迎接半導體設計新趨勢　客製化系統單晶片時代來臨

今日，基於成本效益與縮短產品上市時程等原因，多數企業會尋找安全、成本效益高的框架、服務與工具，以加速開發的進度。

客製化SoC好處多多

這些設計來自於持續擴大與可靠的供應商生態系統。目前電子系統設計軟硬體選項更勝以往，這意味著客製化單晶片系統(SoC)的成本越來越容易負擔，且不論預算或專業度如何，企業也更容易享用到這些益處。本文考量打造客製化SoC的好處，並取得一份針對工業控制應用研究的支持，其中包括與成本、規模與耗電量有關的真實資料。

打造客製化SoC有許多潛在的原因與好處，包含：

1. 降低整體產品成本，以單一晶片取代離散的元件。

2. 降低元件數目、複雜性與電路板體積。

3. 提升可靠性：具有數百個單獨元件的傳統電路板有許多潛在的故障點，其中許多失效點可以利用客製化半導體限縮元件數目，加以排除。

4. 保護產品，讓想利用逆向工程來複製產品變得更困難，或是不可能。

5. 降低供應鏈的複雜性、取得晶片的完整所有權，並使用有信譽的晶圓代工廠與製程節點，以確保長期供貨。

6. 增加一般產品沒有的新功能，讓產品更具吸引力，並作出產品區隔。

7. 針對特定的應用或產品，達到電路板方式無法達成的效能及/或成本上的需求。

供應鏈的安全，是極為重要的因素。完成的矽晶圓無需測試或封裝成本，就能安全地儲存，然後在未來可以存取使用。持續數年的供應裝置，可以用比較低廉的成本維持。相對的作法則是維持許多離散元件的供應，而且必須在事先以原價採購。客製化半導體對於採購與供應鏈團隊帶來的好處相當顯著。

除此之外，拜可取用且經過驗證的IP、熟練的設計服務公司以及成熟的晶片製造之賜，設計客製化SoC不再需要龐大的投資。原型測試晶片不到2萬美元就能生產，這是多數OEM廠商可以負擔得起的費用。

帶動成本降低

過去數十年來，數位裝置出貨量的成長相當顯著。圖1顯示Arm的合作夥伴過去20年內出貨的晶片數量的成長。Arm造就了全新型態的產品，例如第一支行動電話、智慧手機與穿戴裝置。在此同時，現有的產品開始進化，而車輛、白色家電與工業設備，也越來越數位化。

大多低產量至中產量的產品，都是使用市售的半導體元件。不過，這種方式常會限制效能、用電效率成本競爭力，特別當許多類比與數位元件必需符合產品需求。使用客製化SoC，可以克服這些障礙。

More than Moore

摩爾定律指大約每兩年，固定半導體面積上的電晶體數目就會增加一倍。最新的7奈米技術是了不起的極度微型化結果，它帶動了智慧手機、伺服器、電視與網路基礎建設的數位革命。

不過，較早(但仍然先進)的半導體節點的重要進展，常常被遺忘。在這些成熟節點上設計所需的費用，已經降到過去的一小部份。同時，低漏電流、低耗電或高電壓設計等可用的技術，都已成長數倍之多。對於成熟技術，創新的腳步並未停歇，反倒更為加速。

藉由結合例如感測器與制動器等根據莫爾定律不一定會擴充的電路元件，這些成熟的節點，也可以使用在增值的應用上。本文把它稱之為「比摩爾更多」(More than Moore)(圖2)。

今日，原型晶片利用180奈米製程製作，只需花費1.8萬美元。即便是使用過去曾驅動早期智慧手機的65奈米節點，費用也只需4.8萬美元。晶圓製造成本已經大幅下滑(圖3)，而良率則是相當的高。

實現混合訊號裝置、微控制器、輸入與輸出、驅動器與電力管理整合的客製化SoC所需的成熟製程節點，目前的可用性比起以往，更為寬廣。

組合式IP可用性與可負擔性

打造晶片時，所有需要的元件都可以輕易地從第三方廠家購得，或者透過設計服務的合作夥伴，從其產品選項中提供。

您可在數十億個市售的裝置中，找到Arm Cortex處理器的IP。透過例如Arm DesignStart與Arm Flexible Access等授權計畫，OEM廠商在打造客製化SoC時，可以取得所需的協助。

DesignStart透過簡單的合約，提供Cortex-M0與Cortex-M3的快速存取，且毋須事先支付費用，合約的運作是基於成功的權利金模式。DesignStart的套件包同時提供一個子系統以及各種IP區塊與周邊，以供進行建造或客製化。這個子系統包含一開始需要的所有共用元件，或是僅提供參考設計。

Cortex-M3 DesignStart套件包包含：Cortex-M3處理器，與可供配置的記憶體系統，利用整合的快閃快取記憶體，提供與快閃記憶體現成的連接與周邊的連接性，真亂數產生器(TRNG)提供安全的基礎，以及即時時鐘的支援，與Arm Cordio無線電進行整合的專屬埠。

另一方面，Flexible Access也可以提供選項更寬廣的IP產品、支援、工具與訓練的存取，使用的設計時間沒有限制，而且只需在開始製造時才需付費。權利金模式包括各種Cortex-A、Cortex-R與Cortex-M CPU、Mali GPU、Corstone基礎IP的套件包、SystemIP、Security IP與Artisan實體IP程式庫(圖4)。

設計協助

關於晶片的開發，Arm可以很容易地外包給聲譽卓越的設計服務公司。這些公司可以在客製化SoC過程中的每個階段提供協助，讓OEM廠商從設計、定義、整合、驗證到製造，都能把專案的每一個環節外包出去。有些公司可以提供完整的統包服務，產出立即可使用的微晶片。

物聯網(IoT)為客製化SoC世界，帶來新的層面；而目前也有之前完全沒有經驗的OEM廠商與企業，試圖想要打造客製化的半導體。Arm為了提供協助，已經建立起Approved Design的合作夥伴計畫。這個計畫為企業媒合查核過的設計夥伴，選擇標準則是依其提供服務的品質，以及過去成功使用Arm IP的紀錄。

個案研究：S3半導體與石油與天然氣業

半導體設計與製造公司S3半導體，最近為石油與天然氣產業的一家公司，開發出客製化SoC。這家公司生產複雜的閥體控制器，以感測壓力與溫度。原本的控制器是基於電路板的設計，並且包含許多各種市售的數位與類比零件。

針對公司次世代的產品，這個客戶決定用單一整合的解決方案，取代所有的市售零件。他們的動機是降低成本、提升可靠性、以及簡化庫存與供應管理。對於這個客戶，供應管理特別是重要的關切點，原因是他們的部份商家正計畫停產原始設計已經使用的元件。此外，該公司想要客製化的功能性，希望與遠端管理的外場閥體能進行連線。與多數的OEM廠商一樣，該公司內部缺乏半導體的設計專業，最後因此決定把專案委託給S3半導體。

S3半導體基於180奈米製程節點，開發出低耗電的晶片，並整合數位類比轉換器與類比數位轉換器，以及包括I2C、UART與SPI等通訊界面。整個低耗電的設計，耗電量只有160uW/MHz。這項專案的成果為，物料清單成本降低80%、耗電量降低70%，且電路板面積縮小75%。

半導體製造選項

原型與大量生產晶片的製造選項包括：

・多專案晶圓(MPW)：

結合來自不同客戶的專案，以便攤銷費用。它可以用在早期的原型，或是產量要求極低的完全生產。

・多層綜合光罩(MLM)：

把許多光罩結合成一個，降低光罩集的成本。不過，由於生產需要更長的晶圓代工廠生產時間，因此生產成本(晶圓成本)會增加。

・完整光罩組：

OEM廠商提供他們自己的光罩組，進行完全生產。這特別適用於中型到大型產量的專案。

幾乎所有的客製化特殊應用積體電路(ASIC)專案，一開始都透過多客戶晶圓驗證(MPW)產出原型。對於低產量的生產或是使用小型晶方體積進行生產的中產量生產，MPW與MLM比較符合成本效益。幾乎所有的晶圓代工廠都會針對各種技術節點，提供便於使用且較常使用的MPW或MLM服務。

顯而易見的，對於小型企業或低產量專案，實現客製化SoC現在已經合乎成本效益，而且是可以負擔得起的。根據imec研發與創新中心的半導體製造部門imec IC-link所進行的分析顯示，就算不考慮客製化SoC的多項額外優點，利用180奈米製程即便只生產幾千個晶片，依然划算(圖5)。 

軟體再使用

組裝與製造晶片，並不是客製化SoC專案的結束。如果沒有與經過優化、可以運行並充份發揮所有硬體功能的軟體搭配，硬體本身並沒有太大價值。擔心改用客製化零件的軟體工程師大可以放心，因為軟體的開發、除錯與再使用，會跟今天一模一樣。事實上，軟體開發人員針對基於Arm的市售微處理器(MCU)開發軟體時，所使用到的各種軟體與工具生態系統，在轉換到基於Arm的客製化SoC時，同樣可以加以運用。

此外，倘若企業還在使用傳統的8位元或16位元MCU，軟體開發人員將會更輕鬆。使用市售MCU或CPU的OEM廠商，會發現轉換至客製化SoC、再度使用已投資的既有軟體以及與未來專案共享新程式碼，會比他們預期得更直接。

開發晶片門檻降低客製化SoC帶動IoT發展

開發晶片的門檻已大幅下降，這也帶動客製化SoC如雨後春筍，帶動許多不同產業的物聯網與嵌入式應用。OEM廠商應該考量客製化SoC如何可以為他們服務。從驗證過的微處理器、周邊到加速器，市面上有很多可用的IP。依據需求的不同，處理器、子系統IP、工具與模型，有若干存取使用的方法，如Arm DesignStart提供存取特選IP產品與工具組合，事先只需支付低廉的權利金。Arm Flexible Access讓SoC設計團隊存取選項寬廣的IP產品、支援、工具與訓練，設計時間沒有限制，而且只在製造開始時才需支付費用。這些存取模式提供SoC設計人員無限的彈性，以便進行實驗、評估與設計，同時確保整體成本與專案的規模相稱。

(本文作者任職於Arm物聯網嵌入式事業部)