從第一家台廠CPU IP出發 看32bit CPU SoC設計的機會與挑戰

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電子時報 作者:唐鴻

IC製程不斷演進，使得系統單晶片(SoC)成為趨勢。而SoC複雜度隨著摩爾定律(Moore’s Law)以加倍態勢成長，IC設計所面臨的難度日益增加。另外，由於競爭越來越激烈、產品價格不斷壓低，產品生命週期縮短，許多IC設計公司已經開始深刻感受到市場的嚴峻挑戰，其中CPU核心就佔有相當關鍵的地位…

SoC就是系統晶片(System-on-Chip)，簡言之，就是至少包含32位元嵌入式微處理器的複雜晶片。SoC如果用模組化方式呈現，通常包含了處理器(CPU)、系統匯流排(System bus)、特殊硬體加速器、數位或類比週邊、作業系統及相關應用軟體。許多IC設計公司為縮短開發時程，降低研發成本及風險，便採用委外方式取得SoC關鍵技術。
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( G( x/ x# d$ L) x9 V+ Z最明顯的例子便是SoC中最複雜、也最重要的CPU核心，而智財授權(IP Licensing)商業模式便因此產生。MIPS和ARM分別於1980及1990年代成立，開始CPU IP授權的商業模式，如今這2家公司已是全球前2大智財授權公司，而這樣的商業模式確實為IC設計公司帶來了許多好處，它代表半導體產業進一步分工，許多IC設計公司開始大量運用已驗証過的模組，加速導入新技術，產品推陳出新腳步不斷加快，開發成本卻因此降低，開發時程也大幅縮短。
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9 V# |, j$ w0 u8 p  U, Z這種模式，更進一步發展出另1個趨勢，也就是平台式設計(Platform-based design)方式。藉由成熟平台，SoC設計似乎變得簡單了。但是這趨勢未必是正向發展。許多公司開始發現，採平台式設計方式大部份技術都來自第三方提供，雖成熟平台可有效降低研發成本及風險，但也讓公司遠離創新之路，產品規格與競爭者大同小異，為維持競爭力，許多公司只好不斷往降低成本思考、甚至犧牲毛利，以爭取生存空間。在這種環境下思考產品的差異化(differentiation)，便成了每個產品規劃者與研發工程師最重要的課題。
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8 W& J( C. o2 }4 ?3 l$ l' c4 V/ YSoC設計關卡 CPU IP設計是關鍵
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% k' O* G& q/ x/ l6 x! C台灣的矽智財(Silicon IP)技術發展，一直是整個半導體產業最弱的一環，很少有公司在這個領域耕耘。Silicon IP範圍小從cell libraries、嵌入式記憶體，大至嵌入式處理器、影像編/解碼器、平台…等；在嵌入式相關軟體方面，則包括音訊/影音(audio/voice)編/解碼器、作業系統、中介軟體、開發工具，其實相當重要。

台灣無晶圓IC設計公司數目在全世界僅次於矽谷，也擁有世界一流的晶圓代工廠，伴隨而來則是強大的設計服務產業。這是因為業者與晶圓代工廠有密切合作關係。不過仔細觀察，台灣幾乎沒有專注於Silicon IP領域的公司，只有少數從事嵌入式相關軟體開發，這是因為小型無晶圓IC設計公司無法承擔昂貴後端設計工具與人力成本。
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美國前10大無晶圓廠IC設計公司，各自皆大都擁有強大的處理器設計團隊，矽谷的新設公司也常是依藉先進處理器架構，成就產品創新地位。以CPU IP為例，目前都是由國外公司主導，而台灣的CPU發展，過去停留在學術性計劃，直到2005年3月晶心科技成立，台灣才有第1家以IP授權為主要商業模式，提供原創性CPU技術的公司。

2 D" g/ `$ K' C' D0 N1 C6 e台廠CPU IP授權技術 考驗真實軟/硬實力

過去台廠幾乎沒有IP授權公司，顯示此領域的難度，何況是核心的CPU技術。晶心科技成為台廠獨特的IP授權者，主要依靠下列幾項優勢：

1、核心技術：
$ [. K# Y% P+ E6 d& @2 Z8 |不同於絕大多數的SoC公司，晶心科技擁有自行開發的CPU架構。這包括16bit/32bit混合指令集(instruction set)及系統支援(system support)。在此架構基礎，晶心或被授權客戶可依應用需求增加新指令集及系統支援。

( X+ a5 Y5 k% ?! w& Y0 ?: Z仔細分析，晶心科技核心技術是以包括下列6大項為基礎的整合性解決方案：
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(1)AndeStar：自行研發(專利申請中)16/32位元混合指令集(ISA)。
: [5 ^4 n* _! e1 [3 Q3 T+ n(2)AndesCore：可組態CPU核心家族系列；晶心已開發出N12、N10及N9系列，涵蓋高階中段到低階SoC應用。
& Q5 T' ]9 D/ }# Q& C(3)AndeShape：幫助SoC快速開發的評估板…等硬體開發環境；目前已有基於platform SoC的ADP-AG101、基於FPGA的ADP-XC5。
(4)AndeSight：整合的軟體開發環境；用來幫助軟/硬體開發、除錯及最佳化工具。
(5)AndESLive：電子系統層級(ESL；electronic system level)之整合虛擬環境；用來評估硬體架構，以及可在沒有硬體之下讓軟體開始開發，即所謂軟硬體協同設計 (hardware/software codesign)。
' P! w; h  v. p* U(6)AndeSoft：在AndesCores執行的優化目標軟體 (optimized target software)，包括系統軟體(如作業系統)、驅動程式及中介軟體等。
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根據此架構，晶心設計出一系列可組態的處理器核心。其核心尺寸的範圍可從40K到300K gates，而速度可達到150MHz~600MHz，提供廣泛的嵌入系統中不同層次的效能需求。此外也提供成本效益級(cost effective式)的解決方案，並有完整的軟體開發環境、彈性的硬體評估平台，能充分縮短客戶產品切入市場的時間。而晶心團隊SoC設計經驗將可協助客戶在應用上找到最佳SoC架構。

3、應用目標：晶心多樣化的processor cores涵蓋廣泛應用領域。從8-bit/16-bit CPU的應用升級的產品如MCU、toys、SSD、車用電子等，到消費性產品如數位相框、MP3 players、PMP、GPS、Game Consoles等，網通產品如Wireless AP、Gateway/Routers、Networked Storage，以及多媒體產品如DVD、Set-top-box、Digital TV、Home Entertainment Center。
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9 y, S) F" G" z6 i* Z6 b1 ]嵌入式CPU需彈性客製化 支援能力成IP授權者勝負關鍵

. C2 q% h9 }( G5 u! ?3 e! k* {3 G在目前的SoC化發展趨勢中，許多IC設計公司已經跳脫傳統思維，不再把CPU IP當成一個黑盒子(black box)使用，廠商希望CPU IP具備可客製化的彈性，可以讓他們根據不同應用的特性，調整CPU的架構並藉此創造產品的差異化。
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因此，嵌入式CPU最好從一開始便以可組態(Configurable)功能為訴求，主要便是著眼於設計者選擇CPU IP時，並非一味追求最佳化性能(Performance)，在很多應用中，性能、功耗、及成本的平衡，才是設計最終目標，也惟有透過CPU可組態的特性，設計者才能很方便的根據市場分析的資訊，調整產品性能、功耗、成本間的取捨(trade-offs)，使產品價值最大化。
' m7 n% C' q. }& e; U. O3 P4 n晶心科技從2007年10月到2008年8月，陸續推出N12、N10、及N9 CPU核心系列，大致完成產品高、中、低階布局。Andes Core基本設計理念在於追求最高效能(efficiency)。所謂的效能，指的是性能(performance)、功耗(power)、及成本(cost)平衡。
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! s' X( f+ v+ [2 H因此Andes Core設計，只有最常被使用的功能才會出現在基線架構(baseline architecture)中，其他功能則是以可組態模組呈現，客戶可依照應用不同，將需求功能於設計時選入，並利用晶心科技提供的開發工具分析不同組態對性能及成本的影響，以決定該組態是否以最低成本實踐產品規格。

CPU IP落實於產品設計 了解實務需求才能成功
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6 a0 X. R( U# R+ Z  l" n  J! S8 P以MCU應用為例，目前很多公司仍使用8位元處理器，主要原因便是成本考量。但由於消費性產品演進，許多公司開始思考升級到32位元處理器。在這特別強調「升級」，是因為8位元處理器有它不可取代的市場及優點，不過IC設計公司使用32位元處理器必定有其技術上不得不然的因素，這些因性包括了：
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1、對I/O bandwidth及記憶體容量需求急速增加，以固態硬碟(SSD)應用為例，許多低階產品其控制器依舊採8位元處理器。但許多IC設計公司開始意識到8位元處理器的設計瓶頸，為大幅突破資料讀取速度及記憶容量門檻，採32位元處理器便成為勢在必行。
+ I  m* R4 p0 p& R. k, ?, W! {2、整合功能成為消費性電子產品趨勢：越來越多消費性電子已整合多媒體功能，其使用者介面(User interface)益形精緻、複雜。很快的，家電將整合上網及智慧型監控功能。面對這個趨勢發展，很多IC設計公司已經意識到只有32位元處理器才能提供足夠性能與彈性，滿足消費性電子產品的強大功能需求。
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然而IC設計公司思考8位元至32位元升級時，成本仍然是1項重要因素，因為消費性電子市場特性就是如此。檢視前述架構，N9系列CPU核心IP，便是瞄準MCU市場中32位元應用。N9 CPU核心若以0.13微米製程，頻率可達150MHz，CPU核心面積僅0.4mm2，功耗小於0.038mW/MHz，相較於一般8位元處理器，晶片大小(die size)與功耗增加並不多，卻能夠提高4倍運算能力，非常適合高速I/O控制或網路型家電應用。

同時透過N9 CPU核心可組態特性，設計者可用產品線概念規劃一系列不同特性(feature)產品，區分出不同應用在價格及產品規格差異，將利潤最大化。同時Andes Core具備指令集可延伸(extendable instruction set)特性，例如，在多媒體應用中，設計者可選用晶心科技開發的audio extension，以最經濟、最省電的方式提供如MP3播放功能，例如audio extension包含40個以上指令，這些指令集延伸是以可組態方式呈現，Andes Core在使用不超過15MHz頻寬的條件下，便可順暢播放一般MP3歌曲。

CPU只有硬體架構不夠 開發工具需到位

9 N* h& @" ]+ [0 n除CPU架構及性能，另1個評估CPU IP的重點便是開發工具。相較於8位元方案，32位元應用的1個明顯特色是軟體複雜度。以上網型產品為例，CPU除扮演控制器角色，還需同時處理網路協定及透過網路所傳輸的資料，不同的應用軟體通常需要1個嵌入式作業系統擔任管理角色，協助CPU有效執行多重任務(multi-tasking)。
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4 D# c4 K3 V( q( J9 G當軟體架構越來越複雜時，CPU所提供的工具鏈(tool chain)，如compiler、assembler、debugger、及分析CPU執行效率與每個執行緒(thread)行為的相關工具就變得非常重要，也是終端設計者評估CPU IP優劣時，相當重要的參考依據。

晶心科技開發環境命名為AndeSight，採用Eclipse-based IDE介面，整合GNU-based工具鏈，分析CPU效能的量測工具(profiler)，及模擬CPU及SoC行為的電子系統層級(ESL)模擬器AndESLive，能夠讓軟/硬體工程師在SoC計劃初期，藉由分析不同CPU組態及SoC架構對系統性能的影響，著手系統設計最佳化工作，實現軟/硬體同步開發縮短整合時間、提高產品研發成功率，掌握SoC計劃中Time-to-Market及成本2大關鍵。
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- X5 [& h0 L) z: W8 [+ `, ]4 E' ACPU IP應用領域多無法兼顧 朝垂直整合策略發展為優先

" l2 y8 d- y- k9 t探究晶心在CPU IP解決方案的競爭者，競爭對手均來自海外處理器矽智財供應商；ARM居於首位，其次是MIPS及ARC，就另一方面而言，這些競爭者的合作夥伴，也會是晶心的合作夥伴。
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9 R$ s0 R5 R5 c' g% p* _# x) e不過就產業面觀察，晶心科技目前的規模不可能包山包海什麼都做。必定會選定幾個應用領域，朝垂直整合策略發展，推出具高度彈性及競爭力的平台式SoC解決方案。
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) a0 d: Y; z  a/ v; ?: k9 o) y目前晶心科技鎖定2個主要應用為Internet-Enabled MCU及行動運算平台(Mobile Computing Platform)。在Internet-Enabled MCU應用方面，將以N9為基礎，選用小型real-time OS(RTOS)架構軟體平台，結合合作夥伴技術，開發網路相關特殊應用軟體。同時也會利用指令集延伸優勢，開發高效能音訊解壓縮應用程式，並進一步開發高度整合的網路平台，鎖定的應用便是像網路型數位相框或是上網型家電之類的產品。

在行動運算平台應用方面，晶心將推出雙核心SoC平台，整合2個具備浮點運算處理單元(Floating Point Unit)的N12核心，透過軟體協助方式提升平行運算能力。Multi-core架構是High performance CPU趨勢，晶心科技會持續朝此方向發展，提升整體技術能力。

' N$ A. |- }/ ]( g7 P另外，晶心科技已經開始著手布局先進省電技術，於今年底提出電源管理(power management)解決方案，透過此技術可大幅降低SoC功耗，解決高階行動運算裝置電池壽命問題。結合N12雙核心及先進電源管理技術，瞄準的應用便是像Ultra Mobile PC(UMPC)或Mobile Internet Device(MID)概念產品。目前以雙核心架構開發1個Linux-based示範性平台(reference platform)，整合晶心科技本身或是合作夥伴開發的多媒體及網路技術及軟體，提供完整網路多媒體解方案。
5 Y: k- c5 B! H& W2 c在SoC軟/硬體開發過程，選擇CPU也間接選擇SoC架構的彈性、開發工具、及目標軟體。晶心優勢在於在其選擇從事的領域中，能提供優越、彈性、較完整的產品線。舉例來說，晶心科技CPU涵蓋高、中、低階，能使產品設計具差異化概念，客戶更能找到合乎價格/效能比取捨(cost/performance tradeoff)的方案，提高客戶產品價值，延長產品生命週期。彈性軟體開發環境可幫助客戶縮短time to market，降低SoC設計風險、也降低開發成本。