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IP基本概念介绍(一)
 

【作者: 柯心瀅】2000年09月01日 星期五

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随着半导体制程技术的精进、晶片复杂度的增加,以及产品生命周期缩短,导致IC设计能力跟不上制造能力,因而促成IP时代的来临,带给半导体产业十分重大的变革。


SIP(Silicon Intellectual Property)可直译为「矽智财」或「矽智产」,有时则按实际含意称之为「元件功能组块」。这些经过事先定义、验证,而且可以重复使用的功能组块,就如同「七巧板」或「乐高积木」,可以堆叠出变化纷呈的晶片世界。若从实际操作使用的观点来看,IP则是一种帮助IC设计工程师加速实现特定功能的软体。


采用IP的优点

在什么情况下,设计晶片时需要采用IP呢?根据工研院电子所ITIS计画指出,在产品「有产业标准,产品基本架构已定」、「需抢上市时间」、「价格迅速滑落,需要整合晶片以降低成本」、「市场需求量大」、「对轻巧省电的需求高」时,适合采用IP。简而言之,采用IP具有「更快」、「更好」,以及「更省」的优点。


更快:加速完成设计

由于制程微细化,目前IC设计日趋复杂,要在可以容忍的时间内完成数万个Gate,对人脑或什至设计自动化设备而言都相当困难,因此要将某些功能模组化,在需要的时候取出原设计重复使用,让设计过程更有效率、更快完成晶片的设计。


更好:确保设计品质

同时,一个经由多次重复使用及验证的IP,再次使用的成功率通常可以达到99%,相对于第一次设计的电路90%的首次成功率,似乎相差不大,但是如果一个系统晶片之中使用了9个IP,按照可靠度的乘数效果,首次成功率仍有91%((0.99)9 =0.91),然而对于同样规模第一次设计的电路,其首次成功率将仅剩下39%((0.9)9 =0.39),由此可见重复使用验证过的IP可以提高系统单晶片设计的首次成功率。虽然为了达到较高的可靠度及再使用率,设计IP时需要付出1.5至2倍的时间,但第二次重复使用时,只需0.1至0.3倍的时间。


更省:降低设置成本

而在成本的节省方面,根据研究报导指出,设计重复​​使用将可以在三年内减少50%的晶片开发成本,在六年内甚至可以减少超过70%的成本。这样的趋势不但可以提升设计效能的表现,对于设计时间、成本皆可降低,这些经济效益直接影响产品在市场上的成功与否。除此之外,使用第三者所开发的IP来做成系统晶片,另一个明显的好处是可以借此跨入原本并不擅长的专业领域,提升产品的附加价值,并缩短产品开发时程。


IP的分类

由于IP产品众多,举凡晶片设计中所需的逻辑、记忆体、类比线路或测试等功能,都可以自成一完整的功能模组来使用或销售;为了清楚介绍IP的各种特性,产业界及研究单位经常依照IP功能的差异化、型态,对制程技术的依存度、产出的形式等不同构面做分类。以下我们将对各种分类方式做一简单的介绍。


依差异化程度分

近来报上常见关于国内某些公司提供「Star IP」的报导,此即依照IP及EDA产业专业研究机构Collett提出的「依IP差异化程度」而做的分类。由于以差异化程度区分,可以直接对应到IP提供者的经营策略及订价模式,因此是目前产业界及新闻报导中广泛使用的分类方式。


「Foundation IP」是与制程相关的功能区块,主要包括Standard Cells、Gate Array Macros、I/O Pads、Analog Cells、Compiled Memory、Datapath、Arithmetic Functions,以及与现有晶片功能相同的相容区块,如UART、FDC等。这些以Standard Cell为主的IP是最早被重复使用的功能方块,近年来IP产业兴起,也把这类的功能方块当做IP的一种。这些IP多由ASIC和FPGA公司提供,且与制程密切相关,有时制造厂会免费、或以极低的价格提供这类Foundation IP,借以获得制造方面的订单,并提高客户转换代工厂的障碍。


「Standard-based IP」指的是依据工业标准做成的IP,这类型的IP每隔一段时间就会随着当时的产业发展而出现抢手货,例如1997-1998年当红的PCI、IEEE1394,以及1999年热门的USB等。依据工业标准做成的IP又可分为功能性的标准,以及连接(interconnect)的标准,前者如MPEG、JPEG、CRC、Ethernet等,后者则如PCI、AGP、USB、IEEE1394、IrDA、SCSI等。由于这些依据工业标准做成的IP应用量相当大,「抢鲜上市」的压力也大,因此许多系统业者或零组件业者会以金钱换取时间,向IP供应商购买这些IP,加速晶片设计的时效。


由于这一类的IP产品生命周期短、且标准人人皆可取得,进入障碍较低,因此经营此类IP的公司应具备快速实现(implement)该IP的能力,还需要拥有对于该标准的应用领域的专业知识,提供客户相关的咨询顾问服务,以利于在众多的竞争者中有所区隔。这些标准IP本身的价值难以持久,因此这些顾问和售后服务才是以标准IP为业的公司核心竞争力所在。


「Unique IP」是指具独特架构的IP,也就是一般所称的「明星级IP」(Star IP),主要产品包括微处理器、DSP等高附加价值的IP;这一类的IP产品价格最高,也最不易贬值。提供Unique IP的公司除了应当具备该IP的专业能力之外,还要提供客户完整的售后服务支援;此外,制程的验证、设计工具的配合等,都是必要条件。因此,成功的IP公司所需的资源及时间投入,将远高于一般新设立的公司,虽然报酬率较高,但回收的时间也显著较长。


依据IP的型态分类

由于IP可以在设计流程中不同的阶段帮助IC设计者,故依照IP在设计流程中的对应位置区分,又可分为Soft IP、Firm IP与Hard IP等三种型态,这是IP最早的分类方式。这三种IP型式和电脑程式有着相似的对应,Soft IP是VHDL / Verilog code,就如同C或Fortran这类高阶程式;Firm IP是Net list,可比喻为编经过编译的组合语言(Assembly Language); Hard IP则是GDSII,就像是最终电脑执行的机械码(Machine Code)。


依IP的功能区分

除了以上常见的分法,IP还可以依照其功能区分为记忆体IP、微控制器IP、类比线路IP,以及其他逻辑线路IP等。记忆体包括SRAM、DRAM、FLASH等,由于设计系统单晶片时,记忆体是不可或缺的重要元件,因此内嵌式记忆体(Embedded Memory)也是主要的记忆体IP产品之一。微控制器IP是应用最广的一类,除了常见的明星微处理器之外,还有不胜枚举的数位讯号处理器、驱动IC、控制IC、产业标准相关的IP、微控制器等。类比线路IP主要是A/D及D/A转换器、PLL(Phase Lock Loop)等,由于类比IC本身的设计难度相当高,有能力提供类比IP的公司也非常有限。此外,由于类比IP对制程的依存度高,因此几乎都是以Hard IP的形式存在。


依技术的依存度分

IP依其技术依存度,又可区分为「与制程紧密相关的IP」及「与设计紧密相关的IP」两类;前者包含内嵌式DRAM、Flash、A/D、D/A、类比IP 、cell library等,这些IP最需要和代工厂或晶圆制造厂的制程结合,做进一步测试以确定其可用性。在型态上,这些都属于Hard IP。而后者包括2D、3D绘图IP、Ethernet core网路IP、MPEG2,MPEG4等多媒体IP、USB、IEEE1394、PCI等连接或界面、DVD等,这类纯粹逻辑设计的IP可以用各种模拟工具侦测其功能的可用性,所以与设计的关系最密切,也多半以Soft IP的型态存在。


依产出的方式分

依照产出的方式,又可区分为「PLD-based IP」、「ASIC」及「ASIC与PLD」混合两类。虽然以PLD(Programmable Logic Device)做出的系统单晶片设计不如ASIC那么精简,体积因而较大,但PLD的使用者较多,PLD又允许使用者将差异化的程式写入,加上PLD绕线相当迅速,省去光罩、制程等费用和时间成本,因此有业者直接把IP写入PLD中,再加上自行写入的程式,快速完成一个SOC设计。目前以PLD形式出现的IP多半应用在DSL、ATM、VoIP、DSP、PCI等方面。ASIC则在用量大、要求体积小的行动电话、cable modem、IP switching、Sonet/SDH等领域较常见。


ASIC与PLD混合的SOC则是新兴的产品区隔,未来可能成为SOC最主要的产出形式,Dataquest将其命名为ASPP(Application-specific Programmable Product)。 ASPP是预先制造完成的ASIC晶片,其中90%左右的体积是SIP,另外占10%体积的约15万个gate是PLD,晶片设计者可以将差异化的程式,或是短期之内会有所变动的规格写入PLD中,达成快速出货、产品体积小、成本低且兼顾差异化的优点。除此之外,在晶片整合、侦错上也省去很多困扰,所需要的EDA工具也不那么复杂昂贵。


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