0 引言

    片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）芯片在性能、功耗以及成本等方面具有優(yōu)勢，成為當今集成電路設(shè)計技術(shù)及產(chǎn)品創(chuàng)新的主流，可以有效滿足軍事裝備電子系統(tǒng)多功能、小型化的發(fā)展需求^[1]。知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）核及其復用技術(shù)是SoC設(shè)計的基礎(chǔ)，使用IP核能夠降低SoC產(chǎn)品的設(shè)計風險，縮短開發(fā)周期。

    標準作為引領(lǐng)和支撐先進技術(shù)應(yīng)用的重要手段，是技術(shù)發(fā)展水平的集中體現(xiàn)，對技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的影響和作用。在軍用產(chǎn)品研發(fā)過程中，可以將高技術(shù)指標、成熟工藝及過程控制等先進技術(shù)固化成標準，使標準充分體現(xiàn)軍事需求，并指導后續(xù)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)^[2]。針對軍事應(yīng)用的需求和特點，充分利用現(xiàn)有的民用科技成果和成熟技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)外行業(yè)標準對于軍用IP核的適用性，總結(jié)和分析軍用IP核的關(guān)鍵共性技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一完備、科學合理的軍用IP核標準體系，可以為IP核的開發(fā)提供技術(shù)規(guī)范和標準指導，保障IP核的質(zhì)量與可靠性，形成軍用IP核準入機制，促進軍用IP核的自主可控和推廣應(yīng)用。

1 IP核標準體系現(xiàn)狀

    目前IP核產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，IP核的來源較為豐富，許多企業(yè)、機構(gòu)在大力開發(fā)相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品。例如，企業(yè)自主研發(fā)積累IP核，這些IP核往往是由內(nèi)部開發(fā)的IC芯片改進而成，具備了IP核的基本特征；設(shè)計服務(wù)公司專門提供不同形式、功能、層次的IP核；EDA工具公司利用技術(shù)和工具優(yōu)勢開展IP核業(yè)務(wù)；Foundry廠商也在推廣IP核，這些IP核通常與生產(chǎn)工藝緊密相關(guān)。此外，還有專業(yè)的IP核交易平臺構(gòu)建了IP核庫，為IP核檢索、轉(zhuǎn)讓提供渠道和途徑。不同來源的IP核在文檔結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式以及信息描述的詳細程度等方面存在著差異，影響著IP核的轉(zhuǎn)讓交易與集成應(yīng)用，因此IP核的標準化顯得尤為重要。

    在IP核的標準化進程中，虛擬插座接口聯(lián)盟(Virtual Socket Interface Alliance，VSIA)起到了很大的推動作用。VSIA成立于1996年，是最早開展IP核標準制定的國際組織，其成果形式分為規(guī)范(Specifications)、標準(Standards)、技術(shù)文檔(Technical Documents)。VSIA在2008年停止運作，把一些尚在運行的工作移交給其他產(chǎn)業(yè)組織。VSIA標準為IP核的開發(fā)、集成和復用提供了技術(shù)方案，對于IP核的復用設(shè)計和交付使用具有指導意義。

    除了VSIA，國際上還有其他一些組織，如SPIRIT、OCP-IP等，也在IP核標準領(lǐng)域做了大量有益的工作。2006年，中國集成電路IP核標準工作組(IP Core Group，IPCG)在參考VSIA相關(guān)標準的基礎(chǔ)上，編制了11項電子行業(yè)標準化指導性技術(shù)文件，內(nèi)容與VSIA基本一致。

    雖然IP核標準化取得了一定進展，但是標準被認可接受的程度有待提升，推廣應(yīng)用還存在諸多問題。例如，VSIA標準對設(shè)計方法學的描述較多，制定的標準“過于抽象化，缺乏具體性”，沒有一個可以供IP核設(shè)計者參考的設(shè)計流程^[3]。一些具有技術(shù)優(yōu)勢和行業(yè)影響力的企業(yè)采用的IP核開發(fā)流程以及配套的交付模式，幾乎形成了一種事實標準，行業(yè)組織推出的標準很難在這些企業(yè)內(nèi)部推廣。

    目前，IP核在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，但是相關(guān)的軍用標準非常匱乏，在一定程度上影響了IP核技術(shù)在軍用方面的應(yīng)用和推廣。行業(yè)組織推出的標準主要面向民用領(lǐng)域，雖然對于軍用IP核的開發(fā)和使用具有一定的參考價值，但是由于軍用IP核的特殊應(yīng)用場景，對可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等方面的要求非常高，所以對這些標準只能合理借鑒而不能簡單照搬^[4]。

    軍用IP核標準對于研發(fā)自主可控的IP核具有重要意義，構(gòu)建軍用IP核標準體系勢在必行。根據(jù)軍用IP核開發(fā)的實際需求和交易機制的特點，建議將軍用IP核標準體系分為兩大類，一類是以關(guān)鍵技術(shù)為核心的基礎(chǔ)標準，一類是以具體IP核產(chǎn)品為核心的產(chǎn)品規(guī)范^[5]，如圖1所示。

    目前，已經(jīng)發(fā)布實施的《軍用集成電路IP核通用要求》（標準號GJB 7715-2012）是基礎(chǔ)標準，規(guī)定了軍用集成電路IP核的設(shè)計、驗證、實現(xiàn)、檢驗、交付等要求，適用于軍用集成電路IP核的開發(fā)、轉(zhuǎn)讓和集成過程。

2 關(guān)鍵共性技術(shù)分析

2.1 交付項要求

    IP核的交付項承載了IP核不同層次的描述信息和特征化的屬性規(guī)定，在表現(xiàn)形式上可分為文檔交付項、數(shù)據(jù)交付項。確定IP核的交付項要求時，應(yīng)以應(yīng)用為導向，為IP核用戶提供使用IP核的必要信息。

2.1.1 強制類型

    根據(jù)IP核交付項的重要程度，其強制類型可分為強制、條件強制、推薦、條件推薦等4類。由于IP核種類繁雜、功能多樣、規(guī)模各異，制定IP核交付項要求時，應(yīng)保持交付項內(nèi)容統(tǒng)一連貫，避免交叉重復，遵循“最小子集”原則，即：對于IP核應(yīng)具備的充分而必要信息，如果缺失就會影響IP核的正常應(yīng)用，則要求強制交付；而對于IP核的某些信息，若缺失，不會影響IP核的正常應(yīng)用，但是若具備，有利于對IP核的了解和使用，則建議推薦交付。

    強制交付項是IP核集成應(yīng)用的基本要求，也是IP核交付項的核心所在。強制交付項是一個相對固定的集合，比較容易界定，而推薦交付項的范圍難以收斂，即使對于同一類IP核，由于可能的應(yīng)用方向和領(lǐng)域不同，IP核用戶期望的推薦交付項內(nèi)容必定會有所差異，所以很難列出所有的推薦交付項。是否提供推薦交付項，可以認為是IP核開發(fā)者的一種自發(fā)行為，能夠提供多少推薦交付項，則是IP核開發(fā)者研發(fā)能力的一種體現(xiàn)。推薦交付項是IP核質(zhì)量評測的加分項，該項內(nèi)容越豐富，越有助于IP核的集成應(yīng)用，能有效提升IP核的用戶體驗效果。

2.1.2 文檔交付項

    由于不同種類IP核之間的差異很大，文檔交付項應(yīng)具備的內(nèi)容千差萬別。在IP核標準制定過程中，應(yīng)重點對文檔的強制類型和必要的基本內(nèi)容進行約束。對于文檔的編制方式、撰寫風格以及內(nèi)容的豐富程度，很難精確量化和細化，因此不做具體要求。文檔交付項雖然不直接用于IP核的集成應(yīng)用流程中，但是對于深入理解和順利應(yīng)用IP核具有重要的指導意義。結(jié)構(gòu)合理、層次明晰、詳細規(guī)范的文檔交付項是成熟IP核的必要條件，文檔交付項的完備程度直接影響到IP核的應(yīng)用效果。目前國內(nèi)的技術(shù)人員往往“重設(shè)計、輕文檔”，反復的設(shè)計迭代和修改往往容易忽略文檔工作的完善。為降低技術(shù)風險、統(tǒng)一設(shè)計狀態(tài)、避免無效的資源和時間開銷、降低人為因素在項目開發(fā)過程中的差異性影響、保障研發(fā)各環(huán)節(jié)的可追溯性，在研發(fā)的各個階段必須提供各種文檔輸出，并進行統(tǒng)一的管理和歸檔^[6]。

    IP核文檔交付項一般包括功能手冊、驗證手冊、應(yīng)用手冊、交付項清單以及目錄結(jié)構(gòu)文件等，必要時還需要提供測試手冊。需要說明的是，設(shè)計手冊涉及IP核開發(fā)的內(nèi)部細節(jié)，考慮到知識產(chǎn)權(quán)保護以及IP核交易的實際需求，對IP核設(shè)計手冊不做交付要求，由交易雙方另行約定。

    以硬IP核為例，GJB 7715給出的文檔交付項列表如表1所示。

2.1.3 數(shù)據(jù)交付項

    數(shù)據(jù)交付項是IP核特征化的重要載體，其中的應(yīng)用信息與EDA工具有很大的關(guān)聯(lián)性，數(shù)據(jù)格式很多是由主流EDA工具廠商定義的，在IP核在開發(fā)以及集成過程中，需要借助不同的EDA工具完成各種數(shù)據(jù)格式的生成與使用。

    對于不同類型的IP核，由于實現(xiàn)方式和應(yīng)用環(huán)境的不同，數(shù)據(jù)交付項的內(nèi)容不盡相同，可以根據(jù)IP核的開發(fā)、應(yīng)用流程對交付項進行細分歸類。例如，在GJB7715中，硬IP核的數(shù)據(jù)交付項分為功能驗證交付項、時序分析交付項、物理設(shè)計交付項、物理驗證交付項、硅驗證交付項、系統(tǒng)應(yīng)用交付項等。以物理設(shè)計交付項為例，其要求如表2所示。

    數(shù)據(jù)交付項與文檔交付項的區(qū)別在于兩者的目的和作用不同。文檔交付項的目的是說明和指導，從文字形態(tài)上對IP核的功能、驗證、應(yīng)用等信息進行詳細的描述，用于指導IP核的集成應(yīng)用。數(shù)據(jù)交付項的作用是證明與應(yīng)用，通過一些過程文件或者結(jié)果報告，證明IP核的具體實現(xiàn)和實際性能，而邏輯設(shè)計或者數(shù)據(jù)模型可以應(yīng)用于IP核的集成流程中。

    軍用IP核的交付項要求可以參照和借鑒VSIA和中國集成電路IP核標準化工作組發(fā)布的標準，在合理引用的基礎(chǔ)上進行適當修改，廣泛征求IP核研制單位和用戶單位的意見，使之形式上符合國家軍用標準編寫規(guī)定，內(nèi)容上體現(xiàn)軍用IP核自主可控的特殊要求。

2.2 質(zhì)量評測

    軍用IP核質(zhì)量評測對于保證IP核開發(fā)質(zhì)量具有重要意義。GJB 7715規(guī)定，IP核開發(fā)者在交付IP核之前，應(yīng)向評測機構(gòu)提出質(zhì)量評測申請。為了保證IP核質(zhì)量評測的客觀性、公正性和可靠性，可以借鑒民用領(lǐng)域的研究成果，引入第三方質(zhì)量評測機制，構(gòu)建專業(yè)獨立的第三方質(zhì)量評測平臺。

    國際上影響較大的IP核質(zhì)量評測方法是VSIA發(fā)布的QIP（Quality IP）度量工具。QIP由交互式的電子數(shù)據(jù)表組成，從IP核集成評估、IP核開發(fā)評估、IP核供應(yīng)商評估3個方面對IP核打分。2007年，QIP移交給IEEE DASC（Design Automation Standards Committee），后來形成IEEE 1734-2011標準。QIP對于IP核質(zhì)量評測研究具有啟發(fā)意義，很多相關(guān)的研究借鑒了QIP的方法和思路。但是，QIP存在著一些不足，例如問題設(shè)置過于抽象，主觀評測所占比重較大，實用性不強^[7]。

    目前國內(nèi)IP核質(zhì)量評測研究主要集中在民用領(lǐng)域，在評測方法和流程方面取得了一定進展，但是實際應(yīng)用還存在著局限。例如，生成的質(zhì)量評測報告比較粗略，不同IP核之間的質(zhì)量區(qū)分度不明顯，難以真正反映IP核質(zhì)量的特征和差異。評測案例不具有普適性，不能適應(yīng)規(guī)模化、規(guī)范化的IP核質(zhì)量評測需求。

    在IP核質(zhì)量評測的具體操作流程中，可以采取主客觀結(jié)合的質(zhì)量評測方式。主觀質(zhì)量評測根據(jù)IP核“是否”具備特征屬性或者符合期望要求，結(jié)合相應(yīng)的權(quán)重分配，給出評分或等級。客觀質(zhì)量評測一般是在EDA工具環(huán)境下驗證IP核數(shù)據(jù)的真實性和有效性，對IP核開發(fā)過程中形成的設(shè)計數(shù)據(jù)和支持文件進行確認。為了在實際條件和集成環(huán)境下考察IP的質(zhì)量，可以考慮將硅驗證、應(yīng)用驗證等內(nèi)容納入客觀質(zhì)量評測的范疇^[8]。

    對于不同種類、不同形態(tài)的IP核，質(zhì)量評測具體的實現(xiàn)方法和操作流程差異較大，需要不斷積累經(jīng)驗和技術(shù)，提高質(zhì)量評測的應(yīng)用能力和實際效果，對IP核的質(zhì)量評測結(jié)果進行客觀定性、準確定量，為IP核用戶評估、選用IP核提供參考，同時為IP核開發(fā)者提供反饋意見和改進建議，引導IP核開發(fā)者有意識實現(xiàn)開發(fā)過程中的質(zhì)量控制與保證。

2.3 測試方法學

    測試是確定或評估電路功能和性能的重要方式，對于驗證設(shè)計、保證質(zhì)量、分析失效以及指導應(yīng)用具有重要意義^[9]。

    傳統(tǒng)的板上系統(tǒng)(System-on-Board)和SoC設(shè)計具有很強的功能相似性，但是兩者之間的測試方法非常不同。對于板上系統(tǒng)，IC提供者對系統(tǒng)中IC元件的設(shè)計、制造和測試負責，而系統(tǒng)集成者一般只需關(guān)心IC元件之間的互連。在SoC設(shè)計流程中，交付使用的IP核僅僅是一個模型，不可能在此階段進行制造測試。因此，系統(tǒng)集成者不僅需要負責IP核之間的互連邏輯測試，還要關(guān)注IP核自身的獨立測試^[10]。

    IP核獨立測試是IP核流片制造后進行的測試，用于表征IP核本身的性能。在GJB 7715編制過程中，征求IP核研制單位和用戶單位意見時，對于IP核獨立測試與傳統(tǒng)IC芯片測試之間的區(qū)別和聯(lián)系討論較多?；诂F(xiàn)有的技術(shù)能力和條件，IP核的獨立測試一般采用傳統(tǒng)IC芯片的測試方法和流程。然而，由于IP核的交付形態(tài)、屬性特征以及應(yīng)用方式均有別于IC芯片，IC芯片測試方法在反映和呈現(xiàn)IP核真實性能方面存在著一定的局限。例如，封裝測試時的封裝引腳、寄生參數(shù)以及測試板等，裸片測試過程中測試儀器的去嵌入、校準等，這些因素會影響IP核的測試性能。如何去除這些影響因素，或者對其進行建模分析，擬合測試結(jié)果與模型參數(shù)，從而得到真實的性能，目前還沒有很好的解決方案。另外，IP核的集成環(huán)境與測試環(huán)境之間的差異也影響測試結(jié)果的適用性。

    除了IP核自身的獨立測試外，由于IP核嵌入SoC后失去了可觀測性和可控制性，IP核測試還需要考慮IP核與用戶自定義邏輯或其他IP核的測試連接方法，即IP核/SoC協(xié)同測試，以實現(xiàn)測試復用和測試資源共享。IP核/SoC協(xié)同測試中，與SoC相關(guān)的問題，如測試訪問機制、測試調(diào)度策略等，由SoC設(shè)計者解決。為了支持IP核/SoC協(xié)同測試，IEEE 1500是一個可行的技術(shù)備選方案，其定義了一種可擴展的通用測試結(jié)構(gòu)，允許IP核的模塊化測試開發(fā)、測試復用以及外圍邏輯測試。IEEE 1500測試外殼(Wrapper)可以配合IEEE 1450.6芯核測試語言(Core Test Language，CTL)使用，為測試隔離、訪問和控制等機制提供基礎(chǔ)。IEEE 1500現(xiàn)在只適用于數(shù)字IP核，暫不支持模擬IP核測試。

    目前國內(nèi)與IP核測試有關(guān)的標準主要是IPCG編制的《集成電路IP核測試數(shù)據(jù)交換格式和準則規(guī)范》(SJ/Z 11352-2006)。SJ/Z 11352包括了IP核測試交付項規(guī)范、IP的隔離和DFT指導原則等內(nèi)容，側(cè)重于IP核測試方法學描述，不能直接滿足IP核測試的實際需求。SJ/Z 11352面向的是民用領(lǐng)域IP核，缺乏對測試環(huán)境、測試約束的詳細規(guī)定，難以適應(yīng)軍用領(lǐng)域?qū)τ跍y試安全性、可靠性等方面的要求^[4]。

    在軍用領(lǐng)域中，現(xiàn)在還沒有專門針對IP核測試的標準或者規(guī)范，只是在軍用IP核基礎(chǔ)標準中對IP核的測試方案、測試環(huán)境等提出了總體要求，IP核測試信息主要體現(xiàn)在硅驗證交付項中。例如，GJB 7715要求硬IP核必須進行硅驗證，強制交付測試手冊、測試報告等；推薦對軟IP核進行硅驗證，測試結(jié)果可以作為軟IP核應(yīng)用成熟度、質(zhì)量評測的參考信息和證明材料。此外，軍用IP核宜支持可測試性設(shè)計(如掃描測試、內(nèi)建自測試等)，保證IP核集成后的可測試性，建議考慮IP核與SoC之間的協(xié)同測試性。

    軍用IP核基礎(chǔ)標準沒有明確規(guī)定IP核測試的具體方法和流程，需要制定IP核測試的詳細規(guī)范，明確不同種類、功能IP核的測試方法，用于指導IP核測試。

2.4 可靠性試驗和檢驗

    可靠性試驗和檢驗是為了確保提交的產(chǎn)品符合規(guī)范要求。在目前的國軍標體系中，與集成電路可靠性試驗和檢驗有關(guān)的主要標準見表3。

    軍用集成電路與民用產(chǎn)品的重要區(qū)別在于，軍用集成電路按照GJB 597A規(guī)定進行質(zhì)量等級劃分，并根據(jù)相應(yīng)的質(zhì)量等級要求進行可靠性試驗和檢驗。質(zhì)量等級是軍用集成電路質(zhì)量特性的量化指標，也是軍用集成電路在生產(chǎn)、試驗及檢驗過程中執(zhí)行不同質(zhì)量控制要求的體現(xiàn)和重要依據(jù)。GJB 597A規(guī)定的有關(guān)試驗和檢驗主要包括篩選、鑒定和質(zhì)量一致性檢驗。通過100%篩選盡可能地剔除早期失效芯片，篩選合格后的產(chǎn)品需要按照質(zhì)量等級要求抽樣進行鑒定和質(zhì)量一致性檢驗^[11]。

    GJB 597A、GJB 548B主要針對微電子器件和小規(guī)模集成電路，GJB 2438A面向混合集成電路、多芯片組件，這些標準的適用范圍難以涵蓋日新月異的技術(shù)發(fā)展要求。IP核在規(guī)模、種類以及功能等方面已經(jīng)與傳統(tǒng)微電子器件、IC芯片產(chǎn)生了很大差異，軍用IP核的可靠性技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)：電性能的不可測性、環(huán)境與機械試驗的不可模擬性、傳統(tǒng)試驗方法的不適應(yīng)性等^[12]。

    IP核進行可靠性試驗和檢驗時，需要流片制造得到實物樣本。所有用于檢驗的樣本在適當封裝后，應(yīng)進行封裝檢查，剔除由于封裝引起的失效樣本。所有IP核樣本都應(yīng)進行篩選，通過計算相應(yīng)的允許不合格品率（PDA），判斷檢驗批的質(zhì)量水平，決定接收與拒收。IP核樣本完成規(guī)定的篩選要求之后，應(yīng)從組合好的檢驗批或檢驗子批中隨機抽取樣本進行后續(xù)的鑒定和質(zhì)量一致性檢驗。

    IP核鑒定是對樣品進行的一系列完整的檢驗，根據(jù)不同需要對樣品質(zhì)量進行全面考核，目的在于確定IP核是否符合規(guī)范要求。質(zhì)量一致性檢驗是以逐批檢查為基礎(chǔ)，對IP核主要質(zhì)量指標進行考核，用于確定IP核在生產(chǎn)制造中能否保證質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定^[13]。GJB 548B規(guī)定了鑒定和質(zhì)量一致性檢驗程序，以保證器件和批的質(zhì)量符合有關(guān)訂購文件的要求。A、B、C、D和E組試驗和檢驗的全部要求，用于器件的初始鑒定、產(chǎn)品和工藝發(fā)生變化時的重新鑒定以及保持合格資格的周期試驗。在GJB 548B基礎(chǔ)上，可根據(jù)實際情況適當選擇使用各組試驗，保留與IP核設(shè)計相關(guān)的試驗（如電測試、穩(wěn)態(tài)壽命），刪去環(huán)境試驗和機械試驗中不適用的內(nèi)容。需要注意的是，在軍用IP核基礎(chǔ)標準和產(chǎn)品規(guī)范中，規(guī)定的試驗是必要但不充分的，不排除應(yīng)用于特殊環(huán)境下的IP核所要求的或為使檢驗結(jié)果更好而進行的附加檢驗。

    目前國內(nèi)軍用IP核還沒有專門的可靠性試驗和檢驗標準，可以參考借鑒國軍標體系要求，結(jié)合IP核產(chǎn)品的小批量和需求不連續(xù)等特點，提取適用于IP核的方法和程序，制定相應(yīng)的詳細規(guī)范，完善軍用IP核標準體系。

3 結(jié)論

    針對軍用IP核標準體系現(xiàn)狀，本文分析了軍用IP核標準面臨的問題以及構(gòu)建軍用IP核標準體系的必要性，根據(jù)軍用IP核的開發(fā)過程和應(yīng)用需求，從交付項要求、質(zhì)量評測、測試方法學、可靠性試驗和檢驗等方面研究和探討了軍用IP核的關(guān)鍵共性技術(shù)與標準規(guī)范，為制定和完善IP核標準體系提供參考建議和技術(shù)指導，從而為我國軍用IP核產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供標準支撐。

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