SoC設計在先進製程面臨的挑戰

隨著半導體工藝越來越先進，55/65nm、40nm甚至28nm工藝都已經逐漸廣為採用，在以往SOC設計不曾遇到的問題逐漸浮現；傳統的SOC設計方式往往不敷使用，面對新的挑戰，往往需要新的架構、設計方法來面對。繞線壅塞(Routing Congestion)即是SoC設計逐漸浮現的一個新問題，這問題大概在進入65nm、40nm之後成為後端Place and Route (P&R)的工程師的夢靨。

隨著製程(Process)往前推進Logic面積能減小，對線寬(wire width)幫助有限(線寬若縮小，R值若提高，RC Delay反而會增加)。此外，SoC功能卻不斷提升、複雜化，晶片中IP數量增加，線寬沒減少，繞線越來越多。對於一些常用的IP附近(如：DDR Controller)，Routing Congestion 成為嚴重問題。

為處理Routing Congestion，在P&R中往往需要拉開IP的間隙來繞線，甚至需要拉長Wire繞線或甚至Metal Layer數來繞線；如此，不但Die Size增加、光罩數增加，因為Wire增加？增長，功耗增加。更重要的是die cost的增加。還因為拉長Wire使得Timing 更不易收斂(Closure)，往往需要降低頻率？Performance來妥協。這使得晶片產出效能遠不如預期目標，在市場上競爭力減弱。

對後段工程師最痛苦的是，處理Routing Congestion的多次來回(iteration)，繁複無聊的重複P&R。Routing Congestion處理不當，Floor planning可能全部重來，受影響的IP可能也得調整IP形狀或Re-synthesis，甚至得調整 pin、pad location，Power Budget受影響，這對整個Project的影響是Tape out時間大幅延遲，延後產品上市時間。

時序收斂(Timing Closure) 是在先進工藝上另一個常見的問題。會選擇先進工藝，很多是從功耗或成本考量，因此工程師傾向於選擇耗電低或面積小的Library，這暗示所選擇的Library的頻率表現會較慢。然而，配套的CPU、DDR卻是越來越快，因此對Bus頻率的要求卻是越高。這形成了一個衝突。

傳統架構的Bus面對這樣的衝突往往無能為力，頻率上不去，無法達成時序收斂(Timing Closure)。最常見的解法是消極的降低頻率以收斂時序。因此產品性能往往不如原先預期。為達成時序收斂，來回所進行多次的ECO，會大幅推遲Tape out時間。進一步影響產品上市的時間。

在傳統SoC選擇Bus，往往是採用IP供應商伴隨IP/EDA採購所附上的Bus IP或者是自家自行發展的技術。然而，在進入先進製程後的SoC設計，前述繞線壅塞(Routing Congestion)及時序收斂(Timing Closure)的問題，會越來越難解決。後端(back-end)的工具在這裡的表現已經達到瓶頸，因此往往希望前端(Front-end)的工程師在晶片設計時，考慮後端可能面臨的問題，選擇適當的架構來減輕後端可能面臨的問題。

在面臨前述痛苦後，包含LGE、Qualcomm、Samsung、TI、Toshiba、Freescale…等許多國際大廠紛紛於近2年內，選擇放棄原先Bus Architecture，導入Arteris 領先的Network on Chip(NoC) 技術來解決上述問題。全球前十大半導體廠商中已有6家選擇使用Arteris NoC IP，應用於汽車、視訊、網路、平板和手機處理器等多個市場。這種可縮放的架構，對於僅需數個IP的簡單設計、或是超過100個IP的複雜設計，皆可適用。

Arteris NoC支持包括AMBA AHB、APB和AXI，以及OCP、NIF和PIF等在內的各種業界常見協議。Arteris的專利架構可突破傳統bus和crossbar Interconnect作法的限制，設計者可針對每一個設計項目打造其最佳的設計。Arteris提供無限的靈活度，可打造出最小、最快速且最低功耗的Interconnect。透過Arteris的GUI工具可以輕而易舉地進行設計與驗證，只須數天或甚至數小時的時間就可以完成。

Arteris, Inc. 全球總部位於加州Sunnyvale，並在巴黎設有工程中心。為由一群國際投資者所持股的非上市公司，股東包括ARM Holdings、Crescendo Ventures、DoCoMo Capital、高通公司(QUALCOMM Incorporated)、新思科技(Synopsys)、TVM Capital和 Ventech。關於Arteris的更多訊息，請上公司官網(www.arteris.com)，或與greater.china@arteris.com聯繫。(本文由Arteris提供，陳毅斌整理)