隨著芯片系統(tǒng)跨入“下一個大事記”市場，例如，自動駕駛汽車和物聯(lián)網(IoT)，SoC設計人員面臨新一類需求——例如，環(huán)境、生命周期、可靠性和安全，相對于他們在消費類或者通信應用上的經驗而言，這完全是陌生的。這些需求相應的也改變了SoC開發(fā)人員評估并集成知識產權(IP)的方式。與以往相比，開發(fā)人員要考慮某些自始至終都不會出現在SoC數據資料中的問題，其IP決定直接影響了客戶——系統(tǒng)開發(fā)人員的成功與否。本月設計和重用IP/SoC大會上的論文點明了一些這類隱藏的問題。

圖 1.很多投入都對SoC實現長工作壽命有貢獻。

汽車：必須一直保持良好工作

小客車和其他車輛的系統(tǒng)體系結構已經出現了根本性的變化。當今汽車的結構圖顯示了車輛中集合了數百個單一功能微控制器單元(MCU)，每一個連接至自己的本地傳感器和致動器，通過混亂的工業(yè)標準網絡和專用總線以及點對點鏈路與車輛的其他部分連接起來。在這種混亂的環(huán)境中，沒有一個處理器能夠清楚的獲悉車輛完整的狀態(tài)。這非常不利于冗余或者故障恢復。對汽車制造商更直接的影響是——這一方法成本極高，要使用大量的電纜。

未來將有所不同。OmniPhy CTO Claude Gauthier說：“從寶馬和捷豹等高檔汽車開始，體系結構向單一以太網骨干網發(fā)展。開始時是基于100 Mb IEEE 802.3 bw或者1 Gb 802.3 bp：運行在一條雙絞線上的工業(yè)/汽車標準。”

這種變化將終結很多這類小MCU。相反，我們將看到融合了傳感器數據和控制致動器的混合信號SoC，即能夠進行本地處理，又有中央電子控制單元的支持。系統(tǒng)的核心將是異構多核SoC，這類似于服務器中的CPU芯片。

這些SoC并不代表新的體系結構挑戰(zhàn)。但是對于以前沒有從事過汽車行業(yè)的SoC設計團隊而言，為汽車開發(fā)這些芯片卻是一項新工作：因為他們完全沉浸于以前由汽車級小MCU以及混合信號元器件主導的領域中。

Gauthier提醒說：“這是完全不同的市場。鑒定時間非常長，而規(guī)范的變化非?？臁藴嗜匀挥泻艽蟮牟淮_定性。”

在很長的鑒定過程中出現的很多問題將導致SoC設計團隊及其IP供應商不斷進行爭論。很顯然，會有新功能，例如802.3 bw以太網接口。而且還將有新溫度范圍、新可靠性要求，以及AEC Q100等新質量規(guī)章制度。

Q100是圍繞已知IC故障模式而設計的一組壓力測試，旨在估算汽車行業(yè)所要求的擴展產品生命周期芯片故障率。很多這類測試集中在封裝故障模式上。但是某些研究表明，SoC開發(fā)人員直接面對管芯老化問題。

這方面的特殊測試包括檢查電子遷移、時間相關介質擊穿、熱載流子注入、負偏置溫度不穩(wěn)定，以及應變遷移等。要通過這些測試，就要求SoC代工線獲得工藝變化的Q100認證。而且還要求IP供應商確保其Q100認證的工藝設計也能夠通過測試。無信息娛樂汽車對于SoC是一類新出現的市場，即使是硬件成熟的IP內核也從未在Q100認證工藝開發(fā)的硅片上通過Q100檢查。

AEC Q100用于確定SoC中可能出現的硬件故障。而汽車設計人員對另一類可靠性問題越來越感興趣：設計錯誤。ISO 26262等功能安全標準強制要求使用經過形式驗證或者現場成熟可靠的元器件和軟件。相應的，汽車SoC用戶日益關心SoC設計人員怎樣進行他們的設計驗證工作。這種好奇心帶來了一個非常尷尬的問題。

問題來自SoC設計團隊怎樣驗證他們所使用的IP。這有一點進退兩難。

一方面，設計人員可能希望，而汽車客戶會要求盡可能的全面覆蓋進行驗證。另一方面，對SoC設計進行全面仿真又不太可能。第三方IP模塊不一定能夠獲得足夠的驗證結果，或者足夠的信息將其包含在全芯片仿真中。集成過程會帶來模塊級看不到的問題。但是當仿真模型必須足夠快以便執(zhí)行代碼時，全集成的SoC可能會太大而無法進行仿真，特別是在軟件集成過程中。

所有這些問題都會影響對基于FPGA的仿真的興趣。原理上，一個團隊可以把所需的I/O放到FPGA電路板上，裝入SoC邏輯設計，以近乎實時的速度運行驗證——從功能到周期精確。

但是在一篇警示性的論文中，Atos工程師Huy-Nam Nguyen提醒說，FPGA原型開發(fā)有其自己的難題。Nguyen重點提到了兩個特殊問題。首先，與仿真器相比，FPGA原型開發(fā)的可控性和可觀察性有限。Nguyen說，相應的明智的方法是考慮在驗證的某些特殊階段設計原型。即使這樣，從提出測試到理解結果這一過程也會非常長。

第二個問題更基本。把IP導入到FPGA中，至少需要來自IP開發(fā)人員的主動幫助。通常，這一導出過程本身就是一種設計，需要來自SoC設計的資源，從結構上甚至是功能上都會占用最初的IP。有時候，也很難把IP置入到FPGA中。

Nguyen引用了SoC設計中第三方PCI Express® (PCIe®)內核最近的一個例子。內核是Gen3 x16實現。但是當轉譯到FPGA可編程架構中時，其空間和速度只能容納一個Gen1 x1內核。Nguyen說，使用這一版本會改變設計中的全部數據流。因此，團隊決定使用FPGA中固有的硬核PCIe，根本不驗證IP供應商的內核設計。因此，SoC團隊交付給系統(tǒng)設計人員的芯片中，至少一個主要的IP內核從未在設計中進行過驗證。

測試是另一個問題。正如Silabtech CEO Sujoy Chakravarty所述，“汽車行業(yè)對全覆蓋設計用于測試的要求到了近乎瘋狂的程度。” IP供應商感覺到非常好的一個測試設計很有可能會被汽車客戶的系統(tǒng)設計檢查拒絕掉。

這些點提示了重要的警告。您的SoC供應商即使使用了硅片成熟的IP，芯片即使經過了全面的驗證，仍然可能無法滿足關鍵汽車應用的需求。這是軍事承包商多年以來所面臨的難題，他們嘗試在軍用級系統(tǒng)中采用商用貨架元器件。對于當今很多的系統(tǒng)設計團隊，當他們試圖把自己的專長應用到突然感興趣的汽車市場上時，可能給他們帶來的是令人尷尬的驚喜。

到IoT上去

雖然大部分IoT應用不會需要汽車行業(yè)那樣的可靠性和安全標準，但IoT會有自己的IP問題。其中很多涉及到IoT必須處理的嚴格的能耗限制。

圖 2.在IoT邊緣，SoC需要新一類模塊。

越靠近IoT外側邊緣，越難以獲得能源。墻插電源讓位于微小電池，電池讓位于能源收集裝置。必須要節(jié)能。要考慮低電壓工作，甚至是在0.5-0.4V接近閾值的范圍內，此時，電路設計的基本規(guī)則已經出現了變化。設計人員要求實現較長的靜態(tài)時間，期間功耗接近零，周期性的出現微小的活動突發(fā)，因此，占空比被拉開了。所有這些策略都會影響SoC開發(fā)人員的IP決定。

與追求汽車級可靠性相似，對低電壓工作的要求也是從代工線開始的，采用新的多種超低電壓工藝和庫。在大會上，設計工程全球代工線總監(jiān)Gerd Teepe介紹了使用全耗盡絕緣體硅薄膜(FDSoI) 22 nm工藝可調體偏置技術來實現0.4 V工作，而且盡量不損失性能。在文章中，Teepe介紹說，22 nm FDSoI器件采用0.4 V供電，功耗只是標準電壓芯片的8%。

工作在這一范圍的FDSoI芯片要求不僅有較大的體偏置，而且還有新的單元庫。在另一篇文章中，這些變化的影響更加清晰，TSMC技術經理Marco Vrouwe介紹了他的團隊采用新的16 nm緊湊FinFET (ffc)工藝實現0.4 V工作。Vrouwe說，幾種因素共同起作用。一個是電壓非?？拷撝担糯罅斯╇婋妷鹤兓凸に囎兓挠绊?。另一個是，在這一范圍內，工藝變化的分布是不對稱的，要求修改時序工具中的算法。

最后，Vrouwe說，需要對TSMC的16 ffc庫進行優(yōu)先級分類。某些單元在0.4 V以下時工作的很好。而有些則需要重新設計，以承受更大的變化。而還有一些單元不能再減小了，因此從低電壓庫中去掉它們。

對于SoC開發(fā)人員，新庫和工藝角帶來了明顯的問題。他們在新環(huán)境中只是使用現有的軟核IP，希望實際能夠綜合到0.4 V的工作電路中? 或者，他們繼續(xù)堅持在新工藝和電壓上進行硅片驗證? 芯片開發(fā)人員做出的選擇會對系統(tǒng)設計人員產生很大的影響。

對節(jié)能的要求也影響了IP集成。例如，如果一個模塊要工作在低電壓下，那么，它會對電源軌的IR壓降非常敏感，有可能產生基底耦合。一般的IP驗證不會發(fā)現這里的問題。據Silabtech的Chakravarty，IP模塊外部的其他決定也會導致出現故障，特別是硬核IP。如果模塊是電源選通——正如低占空比設計中的，電源軌上的開關晶體管能夠與現有IP一起工作嗎? I/O引腳復用又會如何?

還會要求有全新一類的IP。Olivier Thomas是CEA-LETI的Silicon Impulse公司的項目主管，介紹了他的團隊為IoT邊緣遇到的特殊問題而提供的IP。

為應對工藝變化越來越大的影響，Silicon Impulse公司開發(fā)了體偏置控制模塊。這種IP監(jiān)視工藝變化、工作電壓、管芯溫度，在某些情況下還有芯片工作期間的時序松弛，動態(tài)調整電壓和頻率。還有檢測單元、高能耗模塊，在極低占空比突發(fā)情況下能夠高效工作的處理器。Thomas說：“我們的目的是讓功耗在等待周期時降到皮瓦量級，在檢測工作期間降到微瓦量級。”

這些新一類IP是很多IoT端點都需要的。但它們最初還不是很成熟。SoC供應商怎樣處理所產生的不確定性會影響IoT系統(tǒng)的性能和可靠性——通常，應用專家裝配的系統(tǒng)并不知道芯片設計人員的選擇。

新一類挑戰(zhàn)

復雜SoC進入輔助駕駛和自動駕駛汽車市場導致在擴展溫度范圍、長期可靠性和功能安全上產生了新需求。IoT邊緣要求新的工作電壓、新模式，以及強大的新節(jié)能功能。

所有這些需求都要求SoC設計人員考慮他們之前并不重視的IP選擇——這些選擇涉及到IP模塊的參數和側面通道特性，而不是邏輯功能或者時序。芯片設計人員的決定會影響SoC所在系統(tǒng)的質量，甚至是能否接受SoC。系統(tǒng)設計人員是時候參與IP決定了。