在Globalpress组织的Asiapress Electronics活动中,我对IDT、Atmel、PCTEL等位于美国硅谷的十几家公司进行了为期5天的采访,内容涉及EDA工具、IP设计、通信和网络集成电路以及消费电子集成电路等许多方面。目前,美国经济已经陷入衰退的境地,通过本文我希望中国的工程师不仅能够看清未来的发展趋势、挑战和机遇,而且可以领略他们在激烈竞争的市场上出奇制胜的策略。
硅谷是美国加洲阳光最明媚的地方,人们愉快地告诉我,在硅谷工作和生活享受到的是“sunny pay”!今年四月中,我有幸应邀访问硅谷的十几家高科技公司,硅谷之行最深刻的印象是各公司都非常重视与整机制造商或协作厂商建立战略合作伙伴关系,特别是建立全球战略协作伙伴关系,共同开发市场。
硅谷的芯片设计和制造商通常不直接参与整机制造业的竞争,他们在为整机厂家提供优质服务的过程中,不断掌握市场对现有芯片功能的改进要求,从而不断完善产品系列的定义、开发和服务。
重视产品的规划(plan)和市场策略,也给我深刻印象。例如视频数据流处理将是未来多媒体处理器的关键技术。Trimedia公司只出售核心IP,它规划市场,让芯片设计商和整机制造商去冲锋陷阵。
在硅谷,公司之间存在人才、技术和市场的全方位竞争,但是我感觉他们通常用技术手段来将自己的产品与竞争对手的产品区分开来,有些产品也存在交叉。因此,为了保护自己的技术和市场利益,IP创新和专利技术保护就成为安身立命的根本。
每一个新想法,都有可能创造出一个专利或IP。在这里,总裁或CEO带上好的思路(idea)辞职创办新公司的现象很普遍。除了业已形成的尊重知识产权的风气和制度之外,良好的风险投资体系、风险退出机制、丰富的人才资源、完善的配套服务系统等等,都为新公司的诞生提供了充足的养分。
本文试图介绍我所访问的十几家公司在集成电路技术方面的最新进展和发展趋势。
DPP技术使功率放大器获得80%以上效率
放大器的功效和信号的保真度如图1所示,线性AB类放大器的失真最小,但是功效最低；D类放大器的功效最高,但是失真最大,并且用D类放大器制造的音频产品体积和功耗很大,为了解决散热问题,需要安装巨大的散热装置。能否获得一种失真小、功效大的放大器呢？
Tripath公司将数字信号处理技术、混合信号处理技术、封装技术和功率集成电路技术融合,提出了数字功率处理技术DPP(Digital Power Processing)。该技术的基本框图如图2所示。它由自适应信号处理器、数字变换功能、静音控制、过载处理、故障检测、预测处理和量化逻辑功能电路等组成。
输入信号经过处理之后,获得振幅、频率等信息,然后确定输出开关信号的占空比,占空比与D类放大器不同,它在600kHz-1.5MHz之间变化,平均为600到700kHz,因而类似于扩谱工作方式。
传统的功率放大器对模拟信号直接放大,因而很难解决效率低、失真大、散热装置庞大等等一系列问题。新技术的突破在于:
- 通过信号处理技术,放大器所放大的是开关信号,而不是模拟输入信号,因而很容易大幅提升开关信号输出的振幅,从而获得很大的输出功率、很高的效率(80%-90%,远远大于模拟放大器的30%)和动态范围(100dB)。
- 由于采用自适应信号处理以及预测处理技术,由输出脉冲信号恢复出来的模拟信号能与输入模拟信号频率和振幅保持高度线性关系(不存在相位关系)。通过优化开关频率,输出信号的失真可以做到0.02% THD+N。
- 在采用新封装等一系列技术之后,芯片的体积做得很小,功率却很大。在高级音响设备中,传统的散热装置被极大地缩小或省略(传统设备输出100W的功率要产生225W的热量,而DPP技术只产生20W的热量)。
DPP技术的应用前景包括:xDSL线驱动器、手机功率放大器、数字音频、家庭影院等,超小型、大功率音响设备将从此走进千家万户。
融合多种协议的网络处理器芯片创建随时随地的互联
随着无线及网络互联技术的发展,设计工程师面临着多种网络标准系统之间互通所带来的新挑战,不同标准设备之间的互通成为人们关注的焦点之一。
在解决多标准、多协议问题上,在有线联网方面目前存在三个基本思路。
1. 在通信处理器的周围中集成ATM、以太网、USB和电话接口,从而构成满足CPE市场需要的单芯片解决方案。相对于软件可设置协议转换处理器而言,用硬件实现的多协议通信处理器的带宽和成本有很强的竞争力,它主要面向大型高速通信设备应用。这方面的代表是IDT等公司。
2. 基于软件的可配置网络协议转换处理器方案。它采用预先建立的软件模块,并根据应用环境对不同网络协议的要求,通过网络对芯片内部协议栈进行设置来完成协议转换,从而实现人与人、人与设备以及设备与设备之间随时随地的互联。Ubicom公司已经实现对基于10BaseT以太网、USB、UART、I2C、SPI、TCP/IP等不同协议设备的协议转换。
通过软件配置的网络协议转换器方案在一定程度上解决了通信领域不同标准设备之间的互通问题,尽管其通信带宽尚不算高,但标志着嵌入式网络处理器的应用真正步入实用阶段。
由于采用软件工具可以对网络协议转换进行实时配置,用户不必等待专用芯片的开发和生产,因而产品上市时间大为缩短。
3. 根据通信行业预测,未来几年内TCP/IP接口将成为芯片必备的功能。为此,业界的一些公司推出基于VHDL的TCP/IP知识产权,以许可证方式向微控制器设计或制造商提供设计服务。这种方式的好处在于,微控制器设计过程中有机会结合应用环境的要求进一步精简代码,从而控制芯片的成本,缺点是灵活性不够强。
这些新的网络芯片的出现,将使未来的工厂加工自动化、个人网络、电力管理、医疗服务、智能住宅、智能建筑、交通运输、汽车、酒店和宾馆等都通过网络联系起来,人们将享受到更加便利的服务。
Atmel在WLAN和蓝牙系统方面推出了两种解决方案。
- WLAN方案建立在单芯片的基础上,将以太网MAC处理器、ARM CPU和802.11MAC处理器集成到一个单芯片之中,从而形成“单芯片桥接(Bridge-on-a-chip)”方案。
- Pluton单片蓝牙基带控制器内部除了嵌入ARM处理器、蓝牙基带底层处理器之外,还配备PCMCIA、USB、UART、CVSD等接口,因而可以构成满足多种网络标准要求、基于多种平台的网络互联方案。Atmel产品业务总监Richard Bisset说:“Pluton方案是链路管理器和控制器的融合。”
各种成熟技术和模块融合构成单芯片方案是目前通信集成电路发展的最活泼的领域。单芯片SoC方案需要集成电路设计、制造、销售等全方位的配合,也需要包括设计方法、设计工具的全面创新。中国的通信系统芯片设计行业要解决复杂、多标准系统设计带来的各种设计挑战,并开发具有自主知识产权的芯片,就有必要多参加各种国际交流,国内同行业之间也要加强合作开发。
多媒体信息家电的发展促进CPU的发展
据美国经济专家预测,与因特网相联的家电数量将在2005年达到2.6亿,未来社会信息电器将取代PC成为随时随地可接入因特网的主要工具。常见的信息电器包括:PDA、掌上PC、手持PC、智能电话、GPS、个人通信装置等等。其核心控制器就是CPU。
据调查,用户对信息电器CPU的六大要求包括:
- 低功耗:低噪声、低热损耗；
- 高集成度:使整机系统的复杂度更低；
- 丰富的多媒体功能；
- 与x86架构兼容；
- 兼容多种操作系统,如Windows CE、Windows NT、Linux、QNX、BeOS等。据此,Rise公司推出了“低功耗多媒体x86信息电器CPU核(IA-500/600 x86 CPU core)”,该CPU核能够满足网络、无线和消费等产品的要求。
Rise公司总裁David Lin说:“PC并没有消亡,只是深深根植到信息电器之中而已。”选择x86架构是因为非x86架构的软件接口复杂、速度不够高。为了满足信息电器对功耗的要求,Rise采用了精简指令集、利用先进IC制造工艺和优化内部存储器设计等手段。
同时,通过采用三个整数和三个MMX超级标量结构、全管线FPU和高级片上电源管理系统,Rise CPU核具备很强的Java编程能力、多媒体和因特网浏览能力、高效的MPEG4视频数据流处理能力以及大幅提高系统可靠性的热管理能力。
VLIW(超长指令字)方法与超级标量方法相比数据处理吞吐量更大,因而在视频数据流处理方面拥有许多优势。Trimedia公司展现了Trimedia架购,它采用新的VLIW方法。
如图3所示Trimedia VLIW处理的概念图。在指令系统中,它消除了传统的VLIW架构中许多空(nop)操作软件指令；在硬件上,将ALU、除法器、乘法器和支持架构进行了精简和重新组合。
采用这种架构的CPU,能够完成繁重的控制和数字图像信号处理任务,灵活性大,多媒体系统设计的成本低。其目标应用是与图像处理有关的产品,如视频回放、数字相册、视频电子邮件、可视电话、互动电视等等。VLIW处理器核是构成多媒体SoC的核心,鉴于市场前景广阔,该公司只出售配备VLIW核的“Trimedia VLIW媒体处理器核”。
在实际应用中,SoC的重要特点是包含许多功能模块,其系统规模大、结构复杂、内部各功能模块之间需要通过总线连接,这对EDA和SoC设计方法提出了挑战。
SoC引发EDA验证和设计方法的深刻变化
业界认为,集成电路设计的复杂度遵循莫尔定律以每18-24个月的速度翻番,而验证的复杂性却以两倍的速度增加,完成验证占用的时间每9-12个月翻番。验证过程由于不能满足产品面市时间的需要。其延迟造成的影响引出了“验证断层”问题。随着SoC应用的普及,验证占据设计总时间的比重已经上升到75%以上,验证困难已经越来越尖锐地摆在SoC设计工作的首位。
目前,基于仿真的验证需要数百万的测试向量来验证一个行为,因而已经远远不能满足现实的设计需要,主要表现在仿真一般都处于系统集成完成之后,因而设计返工次数多,项目进度不能保证,验证的可靠性降低,更为严重是人们难以通过仿真方法突破现有的验证断层。
Averant公司推出基于静态功能验证SFV(static functional verification)方法的验证工具Solidify,SFV方法采用类似于数学上的穷举法来揭示设计中所有的行为特性,从而验证各种模块中可预测或不可预测的功能。如图4(a)所示为Solidify HDL验证工具的流程。在模块设计完成的同时,利用SFV方法进行代码检查,从而改进模块设计的质量,进而将问题消除在系统集成之前。图4(b)为发现故障和故障定位所花费时间的比较。SFV在模块级进行HDL代码检查,从而极大地缩短了故障查找和定位的时间。
遗憾的是这种工具只具备了Averant开发的VHDL和Verilog编译器,还需要与其他公司的设计输入、项目管理、波形分析和Debug工具结合起来,才能构成完整的验证系统。此外,待验证的模块门数目前只达到了100K,因而仅适合门规模适中的验证需要。
Novas公司从团队设计角度提出了解决验证问题的一体化方案。他们认为:1. 验证过程首先要排除人为的干预；2. 并行计算和硬件加速方法并不能解决SoC设计和IP复用过程中多功能、多设计人员、复杂验证环境所带来的挑战；3. 新的Debug系统具备的特性应包括:加速设计注视的理解；自动定位并隔离故障；俘获和记忆所有故障的数据,分享对故障注视的理解以及集成所有Debug结果的能力。
如图5所示为Debussy故障诊断工具的原理图。该系统直接从原始的Verilog和VHDL源代码对设计进行编译,编译内容包括测试基准、行为代码、可综合逻辑和门/开关级网表。在编译的过程中,系统检查基本句法错误,采用综合技术来识别电路的单元,并将详细的设计信息存储在知识库(KDB)中。利用KDB,系统可以校正设计的仿真和验证结果并生成电路图。
这样的系统为设计团队的工作提供了极大方便,其配备的nTrace、nSchema、nState、nWave、nCompare和nLint等模块系统,可以根据设计任务和团队的大小以及预算的多少来加以配置,构成一个基于KDB的集成可视工具。其最重要的特性之一是共享设计资源,实现设计和验证一体化从而加速设计和验证的进程。
由于克服了传统的仿真器、形式验证工具和时序收敛工具的许多局限性,Debussy工具使设计工程师能够在一体化的设计环境中,观察设计和验证的每个步骤,加速Debug,并帮助工程师理解不熟悉的代码,使相距遥远的不同设计小组能够不受时间和空间因素的制约,根据设计工具记录的结果更好地完成像SoC设计这样的团队项目,并通过Debug更快地找到复杂芯片设计问题的解决方案。
除了设计工具之外,人们目前在SoC设计过程面临的最大挑战之一在于:系统内部各模块之间的连接存在多种总线结构,如系统总线、用户专用总线、控制线、外围总线和总线桥等等,从而造成模块间通信步调不一致、IP模块更换麻烦、验证和测试困难等问题,更重要的是数据传输带宽受到内部总线的极大制约,无法满足多媒体数据流处理的需要。
Sonics公司推出的uNetwork结构使SoC设计方法酝酿革命性变化。其基本思路是利用网络互联的思想,构造一个片上通信系统OCCS(On-chip Communication System),如图6所示为开放式内核协议OCP(open core protocol)与SiliconBackplane uNetwork的结构示意图。
在图中,各种IP利用OCP通过标准uNetwork进行通信。OCP和uNetwork具备高度的可配置特性,通过专用的快速前向开发环境来设置。
用户可以通过配置OCP来满足不同IP对通信的要求,例如UART设计工程师可能将OCP插槽设置为8位数据字、3线总线、简单的握手方式和单一中断申请线。而SoC设计总工程师则根据通信数据吞吐量的要求,对uNetwork进行配置,内容包括:时钟频率、内部数据宽度、管线的深度、寻址图、控制流程路由等。
基于uNetwork的系统能够简化系统中IP的集成,使系统模型易于实现验证和软件开发,并在很大程度上降低系统设计中的不确定因素,从而使SoC系统设计人员能够有效地管理各种IP核之间的数据通信,最终缩短产品上市时间。
uNetwork的突破在于,人们通过网站,可以利用网上提供的IP实时验证并模拟SoC设计的思路,内容包括:估算系统性能和门数、验证IP核的互通性等。Sonics公司CEO Drew Wingard说:“uNetwork的出现在一定程度上标志着Soc设计方法已经取得革命性突破。”
然而,正如我们看到的那样,设计和验证方法的发展是互相促进的,uNetwork的出现,预示着IC验证技术将随之作出重大调整。
小产品、大市场、低成本是不变的成功法则
作为本文的总结,我想提一下成立于1994年的PCTEL公司。
通过HSP技术实现的软件调制解调器+网卡这一个产品,该公司从1996年到2000年连续5年盈利,净收入平均年增长率为13%,成为硅谷发展最快的50家公司之一。谈到成功的经验,CEO和总裁William Roach说:“因特网发展的大环境为我们提供了发展机遇,将‘世界连接起来’就成为了我们的使命。”
可能很少有人想过用软件方法实现调制解调器。PCTEL公司采用主机信号处理HSP(host signal processing)专利技术进行信号处理,从而使传统的基于控制器的多芯片调制解调器方案变为只有两颗芯片的超小型调制解调器,并且集成了网卡功能。该方案不仅极大地降低了功耗,而且成本也大幅削减。在激烈的市场竞争中,还有什么比低成本更锐利的武器呢？
William告诉我:“‘专利技术+低成本+与大用户的牢固合作关系’是取得竞争胜利的重要保证。”
我想:中国有竞争实力的电子整机产品制造商不少,能否适时退出,加入到集成电路设计、制造领域竞争呢？这里有许多发展的机会。
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