后摩爾定律時代 SoC設計何去何從？
2014-09-23 20:47:47 本站原創隨著摩爾定律的失效以及20nm、16nm和14nm工藝變得越來越昂貴，系統級芯片(SoC)的成本下降必須在更加成熟的工藝和既定的方法條件下進行設計創新才能實現。公司期望能夠通過率先推出普通產品、然后依靠使用更小工藝制造第二個更高性能版本來贏利的時代已經一去不復返了。
每一個設計小組都知道在以下方面實現質量改進的價值：更小的裸片尺寸;更高的帶寬;更低的功耗;更高的生產率;靈活的服務質量。
然而，當下SoC設計的現實迫切要求我們盡快重新評估成熟的半導體工藝以實現更高的效率，進而實現更低的成本、更高的性能和更短的上市時間。由于縮放到更小尺寸不會產生像過去那樣促進半導體行業發展的相同的經濟或技術利益，現在是時候考慮有什么別的可能來保持業務的增長和技術的創新了。
總之，現在半導體行業需要更加關注優化芯片的初始設計，而不是寄希望于未來工藝節點縮小來滿足成本、性能和功耗目標要求。
隨著摩爾定律的失效，SoC公司應該尋找新的方法來優化設計工藝。下圖展示了半導體行業面臨的縮放挑戰。
圖1：半導體行業面臨的縮放挑戰。
更好的SoC設計
下面是一個更好的SoC設計以及一個更好的SoC設計工藝能夠帶來的一些定量好處。如果28nm工藝節點硅片面積的平均價格是每平方毫米大約10美分，那么裸片尺寸即使減小3至4平方毫米也能節省數百萬美元。對于大批量產品來說，減小這個尺寸是可能的，目前正在為無工廠創新企業提供比競爭對手更有意義的經濟優勢。設計師還在嘗試減少多達一半的走線和互連門。
芯片內更高帶寬的連接可以提供更高的性能。1.6GHz以上的片上鏈路縮放可以改善工作在600MHz的子系統性能，并提高多媒體數據流的服務質量(QoS)。
更低的互連功耗最多可以將總的芯片功耗減少0.7mW，從而顯著延長移動設備兩次電池充電所需的時間間隔。雖然處理器和GPU功耗使互連功耗相形見絀，但它們只工作很短的一段時間。因此以互連功耗為代表的系統空閑功耗占系統功耗的主要部分。
生產率：在SoC設計領域中時間就是金錢。由100個人組成的軟硬件小組每年的成本約為2400萬美元，或每個月200萬美元。如果某項設計工藝優化可以縮短30至35天交貨，那么這個小組就可以節省200萬美元以上的工程成本，并且還能比競爭對手更快上市。
上市時間：如果有方法能夠將開發周期縮短二至三個月，那么大多數設計小組都會對這種方法特別感興趣的。許多無工廠公司已經通過加快上市時間節省了400萬至600萬美元的成本。
初始設計：不再是每兩年或每16個月生產一種SoC，現在可以每5至8個月提供某個主設計的派生品。大多數公司在設計周期后期都因為布線擁塞和布局布線問題而糾結于互連。然而，如果這些延時可以縮短甚至取消，那么無工廠公司就能提供更多的產品以服務多個市場。
如何快速改進SoC設計工藝
所有這些改進都發生在當下，從這些深厚市場和性能優勢獲益的小組開始放棄他們老的互連設計方法，轉而采用網絡芯片(NoC)互連IP。
對SoC設計的互連部分而言，一般有三種選擇：繼續內部努力;由分層總線和可配置交叉矩陣組成的互連IP;網絡芯片(NoC)技術。
雖然SoC設計中越來越多的內容來自第三方IP提供商，但互連矩陣IP是仍處于過渡時期的一個領域。內部努力不可避免會半途而廢，因為IP內容在不斷增加，被分配了互連開發任務的設計小組無法跟上最新的變化和越來越大的復雜性。
由分層總線和可配置交叉矩陣組成的互連IP也在努力緊跟IP集成趨勢，過去的40nm時代芯片通常有15個IP內核，而現在的28nm設計中會包含40個甚至更多個來自多家供應商的IP模塊。
設計師應該評估能夠驅動最高產品質量的互連技術。更低的產品成本和靈活的硬件架構應該享有同樣高的優選等級。NoC IP最有資格用來同時提高產品質量和生產率。
如果SoC總體目標是要提高良率和質量，降低成本，那就好好考慮一下NoC互連IP可以提供而競爭性解決方案不能提供的優勢：IP靈活性;工具自動化;建模輸出;版圖友好的建模輸出;基于UVM方法的驗證;自動測試平臺生成;不同協議的支持;FPGA模擬映射;改進的市場響應能力。
世界上最復雜的一些SoC包括移動應用處理器和數字基帶調制解調器，它們都集成了NoC技術，并作為SoC骨干互連矩陣使用。上述改進都是Arteris公司客戶努力得到的真實數字。使用NoC互連技術帶來的優化能力可以幫助這些公司提高芯片性能、降低芯片成本，從而提供明顯的市場優勢。
Arteris公司從2006年開始就提供基于數據包的NoC互連IP解決方案了，在經過160多個初始設計、85個出帶和50個電子系統中的產品化SoC之后，公司已經積累了相當豐富的經驗。高效的NoC互連必須具有上述完整的性能和功能集，使SoC設計在質量、性能和生產率方面真正受益。
任何設計的互連部分都不應被視為普通商品：它是SoC的骨干，連接著SoC上的所有IP功能。當高效的NoC互連帶給SoC的所有好處加在一起時，很顯然性能和成本方面的收益可達數千萬到數億美元，具體取決于SoC的復雜性、SoC規格目標、項目數量和生產量。
