在做系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)的設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，需要考慮哪些主要因素？目前主流的SoC一般包括哪些功能模塊或IP？有什么新的技術(shù)趨勢(shì)值得關(guān)注？RISC-V與FPGA如何有機(jī)結(jié)合助力SoC設(shè)計(jì)？當(dāng)前的SoC設(shè)計(jì)在性能、功耗和尺寸方面面臨哪些挑戰(zhàn)？有何解決方案？物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算等嵌入式系統(tǒng)對(duì)SoC設(shè)計(jì)提出了什么特別要求？

1.在做系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)的設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，需要考慮哪些主要因素？

一定是先從市場(chǎng)需求以及相關(guān)需求的時(shí)間窗口作為起點(diǎn)，然后根據(jù)自身的人力與技術(shù)資源，結(jié)合開(kāi)發(fā)的金錢成本、時(shí)間成本和維護(hù)成本，考慮工藝和IP的選擇。舉例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在如果還在用40nm的工藝技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)SoC，將很難應(yīng)對(duì)市場(chǎng)普遍需要低功耗的趨勢(shì)?？墒遣捎孟冗M(jìn)工藝的SoC的話，新工藝下IP的可選擇度相對(duì)較低、費(fèi)用較高昂、可靠性與相互適配性也都存在不確定性?？梢?jiàn)一款SoC是否可以一次成功，里面潛伏著眾多相互影響的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)掌控整體的投入與產(chǎn)出帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。因此，就衍生出了降低風(fēng)險(xiǎn)、加快上市時(shí)間，這個(gè)非常重要的因素。

利用現(xiàn)有的相對(duì)性能不高但低功耗的處理器，將已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的高性能IP模塊（甚至多個(gè)軟核處理器）用低功耗、小面積的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，再利用先進(jìn)的封裝技術(shù)進(jìn)行集成，就有了可以隨時(shí)更新的可編程（Programmable）SOC。例如，易靈思的“易構(gòu)”平臺(tái)就是一種非常好的，可以降低風(fēng)險(xiǎn)、加快上市時(shí)間的方案。

2.目前主流的SoC一般包括哪些功能模塊或IP？有什么新的技術(shù)趨勢(shì)值得關(guān)注？

以AIoT、云端以及手持消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用為例，可以說(shuō)需要的功能模塊非常多，例如ADC，ARM的多核處理器，以及高速收發(fā)器等。對(duì)于適合無(wú)線應(yīng)用的SoC，需要模擬和數(shù)字模塊的合成，而對(duì)于協(xié)議的處理還要加入ARM處理器。對(duì)于AIoT以及手持類別的SoC，最重要的就是低功耗。現(xiàn)在我們比較關(guān)注的還是跟視頻處理相關(guān)的SoC，這個(gè)領(lǐng)域里面一個(gè)明顯的趨勢(shì)就是把高性能的視頻處理功能從處理器中剝離出來(lái)，用專門的硬件電路實(shí)現(xiàn)，比如將視頻編解碼功能的H.264／H.265硬核化。最具代表的就是某知名企業(yè)的35xx系列：他們將已經(jīng)固定的算法盡可能硬核化，以此帶來(lái)功耗的降低；同時(shí)留有一定的接口可以接入來(lái)自多個(gè)Sensor或其它器件里的音視頻數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)；并采用內(nèi)置的AI，來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)的性能和適配性。

易靈思的FPGA，具備硬核的MIPI和DDR控制器，以及眾多LVDS和通用IO。相比一般的SoC，能擴(kuò)大Sensor的接入種類、數(shù)量和帶寬，以及提高圖像處理能力。并且對(duì)于高端的SoC，也可以補(bǔ)充其原有接口的不足，并提供協(xié)處理，來(lái)提高系統(tǒng)性能和靈活性，為更高的產(chǎn)品性能、更寬的市場(chǎng)覆蓋和更快的上市時(shí)間提供廣闊的空間。

3.RISC-V與FPGA如何有機(jī)結(jié)合助力SoC設(shè)計(jì)？

RISC-V擁有非常豐富的生態(tài)資源，而且其軟核形態(tài)是依托FPGA的，使得FPGA立即能擁有這些豐富的生態(tài)資源。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的RISC-V，不單降低了對(duì)FPGA的資源消耗，還通過(guò)外設(shè)的多樣性，賦予FPGA在并行算法應(yīng)用中對(duì)各功能模塊更快捷的調(diào)度和配置能力。FPGA擅長(zhǎng)高性能的并行應(yīng)用，加入RISC-V就可以完成多映像加載、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的縫合，甚至是多個(gè)獨(dú)立RISC-V集成的應(yīng)用。

當(dāng)前的軟核RISC-V，在平臺(tái)的移植性方面也非常輕松。有很多嵌入式應(yīng)用，例如基于ARM Cortex M4的應(yīng)用，要集成在低成本的FPGA中還有一定難度。好消息是，易靈思16nm工藝的Titanium系列第二代FPGA，內(nèi)核可以輕松達(dá)到450Mhz，讓軟核的RISC-V處理器可以跟硬核的Cortex M4處理器分庭抗禮。而在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，RISC-V所有總線以AXI的形式內(nèi)置于FPGA，可以帶來(lái)高度靈活性、快速上市時(shí)間和極低的IP集成風(fēng)險(xiǎn)等額外的價(jià)值。

4.當(dāng)前的SoC設(shè)計(jì)在性能、功耗和尺寸方面面臨哪些挑戰(zhàn)？有何解決方案？

一般來(lái)說(shuō)，SoC想在性能、功耗和尺寸方面均表現(xiàn)出色，就必須在芯片工藝上不停采用更高級(jí)的工藝。但是不斷上漲的研發(fā)與流片費(fèi)用，產(chǎn)品面世時(shí)間的不確定性，和現(xiàn)今市場(chǎng)需求的加速度變化，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

從提高性能的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)者要使功耗和尺寸不增加太多，同時(shí)能控制研發(fā)成本并讓產(chǎn)品快速面市，我們推薦以下幾種方案。對(duì)于較低端的應(yīng)用，可以采用低功耗、小面積的FPGA來(lái)內(nèi)嵌RISC-V處理器和其相關(guān)外設(shè)，并加入邏輯電路實(shí)現(xiàn)高性能模塊。易靈思40nm的Trion系列就是很好的選擇。還以易靈思的FPGA為例，若需要再高一點(diǎn)的性能，可以采用先進(jìn)的封裝技術(shù)，將硬核處理器裸片與Trion FPGA的裸片合封，或者直接采用16nm的Titanium系列更高性能、更低功耗和更小尺寸的FPGA。如果在這個(gè)基礎(chǔ)上，希望尺寸再小一點(diǎn)，就可以考慮直接把現(xiàn)有處理器與Trion或者Titanium的FPGA內(nèi)核，在版圖一級(jí)進(jìn)行合成，成為單一的晶片，不但尺寸得到高度縮減，功耗和性能也會(huì)有不錯(cuò)的優(yōu)化。

如果希望最優(yōu)的性能、功耗、和尺寸的組合，同時(shí)保持較快速的面市時(shí)間和對(duì)需求變化的高度適應(yīng)性，就可以定制FPGA的規(guī)格，并嵌入到整個(gè)SoC的設(shè)計(jì)中。這樣的單一晶片SoC，雖然研發(fā)和時(shí)間的成本要比前面幾種方案稍高，但在同等性能下，它的單片功耗和尺寸的優(yōu)勢(shì)是最高的。而且有了內(nèi)嵌的FPGA模塊，就可以非常有效地抵御市場(chǎng)需求在前期的不確定和后期的變化所導(dǎo)致的問(wèn)題、面市時(shí)間拖長(zhǎng)以及產(chǎn)品生命周期縮短的風(fēng)險(xiǎn)。它能先于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手面市、在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和長(zhǎng)久性方面強(qiáng)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，是非常適合高端且量大市場(chǎng)的。

5.物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算等嵌入式系統(tǒng)對(duì)SoC設(shè)計(jì)提出了什么特別要求？

首先來(lái)講，邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重點(diǎn)是低功耗和低成本。邊緣計(jì)算早已經(jīng)不是新鮮的話題，從宏觀上來(lái)看早就開(kāi)始商業(yè)化，比如高通和華為的NPU。但是很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備里用不上這么高的算力，而且這些器件還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些場(chǎng)景的低功耗要求。而單一的MCU大部分又都算力太低，跑不了邊緣計(jì)算中推理的應(yīng)用。也有很多項(xiàng)目曾經(jīng)試圖通過(guò)MCU+DSP或者DSP+FPGA等組合實(shí)現(xiàn)算力提升，但在算力、功耗、成本方面都無(wú)法達(dá)到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。

易靈思的Quantum架構(gòu)所帶來(lái)的低功耗，低成本和高密度的優(yōu)勢(shì)，配合針對(duì)Quantum架構(gòu)優(yōu)化后的RISC-V軟核，能夠在滿足算力的前提下兼顧低功耗和低成本，并且還能提供相當(dāng)程度的靈活性，會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。

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