引入定制的芯片

本文是我们的大会员成员郝同学翻译的，转载分享给大家，也欢迎大家给郝同学点个关注，支持一波。记录生活，分享技术！

Introducing Custom Chips

对越来越智能的设备的需求促使制造商寻找方法为其产品添加新功能和智能。在过去，这通常意味着设计一个使用离散的、现成的元件的电路板。然而，今天，许多公司正在转向另一种解决方案，这往往是一个更好的选择：定制芯片，它可以用一个芯片取代典型电路板上的许多离散元件。本章将向你介绍这种解决方案。

例如在过去ISP、DSP、ETH等外设都需要专门的芯片去实现，为了实现一个综合的硬件方案往往需要多个芯片组合，但是现在很多公司都会选择将很多自身所需的硬件功能都集成到一个SOC上。

Understanding What a Custom SoC or ASIC Is

当我们谈论定制芯片时，我们实际上是指定制的片上系统（SoC）。另一个经常使用的术语是特定应用集成电路（ASIC）。如果你想说得细一点，ASIC是为特定的应用而设计的，而不是一个通用的芯片，如微控制器（MCU）。

SoC是一个硅芯片，包含一个或多个处理核心，以及片上存储器、外围设备和各种控制器。由于一个SoC包含一个微处理器以及其他必要的组件，定制的SoC大大减少了组件的数量，因此所产生的电路板要小得多。但不要担心--ASIC和定制SoC这两个词经常被互换使用，即使是专家也是如此

一个或多个处理核心可以理解为CPU，片上存储器可以理解为rom(非易失)或者sram(易失)，外围设备和各种控制器可以理解为USB控制器，ETH控制器也就是各种IP。

Dispelling Misconceptions

对定制SoC最常见的误解是，它们一定比简单地使用分立元件进行设计要贵得多。实际上，由于SoC取代了许多元件，你的材料清单（BOM）通常要小得多。

另一个常见的误解是，定制的SoC只适用于那些资金非常雄厚的大公司。幸运的是，这也不是真的。事实上，像Arm公司及其合作伙伴这样的供应商提供的解决方案大大降低了进入门槛，使小规模的公司也有可能考虑定制SoC。

Considering the Benefits

与用一堆分立元件构建的电路板现状相比，定制SoC可以提供相当多的好处。这些好处包括。

• 减少BOM：用单一的SoC取代满满一板子的元件，意味着你总体上拥有更少的元件，为你节省了资金。
• 更低的功率消耗： 这也意味着 你的产品可以大大延长其电池寿命。
• 更小的尺寸：单个SoC比其他产品小得多，因此像医疗可穿戴设备这样的产品可以大大地瘦身。但是，即使是不打算穿戴的产品也可以从拥有SoC的更小的物理尺寸中受益。
• 数据安全：由于许多组件被集成到一个单一的硅设备中，暴露在窥测者眼中的信号较少。这使黑客 窃取敏感数据的机会更少。
• 知识产权安全：一些公司很少或根本不尊重知识产权，并迅速制造流行产品的山寨版。不过，一个使用现成元件填充的电路板的设计很容易被复制。但使用SoC却使你的产品很难被复制，甚至不可能。
• 更大的功能：通过定制设计，SoC可以提供在设计限制内使用现成的标准组件根本无法实现的特性和功能。
• 供应链安全和简化：有了定制的SoC，你就不必担心组件达到寿命终点而被供应商停产了。您可以保护自己不必为了保持产品的生产而陷入争论或惶恐。

Seeing When a Custom Chip Makes Sense（定制芯片的时机）

定制的SoC可能提供很多好处，但它是你产品的正确解决方案吗？请考虑以下几点。

• 你的产品是否会从更小的尺寸、更低的功耗和更多的功能中受益？
• 你在每条生产线上一年的电子元件开支是否超过200万美元？
• 你的产品是否容易被复制？

如果你对这些问题的答案是 "是"，定制芯片可能是你的最佳解决方案。

Understanding the Economics of Custom Chips

起初，从现有的现成组件方案转向定制SoC的想法可能看起来令人生畏。但是，正如本章所显示的，有许多理由表明，定制的SoC对你的公司和你的产品有良好的经济意义。

Considering SoCs versus Off-the-Shelf Components

传统的电子控制系统通常由附着在印刷电路板上的分立元件组成。这些元件，你可能从经销商那里得到，可以包括模拟和数字传感器、逻辑电路、I/O控制器、微处理器、电阻器、电容器等等。这样的控制板很可能有相当大的尺寸，而且由于有许多元件，有许多潜在的故障点。一个经常被忽视的现成元件的隐患是，最终一些元件可能会被其制造商停产。例如，如果某个用于逻辑或信号处理的芯片达到了使用寿命（EoL），就可能需要使用替代元件重新设计电路板。

一个SoC将各个部件的所有功能整合到一个单一的硅芯片上。这个单一的芯片可以包括模拟和数字信号处理，一个微处理器，嵌入式控制编程电路，无线电电路，以及任何必要的输出电路。由于元件数量大大减少，定制的SoC消除了大多数潜在的故障点，从而使你的设备更加可靠。

此外，通过减少元件数量和整体电路板尺寸，定制的SoC使你能以更经济的方式增加额外的功能。这种增强的功能可以帮助你的产品从外观相似或山寨的竞争产品中脱颖而出。

Looking at the Costs（审视成本）

定制的SoC可以将你的材料清单（BOM）减少多达80%，这取决于应用。即便如此，你必须考虑与定制SoC有关的前期成本。这包括设计SoC的成本和其他非经常性工程费用（NRE）。在这一点上，你可能会问自己，"鉴于成本较高，我怎么能指望赚取利润？"

重用现有设计不仅高效，而且可以大大降低每个设备的成本。例如，你的工程师没有必要想出一个全新的微处理器设计来驱动你的新产品。相反，你可以使用像Arm及其合作伙伴这样的公司提供的值得信赖和经过验证的设计。这使工程师能够快速开发产品所需的定制功能，而不必担心底层处理器的逻辑问题。这意味着你可以有效的授权和使用现有的知识产权（IP），而不是承担自己建立它的成本。一些知识产权供应商提供方便的访问和灵活的许可，以帮助你快速、轻松和低风险地开始工作。

重用现有设计主要指arm在soc集成上提供的各种功能包括总线，片上外设(IP)等，另外非ARM提供的IP一般也会有与ARM组合相关的设计经验。这都可以降低客户的开发成本和开发时间

案例研究-- 汽车模块该项目是为一个汽车报警器设计的，用一个基于DSP的单芯片取代和加强一个高BOM的模拟系统，该单芯片是可编程和灵活的。产量将在每年500,000个单位的范围内。

• 分立的BOM：10.77美元
• SoC BOM：6.41美元
• NRE：145万美元 (设计费用)

收支平衡：只需八个月的产量

达到收支平衡需要生产145 / (10.77 - 6.41) = 33256个，这需要33256 / 500000 * 12 = 7.98个月

Reducing Your Materials Costs （降低你的材料成本）

维持电路板和众多分立元件的库存，将所有这些元件组装到电路板上，然后测试完成的电路板以确保功能正常，这需要很大的成本。由于有大量的元件，在任何特定类型的元件短缺的情况下，你也会受到市场力量的摆布。通过用单一的SoC取代整个电路板组件，你可以大大减少你的BOM以及与单个组件相关的风险。同时，组装和测试成本也变成了使用现成组件时的一小部分。

降低材料成本的关键因素之一是将你的设计建立在一个成熟的CPU上，如Arm的Cortex-M0、Cortex-M3或Cortex-A5处理器。像这样的处理器是众所周知的，使用成本低，而且容易编程以满足你的需求。如果你是一个嵌入式设计师，你可能已经在使用它们了，因为到目前为止，它们已经在超过350亿个芯片中出货了。事实上，如果你已经在你的产品中加入了这些处理器，你可以在过渡到定制SoC时重新使用你在软件上的投资。通过选择一个成熟的IP供应商，你可以获得整个生态系统的工具、软件和广泛的开发者知识，以及培训、支持和资源。

基于现有CPU设计的定制SoC将该CPU的芯片与其他必要的电路一起纳入SoC的电路，以运行你的产品所需的功能。定制的SoC实际上是一个完整的系统，将CPU、内存、I/O电路和其他各种需要的部件集成到一个芯片中。

Protecting Your Investment （保护你的投资）

定制的SoC可以帮助你保护你的知识产权，使别人很难对你的产品进行反向工程。与使用现成元件的设计不同，任何人都可以看到哪些元件在使用以及它们是如何连接的，而定制的SoC不提供任何关于电路功能的视觉线索。事实上，对一个SoC进行逆向工程是非常困难的

无良公司总是在寻找可供复制的新产品。如果你的产品很容易进行逆向工程，这些山寨产品就会很快被生产出来。防止或至少大大推迟这种不公平的逆向工程，可以使你的产品有机会在市场上立足，从而使你能够收回开发成本并获得利润。

在生产和营销任何产品的过程中，总是涉及风险。你需要控制这些风险以保障你公司的未来。不幸的是，与你打交道的每一个外部供应商都代表着一种潜在的风险，因为他们可能会倒闭或停止生产你的产品所需的一个重要部件。通常情况下，这种事件会在没有警告的情况下发生，让你争分夺秒地试图找到另一个供应商或组件，以保持你的生产线运转。

定制的SoC可以帮助你减少这种风险，因为你不依赖于可能变得不可用的个别组件，也不依赖于可能突然消失的供应商。你拥有你的定制SoC的设计和生产控制权，所以你可以始终确保在你需要的时候拥有芯片。如果你在一个产品生命周期较长的市场中经营，如铁路运输、航空航天、军事等，这种控制重要部件寿命的能力可能特别重要。

案例研究 - 一次性医疗监测设备该项目需要满足一个 "一次性"的价格点。如果采用分立的解决方案，就不可能满足功耗和功能要求。该设备以无线方式连续监测心率、呼吸率和温度超过五天。

分立器件BOM：8.17美元SoC BOM：2.42美元NRE：232万美元收支平衡：只需100万台

Understanding the Steps Required（了解所需的步骤）

在了解了什么是定制SoC和考虑了定制芯片可以帮助你的公司的一些方式之后，现在是时候看看要做什么了。本章将对这一过程进行分析。

Planning Your Product

在你开始设计一个定制的SoC之前，你需要花时间为你的新产品进行规划。规划阶段是至关重要的，因为你需要知道你想让它做什么，以及是否有任何特殊要求。

规划阶段的结果必须是明确的和团队一直同意的产品规格。项目经常被利益相关者迟来的规格变化所造成的成本超支所困扰。你需要让团队有机会提供他们的意见，但你也需要给他们一个新功能的绝对期限。

Looking at the Design Flow

一旦你定义了产品的规格，你就可以创建你的清单，说明SoC到底应该做什么。这个功能清单将指导你完成设计过程。下面是对所涉及的步骤的简要介绍。

SoC definition

开始定义你的SoC中需要的组件。例如，如果你需要无线连接，连接的类型（如蓝牙、NB-IoT或Wi-Fi）将是定义的一部分。还要考虑你需要什么操作系统。Cortex-M0这样的微控制器可以运行RTOS；如果你需要运行Linux，那么你需要考虑更有能力的处理器，如Cortex-A5。定义的进一步部分可能包括采样模拟或数字信号所需的传感器类型，控制机器功能的I/O端口，等等。

除了创建硬件定义外，你还需要定义在SoC上运行的软件的功能，以及它将如何响应各种输入。这方面的一个例子可能是当温度传感器检测到温度上升时，设备应该做什么。

IP selection

有了你的定义，下一步就是选择IP。与其试图从头开始开发所有的东西，不如使用已经在现有设备中得到验证的设计，这很有意义。例如，Arm处理器已经在超过1450亿台设备中出货，并得到了一个由软件、工具和开发人员组成的巨大生态系统的支持。你的选择并不局限于处理器IP；一些供应商可以授权你可能需要的额外组件。使用现有的、经过验证的组件的能力可以简化你的设计过程，使风险最小化，并使你的产品更快地进入市场。

你不必为经过验证、值得信赖的知识产权支付巨额费用。像Arm Flexible Access这样的计划让您只需支付较低的预付费用即可使用一系列Arm技术进行设计，然后只需授权您在生产中实际使用的技术。Arm DesignStart甚至提供Cortex-M0和Cortex-M3技术，而前期许可费为零。

Design and integration

处理器和其他系统IP通常以 "软IP "的形式提供，其中IP的行为是用一种类似于软件编程的语言来描述。对于数字电路来说，最常见的称为Verilog。

使用Verilog可以创建更多的IP块，它也可以用来创建连接IP块的逻辑，以形成一个系统。然后可以对该系统进行模拟，以检查一切都按预期执行。

基于计算机的电子设计自动化工具（EDA工具）在整个过程中被使用--从编写和调试Verilog到接下来的仿真、验证和实施阶段。如果没有这些工具提供的自动化环境，就不可能创造出我们今天享有的复杂设备。

Verification(验证)

完成设计后，是时候在模拟器上运行它了。检查所设计的东西是否符合规范的阶段被称为验证。验证是通过在模拟工具中模拟已完成的设计来进行的。

仿真器使你能够通过应用虚拟信号来检查你设计的数字和模拟部分的行为。在你投入硅片之前，充分验证你的设计是很重要的，因为每一次测试芯片的迭代都会花费时间和金钱。

如果所有的结果都和预期的一样，那么恭喜你！在大多数情况下，你可能会发现你的设计需要做一些调整，以便SOC按照你想要的方式工作。但是，这就是在投入硅片之前能够进行模拟的好处。

Implementation(实施)

随着测试的完成，你可以进入实施阶段，在这个阶段你将你的设计呈现在硅片上。

有时，公司会选择使用现场可编程门阵列（FPGA）对定制的SoC进行原型设计，然后再致力于创建用于生产硅芯片的掩码。FPGA是一种可编程的芯片，可以相对便宜地创建，然后用来确保设计在硅片中的工作是正常的。

一旦公司准备好将设计投入到硅片中，系统设计将被映射到用于制造芯片的制造工艺中，并创建一个布局。晶体管与硅的映射使用另一种形式的IP，称为物理IP，但不用担心，因为有公司（如Arm）提供这种技术。

Tape-out(磁带输出)

设计阶段和制造阶段之间的过渡被称为Tape-out。这个阶段的输出包含所有必要的信息，以便代工厂按照你的设计生产芯片。

Tape-out这个短语可以追溯到互联网连接缓慢的时代，芯片制造商制造芯片所需的电子信息文件非常大，必须在物理介质上存储和运输。这种介质是Tape--因此被称为Tape-out。

Production and packaging

硅芯片是在一个由纯硅制成的大圆片上创建的。各种化学工艺，类似于印刷，被用来在硅上创建电路。电路的位置由一组根据最终芯片布局制作的光学掩模决定。在制造过程中，这些掩模被用来将电路 "打印 "到硅片上。

一块硅片包含了许多芯片的副本。然后，晶圆被切割以生产单个芯片或 "模具"。你的定制SoC现在已经准备好进行封装。

根据你的需要，你可能不需要足够的SoC副本来满足大型制造厂的最低要求。幸运的是，有一些合并商将来自一个以上客户的订单合并起来，以满足这些最低要求。

然后，每个裸芯片都连接有引线，并进行封装以保护芯片。

Getting Started

开始使用定制芯片可能看起来是一个令人生畏的前景，所以很高兴知道你并不孤单。本章告诉你，你可以向哪里寻求帮助，也有助于了解创建定制SoC的过程，使你的产品在市场上脱颖而出。

Finding Help

让我们面对现实吧，并不是每个人都能用双脚跳进像设计定制SoC这样复杂的事情中去。当然，像Arm Flexible Access和DesignStart这样的程序旨在使这一过程尽可能地简单和直接，但如果你以前从未做过这样的事情，你可能会感到不愿意承担这一任务。如果你是一个在SoC设计方面没有什么经验的初创公司，或者是一个没有内部设计能力的成熟公司，这并不重要；知道有帮助是件好事。事实上，在大多数情况下，与设计伙伴合作是正确的决定；如果别人能更快、更有效地为你做这件事，为什么要尝试建立这种专业知识？

例如，Arm已经招募了一些非常有能力的设计服务公司。任何需要设计服务的Arm客户都可以获得这些经批准的合作伙伴名单。这些合作伙伴在您的项目期间直接得到Arm公司的支持。

Arm认可的设计合作伙伴名单中的成员都是经过仔细审查的。他们只有在通过严格的审核后才会被邀请加入，并定期进行重新审核，以确保专业性、质量和能力。

Deciding on In-House or Design Partner

一旦你决定定制的SoC适合你的项目，你就需要确定是将项目留在内部还是寻求设计伙伴的帮助。在某些情况下，这可能是一个简单的选择。

如果你缺乏有能力处理设计过程的员工，或者你根本不想自己做，你的选择很简单。你可能想在项目开始时就与一个设计伙伴签约。

另一方面，如果你有合适的人，但他们缺乏经验，你可能想找一个设计伙伴，愿意在你的团队积累经验和信心时提供一些帮助。这样一来，你就更有可能完全在内部处理未来的项目。

供应商也可能有一些培训资源可供你的团队使用。例如，Arm公司提供私人现场课程以及私人和公共网络研讨会。

Choosing the Right IP

创建定制SoC最方便的事情之一是，你不必自己设计一切。相反，许多部件都可以作为IP提供，你或你的设计伙伴可以授权使用。例如，你的团队不需要设计自己的处理器，但可以在授权的基础上将Arm Cortex-M0或Cortex-M3之类的设计纳入SoC中。

除了处理器之外，许多其他组件也可以作为IP提供，你可以获得授权，例如Arm Corstone基础IP包括预先验证、可配置和可修改的子系统，将处理器和安全IP与最相关的系统组件预先整合在一起。从本质上讲，这些不同的组件只是插入设计中，构成整个功能件。因此，设计你的定制SoC是一个简单得多的过程，归根结底是对你想要的SoC的功能进行编程，而不是一个涉及创建或验证所有你自己的硬件元素的过程。

不是所有的IP都是一样的。在选择使用哪种IP之前，你要问清楚许可费用等问题。例如，是否有预付费用，每个单位的费用是多少？该IP在许多设计中是否有成熟的记录？许可供应商是否能够提供你可能需要的任何技术支持？该IP对你的项目来说是否足够灵活？该IP是否已被验证为可接受的质量标准，它是否能在未来的项目中使用？是否有一个健壮的工具和软件的生态系统？

Testing Prototypes (原型测试)

几乎每个人都遇到过设计不良的产品，或者根本没有非常有效地完成它们所要完成的任务。通常这些类型的问题是在原型阶段测试不足的结果，当时仍有可能以经济方式进行修正。

如果你正在制造一个消费者设备，不要忘记大多数消费者都不是工程师，他们看待世界的方式与工程师不尽相同。工程师可能会欣赏一个复杂的技术设计，而消费者通常不会那么宽容。虽然你确实需要对你的产品进行全面的技术测试，但在你致力于大批量生产之前，让一些普通人试用你的原型也很重要。

在设计一个定制的SoC时，你需要纳入几个测试阶段。首先，设计必须在模拟器中进行彻底的测试。很明显，你要测试设计的每个功能，以确保它产生预期的结果。此外，重要的是要看看在应用意外输入时发生了什么。我们很容易假设人们只会按照预期使用产品，但这样的假设几乎总是不正确的。

测试恶意的输入和预期的输入也很重要，因为黑客会故意使用意外的或不符合规范的输入，看看他们是否能让你的产品表现失常，以便攻击它。

在你的设计被彻底测试之后，下一个阶段是制作物理原型。你要对这些原型进行严格的测试。记住，在原型中发现并纠正错误要比在你的产品进入大规模生产后发现大问题要便宜得多。

Moving into Production

测试完成后，您就可以进入生产阶段了。这个过程从将你的定制SoC变成硅开始。根据你的设计实际创建芯片的公司被称为代工厂或晶圆厂（制造者的简称）。代工厂使用设计工具的文件来创建SoC的光学掩模，而这些掩模又被用来制造芯片。

你的设计伙伴将非常熟悉这个过程，往往一年要 "taping out "好几次芯片。这意味着他们是专家。他们清楚地知道什么是常见的陷阱以及如何检查它们。

制造商通常有一个最低运行要求，可能远远超过你的需求，特别是如果你是一个初创公司或一个刚刚试水的小公司。幸运的是，其他公司充当经纪人，将几个客户的订单合并起来，以满足最低要求。

对于你的第一个原型，你可以与其他公司分享晶圆和成本 - 这被称为多项目晶圆。它将成本降低到一小部分，为你管理风险，并使你迅速得到你的第一个设备。

在你的SoC被生产出来之后，它就可以被纳入你的产品中了。运气好的话，你会获得巨大的成功，参与你公司的每个人都会一夜之间成为亿万富翁。

Ten Things You Need to Know

本书已经为你快速介绍了定制芯片。当然，还有更多你想知道的东西，但我将用这一章来简要地提醒你一些你应该记住的重要内容。

• 它并不像你想象的那样昂贵：大多数定制SoC不需要尖端的IP和硅技术。定制的SoC可以使用广泛可用的成熟技术，而成本却很低。像Arm这样的供应商了解初创公司和其他公司需要的灵活性，以便能够以适度的预算开发产品。
• 它不一定有风险：信不信由你，你不是唯一考虑这条道路的人！现在，它是越来越多的公司所遵循的路线。目前，对于越来越多的公司来说，这是一条行之有效的路线。有一整个生态系统的公司致力于帮助像你这样的人获得他们需要的设备，有完善的质量流程、检查表、审查和专业知识，确保定制芯片设计不比任何其他电子设计项目更有风险。
• 你不必自己做所有的事情：如果你需要帮助，有许多资源可以利用，如在线培训和支持工程师。而且，如果你需要更多的帮助，Arm公司有一个由认可的设计合作伙伴组成的网络，他们的专业知识和专业精神都经过了审查。他们可以提供你所需要的支持，从只设计到管理整个生命周期，包括生产和供应。
• 你可以拥有你的未来：创建一个定制的SoC可以帮助你在市场上区分你的产品，也可以为你提供供应链的安全性。你不再需要担心个别部件因寿命终止问题而变得不可用。而且，通过使用定制的SoC，而不是更容易复制的基于组件的标准设计，你将受到保护，防止无良商家用廉价的拷贝抢夺市场。
• 投资于IP可以有很大的意义：使你的产品从人群中脱颖而出，对其成功至关重要。更好的功能、易用性和独特的功能可以帮助产品获得关注。一个定制的SoC和其中的IP成为你企业未来的宝贵资产。
• 不同的要求需要不同的解决方案：不同类型的产品需要不同的解决方案来满足特定需求。例如，一个简单的物联网设备可能需要最小的处理能力和极低的功率使用。另一方面，在智能家电中，你可能不会像关心定制的SoC使用多少功率那样，关心提供客户在当今设备中期望的必要功能和特性。
• 前期投资产生了未来的红利：花费精力和时间建立一个定制的解决方案，不仅能生产出更好的产品，还能为你省钱。当你用定制的解决方案进入批量生产时，这些成本节约会迅速放大，使你更容易投资于扩大业务规模以获得成功。
• 一个好的规范是成功的关键：在尝试设计你的定制SoC之前，请做好规划。确保你已经考虑了整个团队的意见。你当然不希望发布的产品中的定制芯片缺少客户期望的功能，所以要做研究，并创建一个全面的产品规格，一旦进入SoC设计阶段，你就会用到。
• 选择正确的IP是至关重要的：当你能从成熟的IP构件中选择时，设计一个定制的SoC将成为一个更简单的过程。不要重新发明轮子--使你的创新与市场上的成熟组件相辅相成。
• 不要忘记你的工具和软件：你在软件上的投资可能比在硬件上的投资要大，即使你设计了自己的SoC。能够重用和构建您所开发的软件是至关重要的。明智的IP选择可以让您在下一个项目中重用自定义SoC中的软件，即使它使用现成的芯片