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消费性电子市场需要更多样化的SoC IP
 

【作者: 誠君】2004年10月30日 星期六

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消费性电子产品现在正带动着客制化IC设计技术,因为这类产品需要在硬件上能具有高效率的应用区隔,所以IC设计商必须设法不断地满足这样的需求趋势。


这种需求包含500万至1,000万逻辑闸的系统,其速率超过250 MHz,并与许多种不同的技术标准兼容。


至今为止,能满足这种市场需求的解决方案尚在萌芽当中。结合了数字和混合讯号IP的客制化系统级单芯片(SoC),将取代传统的门阵列(gate-array)式ASIC。FPGA虽然是设计原型机的重要组件,但是由于它的电气特性之限制,无法满足消费性电子市场对大量制造硅晶的要求。结构化数组(structured array)也称作「结构化ASIC」,其特性界于FPGA和客制化SoC之间。它们的重工(nonrecurring engineering)费用低,但是它们具有固定的主切块(master slice),致使它们缺乏市场的竞争力,除了少量量产以外。


软(soft)IP平台是一种相当新的客制化SoC技术,它使用标准的、事先验证过的IP和一个高效率的网络相链接系统,可以缩短开发的时间。硬件和软件的协同开发环境,允许客户在一开始就能进行应用软件的设计,不需再等待第一颗样产芯片的制造完成。对消费性电子市场而言,能将复杂的芯片迅速地量产出来是很重要的。


已验证的IP

客制化SoC必须结合已验证、可重复使用的数字IP。例如:智能型手机是一台复杂的系统,它可能整合了802.11、Bluetooth、IrDA、GPS和USB;一台超过数百万像素的数字相机;能提供通讯簿或行事历的数据库;支持因特网的彩色图形显示能力。为了满足这些功能,通常必须在一颗SoC中加入三个处理引擎:一个提供通讯功能;一个支持应用软件;最后一个是数字信号处理器,负责处理数据。这种SoC设计包含了20至30个或者更多个数字IP区块,例如:微处理器核心、多个混合讯号IP区块。系统验证、测试和如期完工,都将是大挑战。


支持多种标准

消费性电子产品必须支持数目众多的技术标准,即使像手机或DVD录像机也不例外。以DVD录像机为例,大约有8个音频压缩格式,多种视频压缩标准,和「数字版权管理(digital rights management;DRM)」标准。


这些标准大多数是由软件来实现的,因此,增加了SoC的处理负担。此外,大多数的数据处理工作都必须实时(real-time)完成,这也使得嵌入式处理器与系统频率的速率都超过了250 MHz。


混合讯号IP

因为真实世界是模拟的(analog),大多数的客制化SoC结合了多个数字模拟转换器(DAC),和模拟数字转换器(ADC)。具有固定主切块的结构化数组和FPGA,是无法有效地支持那么多种状态变化。即使是一个简单的ADC,也需要求得极高的优化。极高的优化代表位数必须增加,此度量单位也称作「分辨率(resolution)」,一般是在6至16位之间。而且,SoC设计者还必须克服串音(crosstalk)和噪声问题。


此外,也必须考虑到组件封装和主板特性。少量的试产也是必要的,以避免在量产在线发生错误时,必须使用昂贵的测试系统来侦错。一般都使用回返(loop-back)测试和内建自我测试的交互组合,来侦错与除错。


OCP信道模型

所有上述的挑战可以归纳为:极短的开发周期、硬件与软件的平行开发、第一次就做好的方法。为了能及早完成一套仿真系统,以提供给软件开发团队使用,SoC设计者必须采取可重复使用的策略,来整合各种IP。


软IP平台的系统化方法,可以在很短的时间内于一个网络或底板(backplane)内,整合许多种不同的IP,这是传统的设计方法无法匹敌的。设计者必须确定所有IP区块都具有各自所需的带宽大小和延迟时间,以符合系统的规格。


目前,国外业者已经开始使用「开放核心通讯协议(Open Core Protocol;OCP)」区块来开发SoC。OCP是一种共同接口的标准,此接口能结合各种不同的IP,加快SoC的开发速度。「OCP信道模型(channel model)」能让设计者在系统层级使用SystemC,这是藉由链接库接口函式(library API)来完成。使用「OCP信道模型」软件时,还必须配合使用组件能相互链接的网络底板。一般是使用Sonics公司的底板。


「OCP系统层级设计团体(OCP System Level Design Working Group)」是制定「OCP信道模型」的组织,它的成员包含:Nokia、Prosilog SA、Sonics、Synopsys公司。


OCP - IP

「开放核心通讯协议国际伙伴(Open Core Protocol International Partnership;OCP-IP)」的成员有Nokia、Texas Instruments、ST Microelectronics、UMC、Sonics、Axys、Beach Solutions、CoWare、Esterel Technologies、Mentor Graphics、Synopsys、Summit、 TNI-Valiosys、Verisity。


2004年以来,Intel新产品的推出时程一直延后,包括:Prescott中央处理器、Grantsdale芯片组和处理器、笔记本电脑专用的Dothan平台。而2004年初,Intel曾信誓旦旦说,要推出LCOS芯片,以改变大尺寸电视的市场版图,但这也确定要延缓推出了。


面对新产品迟迟无法上市,Intel现任的执行长Craig Barrett解释说,可能有三种原因:1.规格制定不清、2.设计人员的能力不足或设计工具不佳、3.这些都是有史以来最复杂的开发案。Prescott、Grantsdale、Dothan这些处理器想必都是非常复杂的SoC,虽然它们不见得都适用于消费性电子产品,但是,就SoC的设计难度而言,Intel的工程师们也必须克服本文所提及的各种挑战。


OCP区块和OCP信道模型能顺利结合各种不同的IP,加速SoC的开发,应该是SoC设计厂商的最爱。不过,OCP标准未来是否能够被设计者广泛采用,似乎决定于它的价格,有支持的IP数量和性能、以及是否容易操作。当然,最重要的是,OCP-IP必须获得大多数的半导体厂、IP拥有者、EDA厂商的大力支持才会成功。


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