陸俊峰
(安徽芯紀元科技有限公司 安徽省合肥市 230088)
按照摩爾定理預測,集成電路制造技術飛快發(fā)展促發(fā)集成電路設計進一步發(fā)展,設計自動化的研究越來越受關注。在電路設計過程中出現(xiàn)的低成品率、低可循環(huán)利用率低以及高設計成本等問題日漸凸顯。更進一步講在正向和逆向分析的應用中,集成電路規(guī)律性的意義和作用越來越大。規(guī)律性提取是人類在認識、改造自然環(huán)境的實踐活動中形成的提煉性和總結性的經(jīng)驗。設計自動化實現(xiàn)的研究和探索中,將規(guī)律性提取作為其基本研究手段被逐步采納和推廣,并作為關鍵核心技術應用到下一代工具的研發(fā)中去。規(guī)律性思維在當前并未在芯片設計研發(fā)中得以廣泛普遍應用,但是在成品率提升上有很大的促進作用。尤其在涉及門級電路自動化分析有效性等的實現(xiàn),已獲得各方廣泛認可。在集成電路的設計中,規(guī)律性思維的引用勢必會引起新的思想、方法和工具的革新。
復用技術基于綜合多路信道,在傳輸路徑上通過恢復原機制或解除終端各信道。復用技術在數(shù)據(jù)傳輸過程中使得信道傳輸效率不斷提高,且應用廣泛。數(shù)字集成電路誕生之日起,復用技術就與之有著千絲萬縷的緊密關聯(lián)。集成電路規(guī)模的的變革都受到復用技術的深刻影響。在數(shù)字繼承電路設計過程中,復用技術推進從全定制向半定制化轉變。與此同時,重復使用各種存儲模塊RAM、ROM 等存儲單元,最大限度滿足不同規(guī)模的存儲模塊。在數(shù)字集成電路開發(fā)過程中,門電路、FPGA 等重復使用各種等LE(logic Elements),價格昂貴的流片且漫長的周期都可以避免,而且能夠準確地驗證設計思想是否可行??偠灾?,在數(shù)字集成電路的研發(fā)過程中,復用技術的應用將推進集成電路設計實現(xiàn)根本性的革新。隨著SOC、SOPC、ASIP 技術推陳出新,給數(shù)字繼承電路的設計思想帶來全新活力。技術變革的同時,復用技術也得以更加徹底應用。技術革新滿足不同領域對的MCU 差異性與多樣化需求。當數(shù)據(jù)匯總中發(fā)現(xiàn),某幾條特定的指令被重復使用的頻率高,則可實現(xiàn)對相應的指令進行融合,化為一條,并確保硬件相匹配。與此同時對未使用的指令進行裁剪,使得形成專用指令集處理器(ASIP)來滿足數(shù)字繼承電路設計與開發(fā)。
作為數(shù)字集成電路設計中的重要趨勢之一,SOC 融合軟硬件協(xié)同設計、IP 核復用和超深亞微米為技術等,。在數(shù)字繼承電路設計中以采用不同的設計方法學來解決研發(fā)過程遇到設計的瓶頸和難題。復用技術在數(shù)字集成電路設計中,軟硬件協(xié)同設計、IP 核復用和超深亞微米設計等也為其帶來新的難題和挑戰(zhàn),而復用技術成為解決這些難題的重要手段和方法。復用技術能夠在數(shù)字集成電路規(guī)律性提取中各個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用,比如在涉及的邏輯綜合、布圖、制造、測試及集成電路分析階段等各個環(huán)節(jié)。需要注意的是數(shù)字集成電路規(guī)律性提取工具在當前發(fā)展中相對缺乏,成為制約整個集成電路產(chǎn)業(yè)的瓶頸。集成電路規(guī)律性提取工具的需求是巨大的。
圖1:復用計數(shù)在芯片設計不同階段的作用
按照集成電路設計的不同階段劃分,通過晶體管級、門級及系統(tǒng)級等三個不同的設計層次,可對集成電路的復用技術進行分析。
SOC 具有高集成度和復雜度的特點,使其在時代發(fā)展中遇到的問題增多。傳統(tǒng)的電路設計思想和方法已難滿足實際發(fā)展需要。復用技術在SOC 設計中的應用本質上是提取設計中經(jīng)常重復使用的功能、結構甚至方法,并最后創(chuàng)新性地轉化為不同形式,來推進SOC 設計的不斷優(yōu)化和實現(xiàn)其效果最大化。在SOC 設計的各個階段復用技術所發(fā)揮的重要作用是顯而易見的。比如,在對晶體管級的電路網(wǎng)表實行重復性結構提取,能夠掌握對門級的電路有系統(tǒng)描述。
如圖1所示,復用技術在芯片設計的不同環(huán)節(jié)和階段所呈現(xiàn)的作用顯著。
隨著數(shù)字集成電路技術突飛猛進,從面積上看,芯片面積飛速擴大,但是并不意味著單位面積上的晶體管數(shù)量會降低,反而呈現(xiàn)激增趨勢。這就客觀導致芯片的制造和測試成本成提升,經(jīng)濟性問題成為芯片開發(fā)過程中不得不面對的問題。為此,在芯片的物理設計環(huán)節(jié)上,版圖自動化分析變得尤為關鍵。傳統(tǒng)的版圖主要涉及DRC、LVS 以及參數(shù)提取工具等三大類工具。LVS 作為晶體管級的子電路提取問題的關鍵,而集成電路提取問題需要綜合考慮該標電路中是否含有指定功能或結構模塊,并對相應的模塊的數(shù)量和位置予以明確。
集成電路的構成是由若干個錯綜復雜的抽象層次構成,因此擺在從晶體管級到門級的提取和從門級到功能模塊級的提取成為制約電路提取的核心問題之一。按照當前數(shù)字集成電路研究現(xiàn)狀,從晶體管級到門級的子電路提取算法研究較為成熟,有系統(tǒng)成熟的模型可供借鑒利用,目前市面上很多商用的軟件都能應用到工程日常工作中來。然而,從門級到功能模塊級的子電路提取問題成為芯片開發(fā)過程中的“老大難”問題。門級到功能模塊級的子電路提取算法又被看成是集成電路規(guī)律性提取算法。在當前數(shù)字集成電路涉及中,它將整體性、布局性、綜合性等不同階段把規(guī)律性設計的思想引入。通過門級復用技術的引入,能夠對于電路性能的提升、芯片設計復雜性降低以及芯片的成品率提高等都能帶來積極的作用。
按照常規(guī)情況來看,按照流程來劃分,數(shù)字集成電路的的設計優(yōu)化需要從較高層次的優(yōu)化開始,其優(yōu)化效果會越發(fā)明顯。以低功耗優(yōu)化案例來論證這一結論。在系統(tǒng)級模塊中,IP 復用技術是相對成熟的,其在SOC 設計中發(fā)揮的作用顯著。拋開其優(yōu)勢,需要辯證地分析IP 復用自身存在的的局限性。IP 復用技術只能夠在原有的成熟的IP 上進行修改、擴展,并不能根據(jù)實際需要展開隨意的剪裁、配置甚至擴展,其所耗費的時間和精力成本與開發(fā)一套新的程序成本相近。這就極大地限制了IP復用在實際應用中的普及推廣。
數(shù)字集成電路的復用技術除了在傳統(tǒng)的SOC 設計中進行廣泛應用,其集成電路的反向分析的作用意義也非常重大。集成電路反向分析目前僅能靠人工分析來完成,自動化程度與數(shù)字化程度普遍較低,人工進行反向分析效率低且誤差較大,進而對集成電路行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生不同程度的負面影響。隨著從門級到功能模塊級的分析整理成為整個反向分析需求不斷增加,與此同時,芯片規(guī)模不斷擴大,其成本不斷加大的不利背景下,自動化工具的引入和應用在數(shù)字進程電路設計的需求日漸迫切,也成為制約集成電路快速發(fā)展的重要癥結。為了從拓撲結構上更好地理解和掌握對門級數(shù)字集成電路,需要重點聚焦電路中等效結構和等效功能提取算法,最終可以順利完成自動的提取候選子電路工作。
在復用技術引入數(shù)字集成電路設計中來,需要將數(shù)據(jù)挖掘的思想引入集成電路規(guī)律性提取中來,解決傳統(tǒng)規(guī)律性提取中存在的瓶頸和問題。
按照接口控制電路通用結構特性,接口控制部分、數(shù)據(jù)通路部分及傳輸控制部分的接口電路,可以按照一定的設計原理,將其設置成可復用架構。該構架一旦搭建完成,便可在CF 卡及MMC 卡等接口控制器核的設計進行廣泛應用,可最大限度對構架進行復用。在設計中進行可配置性與參數(shù)化優(yōu)化,解決用戶所面臨的需求問題,并從設計優(yōu)化的方案中,提升用戶使用體驗和滿意度。與此同時,在構建接口電路的可定制可復用架構過程中,可根據(jù)用戶自身實際需要選擇適配的配置,剪裁、定制IP 核的功能可以靈活應用。
二同構模型能夠很好地解決傳統(tǒng)大規(guī)模集成電路中根節(jié)點存在的空間過大的瓶頸。在優(yōu)化設計中按照模板自動生成與同構子電路提取相分離的特性,提供統(tǒng)一的數(shù)字化表征方法來解決門級集成電路規(guī)律性提取中出現(xiàn)的多種結構的模板問題。對比原有的算法,采用二同構電路提取模型,不同形狀模板的表征能力可以獲得不同程度的拓展,并將頻繁邊作為模板的基本元素,從而使得規(guī)律性提取時一些不必要的操作可以避免出現(xiàn),最大限度增強設計的可重用性和靈活性。
在集成電路頻繁模式的提取中將數(shù)據(jù)挖掘的思想系統(tǒng)引入,建立起可通過控制最小支持度閾值來改變頻繁子電路提取結果的規(guī)律性提取流程。該設計方法充分充分考慮到,當與頻繁子電路規(guī)模增大,但是所有根節(jié)點集合迅速減小的特性,利用二同構模型對小規(guī)模電路結構進行數(shù)字化表征,使得算法運行效率有很大提高。與此同時,該方法在在提高頻繁子電路的提取效率上有很大作用。
復用技術在數(shù)字集成電路中普遍應用,尤其是功能規(guī)則性的自動化提取引發(fā)的高關注,使得其成為數(shù)字集成電路設計核心技術之一。尤其是復用技術在SOC 設計中的應用,系統(tǒng)級和基本電路結構的深入研究,集成電路逆向分析自動化等問題已經(jīng)被廣泛關注。數(shù)字集成電路規(guī)律性提取算法必須堅持從其固有的復雜性實際出發(fā),以SOC 設計環(huán)節(jié)中可優(yōu)化的實際性問題入手,進行不斷的創(chuàng)新與拓展。在新的技術更新背景下,要實現(xiàn)集成電路規(guī)律性提取的自動化,就需要有效降低搜索空間和提高算法的搜索效率。今后,要努力在搜索速度提升與結果質量之間達成一種平衡,推進復用技術在數(shù)字集成電路設計中有突破性進展。