，而可组态性处理器IP因具备更高弹性，能将「电路面积」视为第一要求，组态出占用面积最小的处理核心。
       2.减少芯片的功耗用电
       许多SoC是用于手持式应用装置中，手持式应用装置除力求芯片小体积化外，也相当讲究功耗用电，原因是手持装置的电池电力有限。此外能源成本愈来愈高，用于机房设备内的芯片也得讲究省电，其它各类应用芯片亦有类似趋势发展。因此，可组态性处理器IP在组态时，即能针对功耗用电进行最佳化设计。
       3.增加芯片的运算效能、反应速率
       能以电路面积来组态、能以功耗用电来组态，那么也可以从运算效能为取向来进行组态，尤其是硬性实时控制(Hard Real-Time Control)的应用格外有需求。事实上，一直以来处理器首要讲究的特性表现，是价格效能比(Price/Performance Ratio)，近年来才开始重视功耗用电性的每瓦效能比(Performance Per Watt)。
       4.减少芯片的授权成本
       使用处理器IP要支付一笔技术授权费，且在SoC设计完成、投入量产后，还要针对每颗出厂后的SoC抽取量产权利金，为了减少授权费及权利金等成本支出，实行可组态作法有机会减少此方面的成本支出，例如不需要浮点运算单元则在组态设计时将可弃舍该单元，需要数字信号处理单元才放入该单元，透过逐项的权衡增减，有可能降低整体「技术授权费/量产权利金」成本。即便不能减少「技术授权费/量产权利金」成本，电路面积也可以获得精省，进而让芯片投产成本得到精省(与前述的第一项动机相近)。
       5.针对SoC的应用进行最佳化
       SoC的应用非常多，有的是数字相机(DSC)的SoC，有的是可携式媒体播放器(PMP)的SoC，或是导航机(PND)的SoC，不同的SoC其应用设计也不同，例如DSC SoC不重视音讯处理，而PND SoC只专注静态视讯处理及简易的音讯处理，但却需要重视数字信号的处理(接收卫星定位信号后的相关处理)，至于PMP、STB(视讯机上盒)则重视动态、高质量的音/视讯处理，也重视信号处理(接收、处理节目信号)。
       由上可知，不同的执行处理特性、不同的运算负荷度，若用单一架构处理器IP则难以满足设计，而可组态性处理器IP却可以针对不同的应用需求来进行组态，以合乎各种应用取向的SoC设计。
       可组态性处理器IP的隐忧
       虽可组态性处理器IP有如上的5种优点，但也不表示没有缺点，事实上，随半导体技术及市场演化，可组态性处理器也面临一些隐忧、威胁，以下我们简要讨论。
       1.工艺持续缩密，芯片面积资源获得宽解
       芯片的缩密工艺技术仍持续精进，从90nm、65nm、到45nm，并持续往下探，使芯片电路面积成本愈来愈低，因此芯片设计者已不如过往般重视面积成本，事实上处理器的多核化发展，无论是同质多核、异质多核，都表示「透过电路面积倍增的作法来争取效能提升」已属可行、值得。如此，透过组态作法让执行核心的面积最佳化，此种需求将逐渐减少。
       2.芯片上市的时间压力愈来愈大
       使用IP为的就是要节省芯片设计的验证心力、加速芯片的开发，让芯片更早上市销售，而今市场竞争更加激烈，芯片Time To Market压力比过去更大，使许多SoC项目都舍弃从Soft IP阶段开始设计，直接取用Hard IP加速设计。
       然而可组态性处理器IP可说是比Soft IP更Soft(软)性的IP，是从「比Soft IP」更前期的设计阶段开始着手，好处是获得更高的设计弹性，但相对的就是增加SoC的设计时间，甚至为实现组态化而必须学习、熟悉另一套前期设计工具，即处理器的组态工具。
       3.软件风险
       此点前面已约略提及，事实上，除有软件移植性、兼容互通性等疑虑，软件的后续维护也将令人担忧，同时协力业者提供的宏程序(Macro)也可能无法立即适用，这些都须再行斟酌、调修。特别是软件开发、维护成本在整体SoC方案中所占的比重愈来愈高，许多原有以硬件电路方式设计成的功效，而今多半转成软件方式实现。
       4.固定组态处理器IP的转向
       ARM、MIPS等皆是以固定组态性处理器IP为主，不过为因应客户需求也开始有些转变，或允许部分的特例，例如MIPS的Pro系列IP就拥有组态性，或如ARM的OptimoDE Data Engines能因应不同需求的应用设计。
       附注1：ARM、MIPS在处理器IP的主要授权业务逐渐成熟后，也开始进行相关延伸，如ARM延伸至实体IP领域，MIPS延伸到模拟/混讯IP领域，此外两家业者皆开始跨入32位的控制器IP市场。
       附注2：除了Soft IP、Hard IP外也有Firm IP，Firm IP的设计完成度介于前两者之间，不过在产业的实际运用中却不如前两者普遍。

         图 Tensilica Xtensa系列可组态性处理器IP的组态设计示意图，左上是勾核需求的功效项、特性项，例如需不需要硬件乘法器、桶式移位器等，右上则是延伸处理器架构，例如增加缓存器、增加VLIW数据路径等，左下则进行设计应用最佳化，右下则是软件自动化产生工具。