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混合信号SoC设计的现状与未来

Ron Wilson?? EDN执行主编?? 2006年08月09日 ?? 收藏0

  SoC设计需要的是功能,但集成化挑战则使模拟IP脱离了主流。
  要 点
  SoC已集成了几乎所有数字功能,设计者们开始将目光投向复杂的模拟与射频功能。
  模拟块不适用于构建SoC的标准IP(知识产权)集成策略;它们与设计中其它部分有太多的交互作用。
  使用保守设计,以及让模拟专家参与集成过程,这两种方案都证明是解决问题的有效方案。
  今后,数字控制的模拟块和自调整的模拟块都可能成为SoC设计者的黑盒子。


  从消费电子市场最容易得到的经验是集成为王。移动型战胜便携型,掌上型战胜移动型,而衬衫口袋型又超过掌上型。即使像游戏机这类桌面设备,时髦的外形和低制造成本目标也要靠更高集成度才能实现。这一趋势并不限于低成本的消费电子产品。军用、汽车、医疗,甚至工业应用也不可避免地要拥有消费者期望的性能。集成化趋势大概用不着进行最大批量和最小批量的系统设计。

  但是,传统的集成化SoC(单片系统)正遭遇到一个技术屏障。SoC 的发展过程是尽量多地吸收数字功能于系统中,直到芯片外面不存在有意义的成本或功能。但这种方案最终却侵蚀了自己成功的基础:当没有什么功能可以被吸收时,集成化也就到了尽头

。今天的很多系统设计正在接近这种状态。SoC 已经吸收了所有重要的数字块,只留下一些商用部件,如海量存储器和无源元件,这是唯一的例外。多数系统仍然在精密模拟电路或射频部分保持相当大的成本与功能,这些部分还位于 SoC 之外。因此,这些部分也就成了 SoC 集成化的下一个前沿。

  最近,英飞凌(Infineon)和德州仪器公司(TI)最新的“单芯片”手机 SoC 也印证了这个设计趋势。这些芯片中不仅有熟悉的基带和应用处理器,还包括了模拟音频电路和射频电路的小信号部分。它们不只是最先进的数字集成实例,也是模拟与射频集成的代表。

  如果集成器件制造商拥有庞大的资源、设计团队(包括模拟、射频、器件建模以及工艺工程师),并且有芯片设计团队与工艺工程团队之间的密切联系,这些芯片确实是最好的实现范例。但普通的 SoC 设计团队只拥有普通的技术和资源,他们是否有开发这些设计的能力?设计者能否将精密的模拟或射频块带入他们曾成功建立数字 SoC 的 IP(知识产权)组装设计流程?或者是否存在着某些障碍(如没有合适 IP、缺乏工具或基本原理),使设计者无法将模拟部分处理为黑盒子式的 IP内核?

  SoC 流程

  数字 SoC 的存在是因为其流程能够控制设计的复杂性。因而,这种 IP 块组装流程也就依赖于以往的设计功能块,设计者几乎可以在设计周期的早期阶段把这些功能块看成黑盒子。这种方法可以使设计者在开始细节设计之前,对整个芯片做行为级建模,允许设计者对相对独立于其它功能块的单个功能块作综合、布局、布线,从而极大地简化了芯片级验证过程。任何有经验的 SoC 设计者都会认为,这种表述过于简化了实际的 SoC 设计。但毫无疑问,与将 SoC 中所有网络同等看待相比,这种 IP 组装流程确实极大地降低了设计过程的复杂性。

  那么设计者是否可以将这种流程扩展到精密模拟电路或射频电路?富有经验设计者们的最初答案并不确定。某些简单情况下,设计者已经这么做了。例如,有些 ASIC 供应商提供具有低速 ADC 或适中性能的 PLL 插入块。在其它情况下,专业人员认为扩展到更复杂的电路是不可能的。Wolfson 实验室消费产品营销副总裁 Julian Hayes 解释说:“对于我们来说,模拟设计是一种不断的进步,而不是设计重用。IP 可以为新设计提供一个基础,但永远不能像剪切和粘贴这么简单。”

  根本上说,数字 IP 的集成化流程要依赖于一些假设。首先,它假设存在可重用 IP,于是设计者可以将一个设计中功能正常的块用于另一个设计中的相同功能,而不必作修改。其次,假设能以可接受的精确性完成一个块的行为和时序建模,而无需了解该块内部功能的细节。第三,假设块的行为与块的布局、布线无关,也与未连接信号的性质无关。这样一来,在 SoC 流中增加精密模拟块或射频块就成问题了:它们违反了上述假设。

  可重用 IP

  如果没有可以重用的东西,IP 组装流程就一无所用了。很多模拟专业人员都认为:如果没有富有经验的模拟设计师参与,所有模拟设计都是不可重用的。部分原因是在模拟领域中没有东西能够类似于 RTL 或类似于综合。设计者已试图实现模拟综合工具,但这些工具大多数情况下是失败的,或者无法工作,即使有用也需要有经验的模拟工程师参与,或者只能用于狭窄范围的功能与环境。今天,基本上没有一家设计团队称他们在使用市场上的模拟综合工具。

  虽然缺少可行性,但硬 IP 仍有应用可能性,设计者可以直接采用一个未经改动的布局与布线设计。据很多设计者说,在某些条件下这种方法是可行的,即对块的要求比较简单,用户有充足


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混合信号? 设计?

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