IP需要6/5/3nm的系统背景

在每一代半导体制造技术的推动下，复杂性已经达到了令人眼花缭乱的程度。芯片上封装的晶体管越多，设计、验证和制造的每个环节就越复杂、越紧张。由于这些原因，必须把整个系统作为一个整体来考虑，而不是像过去那样仅仅作为单个的构件来考虑。

设计IP，无论是作为子系统还是单独的组件，仍然必须自己进行验证和验证。它也必须模拟，原型，并模拟与系统的知识，它将在其中操作。

“半导体工艺技术正在快速发展。我们现在几乎每年都会看到一款新的节点问世。节奏。摩尔定律的步伐是无情的。当我们认为7nm是摩尔定律的终结时。6nm和5nm再一次让我们大吃一惊，现在是3nmgate-all-around。每向更精细的几何结构迈进一步，半导体物理和光刻技术带来的挑战就会变得更加困难。掩模套变得更加昂贵，光刻问题也被放大了。这就是为什么我们有沉浸、多模式和EUV。现在设计的成本是如此昂贵，以至于首次成功是强制性的。你负担不起第二次旋转的成本，错过市场窗口是不可想象的。这给设计师、EDA公司、IP公司、代工厂等带来了巨大的负担。”

面对更多的IP，我们便有足够的理由去考虑系统背景下的IP。

英特尔首席执行官鲁珀特•贝恩斯表示:“芯片通常包含数百个IP块，管理这些IP块已成为一项挑战UltraSoC。“这一挑战呈指数级增长，产生了‘系统复杂性’效应，并使其成为芯片开发团队的主要任务——从架构师到工程师，再到客户工程，再到芯片客户进行集成。”

同时，整个过程包括硬件和软件开发，很难管理这种复杂性，他继续说道。“了解这些IP块如何相互作用，以及如何与将在其上运行的软件相互作用，这是至关重要的，但也是非常困难的。”

有了先进的节点，门基本上是免费的，这使得添加越来越多的IP块变得容易。

“推动知识产权增长的因素与技术和人们向高级流程节点的转移有很大关系，因为他们正在外包越来越多的设计，”营销副总裁克里斯·琼斯(Chris Jones)说Codasip。“这意味着需要更多的处理器，考虑到高级节点的成本，任何可以转移到软件领域的东西，都可以确保你不必做硅衍生产品。”

琼斯说，这反过来又推动了对更多微处理器的需求，并需要在整个系统中考虑到它们。“如果你要进入高级流程节点，这些都是很大很大的赌博。这些价值5千万美元，1亿美元的项目，对于一个公司来说，如果一个芯片含有黑硅，那将是灾难性的。正因为如此，对处理器供应商的质量、仿真和仿真提出了更多的要求和限制。”

功率限制和封装选项
然而，随着越来越多的IP区块被纳入其中，与权力相关的担忧也相应上升。来自电力输送系统的噪声、混合信号块附近的开关和功耗都会引起问题。对于大型和复杂的soc，例如用于人工智能和深度学习的soc，始终打开的模块数量与过去的设计大不相同。

这对芯片有影响，但对超大规模数据中心的热管理也有影响，因为超大规模数据中心的服务器机架的供电和冷却成本很高。”

英特尔IP部门董事总经理Farzad Zarrinfar表示:“如果你想最大限度地降低功耗，需要做出的最重要的决定之一是，是在单个SoC和单个封装上嵌入并完成所有工作，还是进行分区并实现多芯片解决方案。Mentor，西门子旗下公司。“在单soc嵌入式方法中，可以最大限度地降低功耗。您不需要在封装中驱动高容性的I/ o负载。这减少了热量和电力消耗，也对系统级产生了影响。与此同时，它还带来了其他重要的派生好处，比如安全性。当你处理芯片对芯片的通信时，总是有可能篡改和访问引脚对引脚和芯片对芯片的通信，用探针和监视器来检测通信和安全内容。但当它被嵌入时，监控和篡改实际上是不可能的，或者至少是一项非常困难的任务。”

复杂的2.5D设计包含来自许多来源的IP。该公司营销副总裁Mike Gianfagna表示:“过去，只要确保你拥有一流的IP，就能获得成功的设计eSilicon。除此之外，您还需要确保为互操作性和连接性支持适当的标准。那些日子已经过去了。”

集成问题
一旦确定了单个IP的质量和标准支持，集成挑战就开始了。金属堆、测试设计、可靠性、控制界面、操作范围和可靠性都很重要，不一致性会带来挑战。为了达到功率、性能和面积(PPA)的目标，IP还需要适应特定的应用。在系统上下文中，还需要考虑软件和固件。Gianfagna说，许多复杂系统的芯片启动程序受到固件的困扰，而不是硬件错误或不一致。

具有讽刺意味的是，IP总是被视为加速开发的一种方式。

“IP重用可能有助于更快地发展和扩展系统设计，”Zibi Zalewski说Aldec五金产品部。“对于重用可用IP的集成商来说，有更多的空间，这也使他们能够专注于开发新功能和算法，而不是系统的通用元素。这实际上使复杂的项目在较小的设计团队的范围内，并对可用系统进行重用和定制。设计工程师可能会重复使用处理器和GPU ip，只开发所需的功能。这种方法专门针对工程市场。”

但它也改变了设计过程的动态。Zalewski表示:“这里有IP开发公司、整合团队和新硬件开发商。“系统级别仍然做得很好，但是此类项目的复杂性和成本已经显著增加，这使得小型工程团队无法使用它。随着所有新技术的蓬勃发展，如机器学习、数据中心和汽车，我们将需要考虑所有这些要求的新芯片设计，这意味着系统级设计仍将不断发展，基于IP重用和专用模块开发构建系统。”

但并非所有IP都是一样的，包括标准IP。事实上，在复杂的芯片中，IP越来越多地是出于竞争原因而定制的。因此，虽然它仍然提供了更快的上市时间，但它也带来了一些独特的挑战。

“你没有时间去开发一个标准接口，一个存储器，一个子模块，所以IP被视为一种通过使用预定义模块来加速开发周期的方式，”IP加速公司的营销总监米克波斯纳(Mick Posner)说Synopsys对此。“如果你看一下历史，我可以一直追溯到设计编译器基础库、构建模块、较小的fifo等等。这些通常被遗漏为IP的第一个比特，因为它们只是在代码中推断的可合成逻辑。我记得在Verilog中处理VHDL中的加号。这是IP的第一部分。它是一个合成算子，我们可以把它映射成一种加法器或减法器，这取决于约束条件。那时候，所有的限制都是关于面积和性能。你想要最好的设计。但现在你展望未来，你仍然需要制定PPA，但项目周期是最大的限制，因此，IP很复杂。”

Codasip的Jones说，多年来，客户的需求也在不断变化。“最初，它以RTL块和USB 2.0，原始的PCIx等东西开始。但随着这些协议的发展和新协议的出现，如MIPI, HBM2E，高级协议和接口需要的不仅仅是RTL。它是这些模拟元件的混合信号块时序关闭的组合，当然还有RTL功能。现在，在SoC的环境中，客户想要更多，这就是子系统环境的来源。子系统与传统IP的区别在于，它只在最终设计所需的配置中具有价值。”

缓解挑战
为了突出能够解决系统内IP挑战的领域，Cadence的Wong建议，在寻求确保首次通过成功的新方法时，需要考虑设计和验证的各个方面，包括更好的TCAD、SPICE模型和RF设计工具。除此之外，还有IP子系统验证、小芯片和2.5D、硬件仿真、C建模和芯片板协同设计。

Wong说:“当你观察IP生态系统时，你会发现有基础IP(标准单元库)、内存编译器和通用I/ o。然后你有CPU核心、DSP核心和图形核心。对于复杂的异构soc，您将找到一个fabric (NoC) IP。这些都是现代SoC的基本组成部分。”

基础IP通常由代工厂提供，而接口IP则由第三方IP供应商提供。接口IP可以细分为硬物理和控制器(RTL代码)。硬物理依赖于进程，而控制器是RTL代码，可以使用特定库将其合成为物理形式。接口IP的例子包括LPDDR4物理层和控制器，PCIe物理层和控制器等。

物理控制器和控制器彼此协同工作。为了确保互操作性，需要在PHY和控制器之间进行大量的测试和验证。为了确保SoC实现的首通成功，设计人员必须决定是由IP供应商还是由他们自己承担这个负担。从一个供应商采购PHY而从另一个供应商采购控制器是一个非常糟糕的主意，特别是对于汽车应用程序，您还必须对IP进行功能安全认证。

对于用于音频、视觉和通信的专用dsp来说，问题非常相似，“你希望依靠IP提供商来准备系统，并完成所有可能在上游执行的验证，”Wong说。“然后你就可以有信心，你可以依靠某种形式的责任分担来纠正结构。最重要的是，音频、视觉和通信解决方案不仅仅是硬件解决方案。实际上，它们是系统解决方案，您必须确保操作系统、调试器、工具链和应用层都被一起验证。零敲碎打的解决方案会带来太多风险。除了IP子系统验证之外，硬件仿真、C建模和芯片/板协同设计都将在早期验证中发挥重要作用，以确保复杂SoC设计的成功部署。”

早在定制专用集成电路和定制设计的时代，微软的营销副总裁凯文治之软件他回忆起谈到VLSI设计(现在的SoC)。“然后，人们谈到了这些弗兰肯斯坦芯片，这些芯片是多个子系统的合并和集成。你可以用摩尔定律来类比。随着技术的进步，每个节点都允许您吸收越来越多的功能。经典的说法是它节省了电路板上额外的芯片，所以它降低了整个系统的功耗。它降低了成本，也降低了互连。拥有非常智能的功能独立芯片意味着使用PCB，您必须处理该级别的接口。把它们放在芯片上，你突然就有了非常宽的总线和非常好的通信。”

这使得系统设计相对简单，但在7纳米及以下的情况下变得更加困难。

McDermott表示:“我们已经吸收并整合了一些内容，并对自己拥有所有这些出色的核心感到非常满意，但我们并没有真正从传统或正确的系统层面来看待它。”如果你有一刀切的心态或方法，生活将会很艰难。我们在这些新市场中看到的——物联网、机器学习和人工智能——实际上没有解决方案。没有每个人都购买的参考单一硬件配置。但在软件方面，也没有统一的操作系统结构或协议。没有一种方法可以解决这些算法。每个大市场都有很多细微差别。以前从未发生过这种事。我们有未知的软件和硬件试图解决问题。”

结论
随着不断的复杂性和芯片架构的变化，以解释设备扩展的放缓，IP在系统设计背景下的作用变得越来越重要，并且越来越不结构化。

好消息是，有很多技术可以从多个角度解决这个问题。坏消息是，有更多的IP需要整合，其中很多都不是标准的。

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