嵌入式系统/ARM技术中的IP核居然也有软与硬之分？
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2020-12-08
11:57:39
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的技术中的IP核居然也有软与硬之分？核居然也有软与硬之分？
引言： SoC研发业者现今在制定产品研发决策时，最重要的一项因素就是选择一套适合的硅智产（IP）核
心（CPU）。这方面的决定会影响产品效能与质量、产品上市时程、以及获利绩效。但SoC研发业者在选择核
心时会面临许多挑战，在判断何种核心最适合某种SoC时，更须谨慎的考虑，业者须决定核心的种类（软核或
硬核）、技术数据的质量、以及IP供货商的可靠度与专业性。本文将探讨每项领域并提供相关指南，介绍如何
评估各种IP核心的特色。 芯片制造技术不断改进，为现今的设计工程师提供很多可使用的硅组件与设备。
然而，工程师在设计电路方面的能力并未跟上制程技术的发展脚步以应用这些新增的硅组件。这种不平
引言：
SoC研发业者现今在制定产品研发决策时，最重要的一项因素就是选择一套适合的硅智产（IP）核心（CPU）。这方面的
决定会影响产品效能与质量、产品上市时程、以及获利绩效。但SoC研发业者在选择核心时会面临许多挑战，在判断何种核心
最适合某种SoC时，更须谨慎的考虑，业者须决定核心的种类（软核或硬核）、技术数据的质量、以及IP供货商的可靠度与专
业性。本文将探讨每项领域并提供相关指南，介绍如何评估各种IP核心的特色。
芯片制造技术不断改进，为现今的设计工程师提供很多可使用的硅组件与设备。然而，工程师在设计电路方面的能力并未
跟上制程技术的发展脚步以应用这些新增的硅组件。这种不平衡现象造就现今的IP核心产业。IP核心让研发团队仅须整合预先
制作的功能区块，不须进行任何设计或检验作业，即能迅速开发大型的系统单芯片设计。
但这种新的研发型态亦衍生许多困难的挑战。视核心种类的不同，这些挑战的困难度可高可低。
首先，IP核心可透过软核或硬核两种型式交付到客户的手上。不论何种型式，顾客都会收到一套功能上已检验过的设计方
案。软核亦称为可合成核心，可经由顾客合成后再建置到其SoC中。
硬核，则已预先建置并可立即投入生产。（从技术面而言，设计方案须在投产后才算是建置完成。但在本文中，建置代表配线
及其后段工程已完成生产准备）。SoC团队仅须将硬核视为单一整合电路嵌入至芯片中。软核与硬核有各自不同的问题与优
点，以下我们将详细介绍。
IP核心启动（jump-starts）整体SoC研发流程的一部份。研发团队取得已预先检验的设计方案，使他们能以更少的时间、
更少的工程与EDA资源下完成芯片的研发。但是，将核心整合至芯片需要进行许多步骤，步骤的难易度视厂商提供的整体技
术文件与支持而定。本文将详细介绍让客户能轻易将核心整合至各个SoC研发阶段的技术数据与技术支持。
最后，顾客须考虑IP厂商。IP产业仍处在萌芽阶段，市面上存有许多良莠不齐的产品，且不仅是刚成立的新业者才会提供
这类方案。因此，顾客不仅须评估IP核心，亦须评估IP厂商的整体能力。
研发SoC，核心CPU技术该挑软？选硬？这是一个如何选择的问题。因此，从本周起，技术论坛将针对此议题进行一系
列的探讨，本篇先就两者的优劣势进行比较。
软核与硬核的优缺点比较
效能
由于软核并未完成建置（Implement），故比硬核在功能与建置方面拥有更高的弹性。另一方面，因为这些核心会被应用
在许多设计方案中，所以硬核研发业者能花更多的时间针对其建置作业进行最佳化。因此一般人都有硬核能提供较高效能的成
见。
事实上，针对大多数先进制程所设计的完全客制化高阶硬核，的确提供比软核更优越的效能。由运用latch（拴锁）型开
关电路、动态逻辑、三相讯号、客制化内存等组件，完全客制化可达到超越完全静态合成设计方案的效能。对于需要超越现有
制程与研发技术效能极限的SoC而言，完全客制化的硬核较能满足其需求。
但若效能目标落在软核的支持范围内，则硬核的优势就无关紧要。SoC研发团队可利用软核先天俱有的弹性满足其效能目
标（随着制程技术持续改进，软核的最高频率亦会随之提高，让它们成为更多SoC设计方案的理想选择。）
即使在较低的频率频率下，硬核亦能提供硅组件空间上的优势。但这种优势并非永远存在。通常硬核运用ASIC型态的设
计技术进行硬型化（hardened），这种流程无法在速度上产生优势。在其它方面，完全客制化的核心无法针对每个制程世代
重新进行最佳化调校，因而消弭在频率与尺寸上的优势。
制程技术独立性与移植弹性
软核的其中一项优点就是制程技术独立性。高阶的Verilog或VHDL程序不需要运用某一特定的制程技术或标准的单元库
（cell library）。这意谓同一套IP核心可重复应用在多种设计，或是未来新世代的设计方案中。（部份软核IP供货商开发出针
对特定制程的方案，让其核心不具制程技术的独立性，但这种模式的优点尚不明确）。
另一方面，硬核则具有相当高的制程技术特定性。事实上，若晶圆厂商变更其制程参数或单元库变量（cell library
factor），硬核有可能就无法正常运作。因为IP供货商在制程参数改变后，须重新检验硬核，所以这种特性即衍生出运用上的
风险。
硬核可移植到新的制程技术，但须投入相当可观的心力与成本来重新进行最佳化调校。对于某些先进的微处理器核心而
言，须耗费两年甚至更长的时间。因此，硬核的尺寸通常会针对新制程等比例缩小。这种方法虽简单且迅速，但可能减低研发
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