Арно Рудольф

Все меняется в эпоху SOC

    Изменения в подходах и методах разработки сложных систем, происходящие сегодня, затрагивают буквально всех — системных разработчиков, разработчиков и производителей ASIC- (Application Specific Integrated Circuits) устройств, EDA- (Electronic Design Automation) компании, а также в не меньшей степени и конечных потребителей. Так, для специалистов по ASIC все чаще используемое понятие однокристальной системы — SoC (System on chip) — означает, что подготовка к безболезненной интеграции внутренних, внешних продуктов (или виртуальных компонентов) заказчика, а также разработок, являющихся его интеллектуальной собственностью (Intellectual Property — IP), становится не менее важной, чем, скажем, ориентация на самые передовые технологии производства.

Однокристальные системы

    Понятие однокристальной системы (SoC), строго говоря, не является чем-то абсолютно новым. Производители полупроводников уже используют его на протяжении ряда лет для обозначения матриц простых вентильных структур для RAM, ROM и макросов типа умножителей или приемопередатчиков (UART). Но лишь с момента перехода разработчиков на высокоуровневые языки программирования и RTL (Register Transfer Language) стало возможным значительное повышение вложенности и сложности систем.
    В принципах и подходах разработка ASIC сегодня переживает настоящий переворот, становясь с использованием готовых функциональных модулей все более системно-ориентированной при непрерывном росте сложности схем, что стало возможным с началом освоения 0,35-мкм технологии. К примеру, фирма Fujitsu уже сегодня предлагает плотность упаковки до 2М вентилей в своей серии 0,35-мкм БИС CE61. При этом 0,25-мкм ASIC-технология позволяет разместить в корпусе со стороной 16 мм до 6М вентилей, а 0,18-мкм — более 10М!
    Все это приводит к тому, что процесс разработки обычными методами и, как следствие, появление конечных продуктов уже начинают отставать от стремительно развивающихся потребностей реального рынка. И ориентация на традиционный VHDL/VERILOG-подход при разработке ряда сложных устройств неминуемо приводит к упущению рыночных возможностей. Единственный выход из создавшегося положения — создание новых методов разработки на основе более высокой степени абстракции, с использованием предварительно определенных виртуальных компонентов с известными параметрами или IP.
    А в среде крупных производителей полупроводников в последнее время все отчетливей прослеживается тенденция к переходу от функциональности, изначально заложенной производителем, к системному консалтингу и IP-интеграции, превращение “кремниевых фабрик” в провайдеров интегральных продуктов. Безусловно, традиционное кремниевое производство пока сохранится, но его потребителям придется самим решать вопросы, связанные с применением IP, их интеграцией и т. п.

Страх перемен

    Как и в случае с любыми другими изменениями, вначале имеет место значительное сопротивление со стороны непосредственных пользователей новшеств. Одним из часто приводимых ASIC-разработчиками аргументов “против” — опасение потерять ноу-хау. Эту же причину обычно выдвигают производители полупроводников и систем EDA при продвижении на рынок разработок в виде вентилей (вместо транзисторов) и систем симуляции на уровне вентилей (вместо использования, например, пакета Spice). Однако если внимательнее приглядеться к изменениям, происходящим в деятельности разработчиков при переходе на новые принципы работы, все опасения исчезнут. Ответственность за функционирование технологии теперь переходит к производителю. А ноу-хау пользователя при новом подходе просто реализуется на более высоком уровне: на уровне системной архитектуры, а не схемной реализации проекта. ASIC-дизайнер, начинающий работать по новым правилам, быстро теряет привычку к использованию более сложных и специализированных компонентов, а не тех, что уже разработаны и оптимизированы другими специалистами: управляющих контроллеров, цифровых сигнальных процессоров, ЦАП и АЦП. Ибо какой смысл постоянно вкладывать средства в разработку одного и того же?
    Факты говорят сами за себя. Если необходимо соответствовать быстро изменяющимся потребностям рынка, нельзя тратить годы в тестировании на соответствие стандартам. На это был затрачен труд других специалистов. К примеру, модули PCI, SCSI, IEEE1394 и т. д. уже сейчас предлагаются фирмой Fujitsu в виде виртуальных компонентов. Более сложные интегральные продукты типа MPEG2-декодера или DSP-ядра также могут быть лицензированы на основе тех же принципов. В ближайшем будущем ожидается резкое расширение закупок ноу-хау в форме VC/IP для их применения в качестве строительного материала в SoC.
    Существенным показателем всякого вновь создаваемого электронного функционального блока будет уже не столько то, насколько искусно он спроектирован, сколько каким образом он соответствует требованиям целой системы. Результатом может оказаться (возможно, не-ожиданно для его создателя) классический ASIC-продукт, т. е. используемый внутри лишь одной компании-производителя, что вполне естественно, если основной целью и было создание такого изделия или же защита схемотехнических секретов разработчика.
    В противоположность вышеописанному это может быть и вариант стандартного блока, иными словами, ASIC, разработанный для применения другими. Преимущества такого подхода в том, что за счет значительно большего объема сбыта появляется возможность снижения стоимости модуля или полного удовлетворения потребно-сти в нем какого-то отдельного направления деятельности при спрогнозированном спросе. В данном случае такая компания-разработчик уже на пути к тому, чтобы стать IP-провайдером.

Движущие силы

    В реальной жизни движущая сила любого процесса часто находится за его пределами. Полупроводниковая промышленность выпускает все больше продуктов, но в конце концов всегда требует все новых и новых рынков для того, чтобы окупить вложения в научные исследования, процессы разработки и производства по субмикронным технологиям. А EDA-компании со своей стороны предлагают все более и более высокие уровни абстракции описания проектов и системной симуляции, давая в руки системного архитектора инструментальные средства, позволяющие реализовывать на практике самые смелые замыслы, несколько лет назад казавшиеся прямо-таки безумными, которые также требуют более совершенную технологическую базу.
    Таким образом, получается замкнутый круг… Почти. Никогда не следует забывать и того, кто за все это в итоге платит, — конечного потребителя. Тем более, если вспомнить, что наибольшее применение однокристальные системы нашли в областях, лишь совсем недавно ставших реальностью: мультимедиа, мобильных коммуникациях.
    Открытие системными пользователями для себя IP-продуктов из других рыночных сегментов и попытки применения их в своей области деятельности могут привести к появлению новых, неизвестных доселе изделий и рынков. Однако, влияние непредсказуемости реакции потребительского рынка на вновь создаваемые или потенциальные продукты может быть значительно уменьшено за счет предельно низкой стоимости системной разработки. Последнее обстоятельство является дополнительным аргументом в пользу сокращения цикла разработки и повышения ее гибкости на основе использования готовых функциональных модулей.

Виртуальные компоненты

    Какие же типы виртуальных компонентов (VC) уже доступны сегодня или только проектируются, откуда их можно ожидать завтра? Во-первых, в области цифровых технологий уже существует большое количество автономных универсальных устройств: фильтров, сигнальных процессоров, универсальных контроллеров, периферийных интегральных модулей, АЦП и ЦАП. Вместе с тем на рынке присутствуют многопрофильные производители, поддерживающие разработки для самых разных областей применения. К примеру, фирма Fujitsu открыла для себя широкую сферу деятельности в области ASIC-разработок в Европе, включая аналого-цифровые устройства, микроконтроллеры, высокочастотные и сетевые продукты.
    Долгое время приоритетным направлением деятельности Fujitsu были разработка и производство устройств памяти, что позволило создать совершенно новый тип изделия — DRAM ASIC, дающее возможность интегрировать в ASIC-системы блоки памяти DRAM емкостью по 8 Mбит (на базе технологического процесса 64-Mбит DRAM). Таким образом, для ряда направлений разработки законченных систем могут быть проведены и самими производителями VC-компонентов. В других областях, например DSP-процессорах, необходима кооперация с так называемыми IP-провайдерами, среди которых можно упомянуть ARC, лицензированного Fujitsu и рядом других компаний, предлагающий гибкое и наращиваемое RISC-ядро, легко адаптируемое под конкретные системные требования.
    Как видно из последнего примера, развитие событий в области разработки привносит в жизнь не только новые разновидности компонентов, но и новые типы компаний — IP/VC-провайдеры, предлагающие не законченные изделия в общепринятом смысле, а некую разновидность Software. Третий, не менее важный источник VC — существующие модули и блоки самих системных пользователей, хотя понятие IP-собственности в данном случае не всегда очевидно, что подтверждается множеством дискуссий, возникающих вокруг права вторичного использования разработок.
    Следует отметить: даже будучи виртуальными, компоненты стоят вполне реальных денег, и необходимо привыкнуть к мысли, что, скажем, стоимость 200-Msps 10-разрядного ЦАП все равно будет ощутима и в составе ASIC-системы. Но несомненно то, что она будет значительно ниже цены его дискретного аналога, поскольку классическая формула “стоимость ИМС складывается из мировых цен на кремний, стоимости совокупного времени разработки и корпусирования” уже не работает.

Стандарты

    Для того, чтобы интегральные продукты разных производителей могли легко интегрироваться в единую систему, необходимо проведение хотя и рутинной, но чрезвычайно важной работы по подготовке стандартов и инструментальной базы.
    Именно с этой целью и был создан альянс VSIA — Virtual Socket Initiative Alliance, одним из основателей которого выступила фирма Fujitsu. К настоящему времени более 150 институтов и компаний, представляющих значительную часть продукции на рынке полупроводников, уже приступили к проведению совместных семинаров с целью объединения своих усилий в этом направлении.
    Резюмируя все вышесказанное, можно с уверенно-стью утверждать, что кардинальные изменения в области ASIC-разработок уже не за горами.

Центр разработок ASIC
Fujitsu Mikroelektronic
Перевод А. Щербакова