隨著工藝進(jìn)步，集成電路的性能繼續(xù)沿著摩爾定律劃定的軌跡前進(jìn)，與此同時(shí)，芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度增長的速度遠(yuǎn)比工藝和性能提高的速度快，因此，以IP核重用為標(biāo)志的SoC設(shè)計(jì)方法在近些年取得了蓬勃發(fā)展，用于手機(jī)、數(shù)字電視、消費(fèi)電子等大批量市場的集成電路基本上都是SoC芯片的天下。
接口是SoC的基本功能之一，是實(shí)現(xiàn)SoC中嵌入式CPU訪問外設(shè)或與外部設(shè)備進(jìn)行通信、傳輸數(shù)據(jù)的必備功能。通過對11600個(gè)IP核的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，接口類IP核的數(shù)量為1234個(gè)，占總數(shù)的11%，是緊隨模擬和混合信號、物理庫、存儲(chǔ)器之后，數(shù)量第4多的IP核。
圖1 IP核的總體分布
在需求方面，根據(jù)CSIP的IP需求調(diào)查，IP交易領(lǐng)域主要集中在三個(gè)方面，一是開發(fā)難度較大和應(yīng)用復(fù)雜的高端CPU和DSP；二是標(biāo)準(zhǔn)的接口IP(例如USB接口、PCI Express等)；三是模擬IP（如PLL，ADC等）。這三類IP需求占到總需求的一半多。而其他的交易類型如標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)存模塊，以及一些面向特殊應(yīng)用的IP，則占據(jù)國內(nèi)需求的三分之一，參見圖2。
圖2 國內(nèi)SoC設(shè)計(jì)對IP核的需求
接口按數(shù)據(jù)傳輸速率大致可分為低速、中速和高速。低速接口中，既有CAN、LIN、MIL-STD-1553、I2C、FlexRay、USB 1.1這樣的串行總線接口，也有VME、PCI、PCMCIA這些推出很長時(shí)間的并行接口。中高速接口則是清一色的串行接口，如中速接口USB 2.0、LVDS、HDMI 1.3，高速接口IEEE1394、USB 3.0、PCIe 3.0、HDMI 1.4、MIPI、Rapid IO、 SATA。通過對717個(gè)接口IP核的統(tǒng)計(jì)，低速、中速和高速接口IP核的數(shù)量幾乎各占1/3，見圖3。
圖3 低速、中速和高速接口IP核的分布
雖然數(shù)量接近，但趨勢顯然是向高速接口發(fā)展，幾乎已經(jīng)沒有IP核企業(yè)繼續(xù)開發(fā)USB 1.1、CAN、LIN等低速接口IP核，新推出的中速接口IP核也越來越少，大家都把注意力放在高速接口IP核上。一是在標(biāo)準(zhǔn)制定上，版本升級后的高速接口一般都能做到向下兼容，IP核研發(fā)企業(yè)會(huì)開發(fā)滿足各種數(shù)據(jù)速率版本的IP核，因此沒有必要繼續(xù)為老的標(biāo)準(zhǔn)投入資源。二是工藝進(jìn)步和市場壓力迫使So設(shè)計(jì)企業(yè)競相采用更高速的接口。
消費(fèi)類SoC芯片越來越多的采用USB 2.0或USB 3.0、HDMI等高速串行總線接口，以滿足大量多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捫枨?。如Broadcom公司推出的數(shù)字電視芯片BCM7335就集成了USB 2.0、以太網(wǎng)、HDMI和SATA 2接口，見圖4。
圖4 數(shù)字電視芯片BCM7335的結(jié)構(gòu)框圖
由于PC的廣泛使用，以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品的普及，USB已經(jīng)成為最常用的串行接口，數(shù)據(jù)傳輸速率從1.0版的1.5Mbps，到1.1版的12Mbps，再到2.0版的480Mbps，USB 3.0的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)達(dá)到驚人的5Gbps，事實(shí)上目前還沒有那個(gè)外設(shè)在實(shí)際使用當(dāng)中能達(dá)到這樣高的速度。USB 3.0還擠壓了其他總線的市場空間，如IEEE 1394的數(shù)據(jù)速率也達(dá)到3.2Gbps，在以往的數(shù)碼攝像機(jī)中被廣泛采用，在一些移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中也有采用。不過，新推出的設(shè)備已經(jīng)基本不再采用IEEE 1394接口了。如新的數(shù)碼攝像機(jī)普遍采用光盤或硬盤做為存儲(chǔ)介質(zhì)，用USB接口傳輸視頻文件。
標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級推動(dòng)著IP核的不斷升級，圖5是USB IP核按標(biāo)準(zhǔn)分布的情況，包括PHY和控制器。
圖5 USB IP核的版本分布
USB控制器IP核的開發(fā)難度相對較小，提供商也較多，USB 2.0和USB 3.0 PHY的開發(fā)難度很大，提供商主要有Synopsys、IP innopower、Snowbush IP、VeriSilicon和IPGoal。Snowbush IP已經(jīng)開發(fā)出采用40nm工藝的USB 3.0 IP核，領(lǐng)先一步。VeriSilicon和IPGoal這兩家國內(nèi)企業(yè)在USB 2.0 PHY上有一些產(chǎn)品，在國內(nèi)的市場占有率很高。USB PHY IP核的廠商分布見圖6。
圖6 USB PHY IP核的提供商分布
新標(biāo)準(zhǔn)和新版本的不斷出現(xiàn)，推動(dòng)著接口IP核的豐富和發(fā)展。伴隨工藝的進(jìn)步，PHY等模擬類IP核的開發(fā)難度越來越大，SoC設(shè)計(jì)企業(yè)越來越依賴于成熟的高質(zhì)量IP核。目前，在對國內(nèi)SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，一些高速接口IP核還依賴于國外企業(yè)，而且這些IP核的供應(yīng)商較少，國內(nèi)企業(yè)的選擇面較窄，IP核的價(jià)格也十分昂貴。國內(nèi)IP核企業(yè)在這方面大有可為，應(yīng)該利用國內(nèi)研發(fā)成本較低的優(yōu)勢，開發(fā)出替代國外IP核的產(chǎn)品，前提是充分保證IP核的質(zhì)量和穩(wěn)定性。
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