CoreFrame片上总线专利对SoC设计者构成威胁

PalmChip公司宣称,它于2003年7月29号获得的一项专利覆盖了几乎所有现代系统级芯片(SoC)设计中用来实现片上CPU总线结构的技术,并警告说,CPU或系统互连知识产权(IP)提供商和大多数SoC设计团体可能正在侵犯这项新的专利。

“我们首先会通知SoC业界:我们已经被授予这项专利,”PalmChip公司行销副总裁James Venable表示,“我们希望给那些正在创建片上总线的公司一个机会,让他们检查自己的技术是否与我们存在冲突；如果的确有冲突,那么请与我们联系。我们对此事抱着合作的态度,而不是想惩罚某些公司。当然,我们也将积极地保护自己的专利权。”

这项序号为No. 6,601,126的美国专利阐述了一种用于连接CPU、存储器和外围器件的片上互连结构。它采用单向而不是三态总线,并带有集中式的存储器控制器和分离的低速和高速外围总线。

实际上,这项专利描述的是由PalmChip公司推出的CoreFrame技术。但是包括ARM的Amba和IBM的CoreConnect在内的许多SoC互连方案也能采用单向的复用路径和分离的高、低速总线来实现。

这项专利的真正意义并不在于详细描述CoreFrame结构和协议的文字,而是在于它的声明。该专利包含16点声明,涉及使用点对点单向连接替代三态总线的SoC总线结构；每条位线只使用单个缓冲器的总线结构；通过一个共享的主存储器来交换数据的总线结构,而不是直接从外设到外设进行传输的总线结构；以及低速总线使用不同与总线控制器时钟频率的锁存器和外设的总线结构。

通过这些广泛的声明,该专利抓住了片上总线发展的关键点。据芯片设计者反映,这项专利可适用于当今的绝大多数SoC设计。

“在最初,当设计人员刚开始把IP置入芯片中时,业界有一种倾向,即直接移植IP原有的系统总线,而不论它是什么。”MIPS科技公司产品战略总监Thomas Petersen回顾道,“但是当人们尝试将三态总线置于芯片上时,他们几乎立刻认识到这是个糟糕的主意。显而易见的替代方法是使用单向连接和多路复用器来模仿这种总线,这正是大家已经采用的做法。”

我们有许多很好的理由可以说明为什么不应在SoC设计中采用三态总线,即使某些设计者仍坚持这么做。双向总线令测试开发人员感到十分头疼。而且,在先进的工艺下,总线争用现象很可能会损害互连。这将导致逻辑故障被错误地诊断为成品率问题,从而使查找问题根源的工作变得更复杂。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:上图为CoreFrame架构,许多SoC都使用类似的CPU总线方案。">

但是最初弃用三态总线完全是出于另一个原因。“实际上是FPGA开发商发明了多路复用方法,”Tensilica公司应用工程总监Leo Petropoulos解释道,“他们的逻辑单元没有三态驱动器,所以当FPGA变得足够大以致需要片上总线时,他们不得不寻找一种替代方法。我大约是在1991年第一次见到这种多路复用方法。”

自从多路复用方法诞生以来,它就与当前的ASIC工艺和工具配合得很好,所以它被SoC设计界广泛采用。到90年代末期,ASIC供应商强烈反对在芯片中使用三态缓冲器,而IBM微电子公司甚至完全禁止使用它们。在那时,多路复用开关和单向互连已经几乎普及。

有关“先行技术”章节的争议

这个时间暗示这项技术的生效期存在极大的活动余地。这也使PalmChip面临一个严重问题。这家公司是在2000年5月2日递交专利申请,而那时由三态总线向多路复用总线的过渡已经基本完成。这项专利可能遭到异议,因为它试图把在专利生效日期之前已经在业界普遍实践的结构声称为自己的专利。

PalmChip的专利文件在其“先行技术”部分用冗长的章节讨论了使得CoreFrame技术大受欢迎的技术需要和市场挑战。但是它没有明确指出在专利声明中所描述的那类总线结构是否已经得到广泛应用。

在SoC历史的早期,任何集成到单芯片上的IP技术都可以获得专利。但是随着SoC迅速增多,专利审查员开始发现许多集成是显而易见的,因而不能被授予专利。所以,专利申请人必须通过详细的声明来表明,尽管技术思想可能是显而易见的,但是由于存在一定技术难题,因此解决方案并不是显而易见的。

PalmChip的官员明确表示,他们相信在正确的理解下,新专利不会与先行技术重复。该公司首席执行官Jauher Zaidi宣称:“这绝对是单向总线结构在系统级芯片中的首次应用。”该专利强调了SoC的角度。“在PalmChip的专利之前,大多数通用片上总线都是三态的,各种技术已经被应用在其它各类芯片中,如微控制器。”Zaidi表示,“但是在SoC领域,PalmChip掌握了优先权。”

不过,一些业内人士可能会就“SoC”的定义与PalmChip发生争论。在这方面,PalmChip的专利显然是含糊不清的。它用以下条款定义了自己的效用范围:“这项发明一般关联到灵活的模块集成电路实现,特别是在单片半导体集成电路上构建和连接各种计算机处理器、存储器、外设与其它功能模块的结构化框架。”

这个定义既适用于一系列微控制器,也适用于以更传统的眼光来看是SoC的芯片。这并不令人感到惊奇,因为迄今为止,SoC一直缺乏一个被广泛接受的定义。但是有关先行技术问题的争议是应用还是击垮PalmChip专利的关键。

如果说这项专利可能对现有的芯片总线结构和SoC设计造成很大影响,那么它对未来SoC设计的影响似乎就比较有限。“现在,我们正处于一个困境当中:基于多路复用的传统总线方法导致走线拥塞,并给布局工具带来巨大挑战,”Tensilica公司的 Petropoulos指出,“人们开始脱离时域的复用互连方案,并考虑在SoC的主要模块之间采用基于包的互连。”

事实上,块间互连的发展路线非常类似于公共语音电话网络所走过的道路。共享的时分复用总线互连正在向更复杂的结构发展。“用交叉开关(crossbar switch)来连接模块的想法一直存在,”MIPS的Petersen分析道,“但现在,芯片架构开始把服务质量(QoS)的概念应用到片上交叉开关。如果我们能拥有真正的标准互连和即插即用的IP,那么这些开销将是值得的。”

不过,PalmChip也在向前看。“事实上,作为我们开发下一代架构的部分工作,”Zaidi表示,“我们已经提出额外的专利申请,将覆盖在SoC中使用交叉开关和矩阵网络的关键概念。”

因此,PalmChip的声明以及由此引发的争论还远未尘埃落定。

作者:张国勇