通信IP:固定功能 vs 软件可编程?

作者:Richard Edgar,Imagination科技,通信技术营销总监

当我们决定使用第三方IP实现系统的无线通信功能时我们需要作出一个选择,是采用固定功能的IP还是软件可编程的IP。可以说这两种方式各有千秋,实际上要选择哪种方式还是要根据我们的解决方案和面向应用市场来决定。

毫无疑问有很多的应用市场,比如消费电子或者物联网(IoT)应用非常看重集成电路(IC)的成本,因此我们的选择也很简单——采用硬核IP,这样芯片器件的尺寸会相对小一些,因此成本也是最低的。在其他市场芯片成本可能不是最重要的因素,我们可以选择软件可编程的解决方案,这种方式更灵活,能够及时修正后面可能出现的问题。那么我们如何选择更适合自己的呢?

固定功能的通信IP

对于固定功能的解决方案,电路的设计和优化都是为了实现特定的操作,比如蓝牙无线电,它会使用最少的逻辑门资源,占用的硅片面积也最小。一些成熟的无线技术已经建立了完善的生态系统,比如WiFi、蓝牙(Bluetooth)等,面临变化的风险非常的小,因此固定功能的IP是一个非常不错的选择。

然而如果固定功能的解决方案出现了问题或者需要做出一些改变来适应新的特性,比如需要改变IP的物理布局,这就需要更新集成电路的设计然后重新生产。这意味着需要额外的成本和更长的设计时间,此外还可能错过产品上市的最佳窗口期。

如果你想开发一个基于相同技术但是只需调整不同参数就可以体现不同特性的解决方案,比如WiFi应用中不同的MIMO配置选择,那么固定功能的解决方案也是不太适合的。因为每种解决方案都需要根据要求配置进行具体的设计,所以在设计此类型的解决方案时我们很难找到降低成本的方式,每个设计都必须作为一个独立的项目。

现存通信标准有些也不够成熟或者又推出新的版本规范,比如IEEE 802.11ax——下一代WiFi标准,这时采用固定功能IP的解决方案就具有相当大的风险,尤其对于早期采用者而言。早期部署时,可能会出现多种问题,比如通信标准更改、互操作性兼容问题等。在这些情况下,我们就需要采用比固定功能方案更加灵活的解决方案了。

在设计新的无线技术或者对现有技术进行版本更新时,为了克服固定功能硬件可能引起的潜在问题,我们无疑需要采用更加灵活的方法。此时软件可编程的解决方案是更好的选择。

软件可编程的通信IP

软件可编程的解决方案是硬件和软件技术的集合,通过修改在可编程处理器件上的软件或固件实现物理层信号处理。这些器件包括可编程逻辑门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)、通用处理器(GPP)、片上可编程系统(SoC)等其他特定应用可编程处理器。这些技术使我们可以基于现有的无线电系统添加新的特性和功能而不需要添加额外的硬件。

软件可编程的解决方案的灵活性让系统设计具有更广泛的适用性。一系列相关的解决方案都可以采用共同的平台架构来实现,因此新的产品能够以更快的速度推向市场。软件在不同的解决方案之间可以实现复用,大大降低了开发成本。通过更新软件就可以增加新的特性和功能,完全不需要在重新设计IP模块。如果已经将集成电路产品交付给客户,而后又想增加新的特性或修复问题,这一特点将尤其有用。

然而软件可编程的解决方案会增加硅片面积,继而增加生产成本。使用通用处理器或者DSP需要大容量的存储器来存储和处理软件代码和算法。根据无线电的配置,这可以说是相当大存储容量了。举个例子,WiFi 4x4 MIMO解决方案需要的存储容量远多于WiFi 2x2 MIMO解决方案,当然这也是一个优势,可以利用额外的存储空间增加一些新的功能特性,比如当处理大量数据包时可以临时扩充缓存空间大小。因此软件可编程的方法不太可能提供和固定功能方法一样小面积的解决方案。

固定功能的IP核有两种形式:“软核”和“硬核”,而软件可编程的IP核只能是“软核”的形式。

软核IP通常会提供可综合的RTL代码,采用不同的硬件描述语言,如Verilog。IP核以RTL的形式提供给芯片厂商就可以允许芯片设计者在功能上进行相应的修改,这样设计者就可以做进一步的设计优化,降低成本或者增加新的功能特性。软核IP有时也会提供逻辑门级的网表,网表是IP核逻辑功能的布尔函数表示方式,采用通用的逻辑门或者特定的标准单元来实现。采用逻辑门实现的IP核可以用任意工艺实现,因此不需要提供正确的工艺或Foundary,开发者可以自己移植,由此带来、更大的灵活性。门级网表类似于计算机编程领域中的汇编代码清单。

硬核IP更接近于底层,在时序和面积上更接近芯片的实际性能,具有一定的可预测性,降低了由于最终设计的错误而导致必须重新设计和生产的风险。它们通常采用底层的物理描述来定义然后以晶体管布局的形式提供给芯片制造商,比如GDSII,数字化IP核有时候也采用布局的形式提供。IP核的功能不能够被芯片设计者所修改,晶体管布局必须遵循目标foundary 的设计规则,硬核IP通常只提供一种foundary处理方式。很多设计者使用硬核IP来降低设计难度,同时也减少了系统集成难度和时间。

选择正确的通信IP形式

我们意识到对于不同的应用市场和解决方案有着不同的要求,尤其对用通信IP核的选择并不是一款通用的,因此Imagination科技Ensigma系列无线IP核具有多种硬核和软件可编程的可选方案来满足这方面的需求。

• Ensigma Explorer无线IP:全面的软件可编程的设计环境,同时具备一些固定模块支持一些特定的通用功能,具备较高的性能和灵活性。
• Ensigma Whisper IP:固定功能的解决方案,面向消费电子和物联网(IoT)市场提供最高效的功率、芯片面积和性能特性。

但是最终采用哪种方案还是要取决于设计者,不光要考虑眼前的问题,而且还要考虑以后长期的开发和可能需要增加的功能。

很多设计者可能会选择固定功能的解决方案,因为他们更看重集成电路芯片的尺寸,而且他们对于这种方式也更熟悉,当然也更方便。这种方式风险较小同时具有开发成本低,开发时间短等优势。尽管使用硬核能够降低设计成本但是也仅适用于已经确定以后芯片不会有功能上的修改等情况。集成电路设计的改变很难做到,特别是在流片之后。

有时候我们需要更大的灵活性,比如在设计过程中需要随时更新一些功能,或者已经投产后需要增加一些功能特性等,这时就需要采用软件可编程的IP方案,对于整个集成电路的开发周期也有更高的成本效益。尽管这种方式对于硅片的成本相对较高,开发和集成时间也不能缩短,但它确实提供了在开发新的无线电标准时所需要的灵活性。提供一个通用架构平台的能力使开发一个产品系列更有成本效益,并具有较高的重用水平。

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