設計再使用的挑戰和策略分析

設計再使用是加速設計效率和降低成本的有效方法，但設計工程師同時還必須注意設計再使用的易用性、可配置性以及第三方所能提供的技術支援和相關技術配套，如設計文件、設計驗證和測試工具等。本文分析了設計再使用所面臨的多種挑戰因素，並提出了相關的設計再使用策略。

晶片製造商之間的競爭日趨激烈，為了搶佔市場先機都以最快速度推出符合新標準的晶片，這些新標準包括IEEE802.11g、10Gbps乙太網路、USB2.0、USB On-The-Go、藍芽和PCI Express。研究顯示產品壽命週期在不斷縮短，但由於設計複雜性的增加，設計週期卻加長了。

更高的設計複雜度和計畫時程的縮短使晶片設計工程師面臨更大挑戰。隨著閘數量不斷倍增，設計團隊的工作負載達到了飽和點，在無法再增加設計人員的情況下，設計工程師越來越不能滿足市場的要求。為能及時滿足市場需求，晶片設計工程師必需藉由設計再使用來利用重要的IP。IP再使用可以使工程師能在短的時間內實現高性價比的產品設計。

IP再使用的挑戰和策略

隨著新產品的開發時間減為三個月甚至更少，縮短上市時間對於系統單晶片設計具有很大的挑戰。為加速產品上市，設計工程師必需藉由再使用重要的IP來避免重覆工作。再使用IP的優點是降低了進行再設計成本，並減少了在設計中出現錯誤的風險。IP再使用存在的挑戰是要確保藉由矽驗證IP的易用性和可配置性，易用性在很大程度上決定於IP設計是如何實現的。在需要IP再使用的設計中可能需要一個不同大小的FIFO、另外的暫存器、不同的數據/地址寬度，以及不同系統匯流排介面和不同的製程技術等，在大多數情況下需要對IP作一定程度的修改。

為使一個設計能為將來再使用，需要設計工程師遵循標準的再使用方法，以保證設計一致性。其中一個考慮因素是RTL編碼指南，它列出了設計工程師應遵循的編碼規則，像使用簡單結構、時脈方案、分割方案、命名慣例、參數使用、製程和狀態機的標準結構等。這樣的目的是得到一個規則的、便於理解和可配置的設計。

除了RTL編碼指南外，還有用於合成和驗證的編碼指南。合成指南提供用於製作合成腳本的規則，目標是使之符合設計工程師技術庫時序規格要求。合成指南包括合成策略，像設計分割、至上而下和至下而上的合成、掃描插入、時序預算、輸出負載預算和輸入驅動單元，以及溫度和電壓這類工作條件、時脈樹的處理、數據通路等。

驗證指南的目標是製作一組可再使用、強韌的和全面的測試平台來實現零缺陷，這種測試平台應該可以配置以用於不同設計實現的參數。模擬腳本和測試平台也應能與在整個系統測試過程中使用的其他驗證工具相容。驗證策略應按不同類型的驗證以及所用驗證平台的類型來進行編制。測試類型包括標準一致性測試、邊界測試(Corner testing)和回歸測試(regression testing)等，而驗證平台包括測試平台自動化工具、程式碼覆蓋工具和模擬等。

當一個公司進行設計再使用時，一般會有一個中央資料庫管理系統，用來控制IP的不同版本。隨著內部和第三方IP的增加，能夠管理、分配、控制和提供基於知識分享系統的基礎設備變得越來越重要，因為它將影響到設計週期的長短。根據多個像VSIA和OpenMore之類的業界標準來評價一個設計工具也有助於減少評估過程。透過一個靈活的設計過程控制系統，IP管理系統還應該能設立一個設計環境，將IP與設計以及驗證工具整合起來，設立一個完整的可伸縮的SoC設計方案。

設計再使用的成本問題

在實現設計再使用時要做出大量的工作，這些工作直接轉換成工程成本。決定是使用已經採用了設計再使用方法的第三方IP來實現設計再使用，還是在內部再製作一次性設計或內部實現可再使用設計，這樣的決策對最終的成本有很大的影響。以圖1為例，設計一個用於將來可再使用的USB核心開發成本大約是36萬美元(假設需要一個工程師，年薪為12萬美元，三年的設計時間)，比僅用一次的設計成本超出80%，比從第三方購買現成的IP要貴260%以上。當設計被多次再使用，再使用的成本(圖中藍色)也就增加，但不會比多次設計成本(圖中紅色)高。該圖清晰地說明從第三方IP供應商處購買要比多次設計更為經濟。在本例中，如果設計再使用不超過三次，每次使用的模型(圖中黃色)更為經濟。為了認真評估每一種選擇的成本問題，工程師必須了解設計複雜性。

設計再使用和使用第三方IP的問題可以透過一個乙太網路系統的實現來說明。在一個乙太網路系統中有三個基本的建構模組，即為開放式系統互連(OSI)3-7層、乙太網路媒體存取控制(MAC)控制器、實體收發器和實體層(PHY)，如圖2所示。OSI層通常由軟體單元組成，MAC控制器是一個數位元件，PHY是一個類比元件。實現MAC控制器有三種選擇：使用市場現成的分離元件、自行設計控制器，或者從一個可靠的供應商購買第三方IP。

使用一個標準的乙太網路分離元件似乎是最簡單的方案，具有最低的風險，但當對產品進行量產時，這並不是最經濟的方案。此外，在進行選擇時還有其它考慮因素，如元件的定製和可配制性等。具體決定時可能要求一個單晶片方案，將收發器、PHY與MAC控制器整合在一起，或者鑒於CPU的原因，系統匯流排可以不同。在大多數情況下，成本是最主要的決定因素。而在內部自行設計這個系統需要許多工程資源，如果從零開始則要求更多。此外，必須考慮產品的上市，按目前乙太網路新產品投放的速度，任何的延遲都有造成產品過時的危險。

任何新設計都有機會在功能上進行大改變，特別是像乙太網路這樣的產業標準，其中互通作業性是一個主要的要求，實現相容性問題也有很高的風險性。每一個乙太網路設備都必需獲得UNH認證來保證UNH的互通作業性，設計在提交正式版前必需得到認證。認證過程將識別新開發軟體堆中任何未檢查的邊界狀況，或發現一些在MAC層中的任何協議實現問題，還能檢查PHY中的電氣問題，如可能產生突波電流影響到實體層的正常執行。

根據業務的性質，採用第三方IP是一個較好的解決方法。採用第三方IP時需要注意是否具有現成的完整驗證套件、一個全面設計文件，以及供應商能否提供技術支援和能否長期存在。對於乙太網路設計來說，它的通訊主要依賴於協議，IP需要通過廣泛的協議測試和嚴格的內核心測試。供應商還應提供系統測試套件用於最後的SoC系統級測試。IP應該已獲得所有的認證和相容性測試。供應商還必需能在系統實現中支援設計工程師，並提供一個有關技術的規格文件、用戶指南和編程人員指南的全面文件。此外，這些IP還應該具有一定的可配置性，因為大多數第三方IP設計並沒有針對特定應用進行最佳化。當採用第三方IP案時，IP是否得到矽片驗證很重要，藉由驗證的IP能增強用戶的信心。像乙太網路這樣的標準產品需要大量工作來進行設計和驗證，採用第三方IP是一個更行之有效的解決方案。

本文小結

按照目前的設計規模，很多公司已經實現了某種形式的設計再使用。雖然實際的再使用方法各公司之間並不一樣，但本文的思考方式對於RTL編碼、合成和驗證方面有共同的意義。為保證設計成功實現，設計工程師必須遵循公司採用的指導方針。當決定如何實現系統時，系統實現人員還必需考慮產品的體積、成本、工程資源以及上市時間等因素。

作者：Desmond Kwek

高級應用工程師

Mentor Graphics公司