处理器是1款系统的心脏部分,所有功能的达成几乎都要依靠处理器,而在嵌入式系统方面,由于针对的应用层次较为较为狭窄,因此更要在效能、功耗与成本等变量进行多方考虑,其中,授权方案更是影响到厂商进行开发时的成本与产品上市时程,因此更需要审慎面对。
前言:在各种嵌入式应用当中,总缺不了1或多个处理器核心来统筹整个系统的运作,但是处理器核心的架构复杂,相关的设计概念必须有多年累积的技术实力才有办法实现,以目前生产代工型态至上的企业观念中,自力进行处理器的开发不啻是吃力又不讨好的工作,不仅无法带来立即的营收,开发过程所需耗费的庞大资金更有可能导致公司的亏损,因此诸如台湾厂商等代工重镇皆在此领域的开发多所保留,也因此带给了纯IP授权(没有晶圆厂,也不生产芯片,仅以电路设计架构等纯粹智能财产授权营利的公司)处理器公司非常大的商机。
处理器IP授权(License)的型态行之有年 近来面临越来越大的竞争挑战
IP的定义为:预先设计的电路模块架构,可用于制造完整的半导体组件。过去IP提供厂商大多仅针对特定应用范围提供IP授权,比如说通用处理器、MCU核心、甚至绘图核心等,少有单家厂商提供多种不同类型IP服务的案例。但是随着嵌入式应用的多元化,终端产品设计所需要的功能模块也逐渐趋于复杂,单纯的功能应用已经明显不敷使用。
以数字电视为例,除了处理器核心以外,还需要包括视讯﹨音讯译码IP、讯号转换IP、诸如卡片阅读机、HDCP加密解密系统的IP、图形接口、实时操作系统、通用标准接口(包括USB、输出入接口等),厂商要同时获得这些IP不不是见容易的是,加上特定市场领导厂商保留自有IP,仅生产配套芯片提供给厂商选用,处理器IP比重越来越不明显。
图说:ARM***一代的处理器核心也走向类似PC平台处理器,以提升频率为改善效能的手段,功耗也开始逐步提高。(www.ARM.com)
除了市面上提供特定应用的IP套餐服务的厂商逐渐增加以外,即便如ARM(安谋)这样的传统嵌入式处理器IP提供厂商,也开始提供越来越多的IP型态以供选择,最近甚至也推出了基于IP的绘图核心,并且也逐渐走向功能的可配置化设计,藉以提供下游厂商更大的搭配弹性。可配置化设计也被某些IP厂商视为***的利基与卖点,比如说,ARC与Tensilica这2家处理器公司皆提供了市面上弹性***的可调方案,可调式处理器的优势在于可以设计出功能独特性***以及电路最精简(端视芯片所需功能而定)的SoC芯片。
图说:ARC的可调式架构具备了极高的应用弹性。(www.ARC.com)
选择IP授权的必备要项
IP授权并不是非常新的概念,早在上个世纪末,以IP授权型态生存的公司就已经开始蓬勃发展,跨入2007年之后,由于行动产品不论在功能、性能以及功耗方面都开始有了更严苛的要求。除了原本就在这个领域耕耘的厂商以外,几家原本并非将嵌入式应用当作本业的处理器厂商也开始加入战场,虽然IP授权厂商以及处理器厂商都面临了越来越大的竞争与挑战,但是针对嵌入式的应用产品只会不断的成长,因此虽然竞争越趋激烈,但都还有生存的空间存在。
在针对是否采用IP授权的方式来架构自有的嵌入式系统方面,则是要从非常多的层面进行考虑,分别叙述如下:
■对于处理能力的要求
由于处理器核心必须肩负起整个系统的运算或功能负载分配,因此在效能方面必须具有一定的要求,比如说在行动多媒体装置上,处理器必须肩负OS与视讯编译码的需求,若是采用纯软件编译码方案,那么处理器核心势必频率要高、运算性能(DMIPS要够强大),否则就是要考虑采用具备混合型运算架构的处理器设计,比如说搭配DSP核心、特定向量加速单元的通用处理器核心可以轻易的负担起这类工作,如果不想花太多时间在算法***化上,那么也可以选择使用硬件线路(hardwired)设计的模块来与特定处理器IP进行搭配,理论上可兼顾成本与效能,但如此一来也将失去应用弹性。
■第三方资源与开发工具
针对特定产品,此项可以说相当重要,也可以说是相当不重要,如果厂商注重自有功能的呈现,倾向于封闭式架构设计,而不开放的话,那么就无须顾虑第三方厂商或社群的支持度,如果是以开放性平台为目标,比如说一般智能型手机、PDA等,这方面的支持度可能就会成为消费者作为采购考虑的要项之一。
■IP授权厂商提供程序代码的能力
因为终端厂商不一定具备完整的软件开发能力,且为了缩短产品从设计到上市的时间,便亟需IP厂商提供数量与质量皆符合一定要求的程序代码供套用,藉以发挥出硬件套件的功能,如果IP厂商仅提供硬件核心,软件必须由半导体设计厂商,甚至是终端厂商自行解决的话,这些厂商还要额外花功夫去学习处理器的架构、进行软件开发、除错与***化,不仅缺乏时效性,且对成本也是一大负担。
■平台的过往(backward)兼容性
嵌入式处理器开发,除了要兼顾到消能、功耗以及功能等表现以外,对于开发商来说,过去的软件能否继续沿用也将是考虑重点之一,毕竟软件资源的累积不易,如果要重新学习并投入资源开发,所需要花费的成本将非常庞大,甚至可能远超出开发商的负担,因此处理器IP本身在体系与指令集的支持方面便要格外注重,除了新功能的引进以外,处理器IP开发商也通常都在新一代的产品商提供接近***的过往兼容性。
■其它问题
除了以上这些项目以外,IP提供商本身是否具备足够的稳定性与延展性也是评估要点,稳定性是指该厂商是否具备有持续经营的实力、产品线是否变动过于快速、支持工作是否有持续进行等等,而延展性则是指针对IP本身系列产品的未来规划、软件的开发、开发环境的完备等等条件。而既然采IP授权,那么授权手段与授权费用自然也是最需要重视的1点。不是越便宜越好,也不是越贵越有保障,要评估的是,除了所要授权的IP本身架构是否合乎需求,厂商提供的套件是否完备以外,能否达到以上几点的要求,将是授权费用与IP本身物有所值、物超所值,或是毫不值得的分界点。
IP的授权结构问题
我们以ARM公司的授权方式为例,来了解关于IP授权的方式与结构问题。一般来说,ARM的授权方式可分为架构(architecture)授权、应用(implementation)授权、单次使用设计授权等等,对授权方来说,ARM提供了处理器核心部分的硬件描述,其包括了完整的软件开发工具(编译器、除错器、开发套件),以及针对ARM处理器的销售权等。若是无晶圆厂的厂商希望将ARM处理器核心加入到他们自行研发的芯片当中,通常仅需要取得1份生产就绪的IP核心(IP Core)认证,此时ARM就会提供这些厂商其所选择的ARM核心的闸极电路图,并且也会一并提供抽象模拟测试以及相关的测试程序,以协助设计整合及验证。
若是整合组件制造商(IDM)或半导体厂商,则可以取得RTL形式的IP,藉由可整合的RTL,厂商可以进一步对架构进行强化,IDM或半导体厂商不得2次销售***化完成的处理器IP,但是可以任意营销其最终制品(包含芯片、开发样版、完整系统等等)。
而某些特殊的晶圆厂,则除了可取得销售最终成品的权力以外,也能保留重制ARM核心的权力。而如同一般IP授权厂商,ARM也是依照使用价值来决定其IP的售价,通常的状况之下,效能越高的架构,其授权费也越高。而持有ARM授权,且具有自行设计芯片能力的晶圆代工厂(如韩国三星与日本富士通),则能够二次授权给晶圆厂的代工客户,通常价格也比直接向ARM授权来得低廉,但是在以产量为主要考虑的情况之下,专门的晶圆代工厂(如台积电)其实具备了更强大的成本缩减能力。
【编辑推荐】