SoC系統(tǒng)架構師掌握產品意圖并作架構選擇

近來在半導體產業(yè)領域，一種新的工作職務正在崛起，其職稱是“系統(tǒng)架構師”（systems architect）。歐洲IC設計服務咨詢公司Sondrel坦言，業(yè)界越來越需要系統(tǒng)架構師來協(xié)調SoC設計項目的每一個層面，包括確保SoC項目符合規(guī)格并且準時且低成本。

據(jù)Sondrel設計架構主管Paul Martin解釋，系統(tǒng)架構師就像是管弦樂隊的指揮。“他或她必須對項目所需的所有技能有深刻的理解，知道這些技能在項目順序中發(fā)揮的時機，就像指揮家所做的一樣，讓管弦樂團的每種樂器群分別在正確的時間演奏?！?/p>

在深入說明系統(tǒng)架構師一職的實質內涵之前，最重要的是知道SoC設計項目中的每個團隊往往都有一個特定的用戶心智模型。例如，產品經理會專注在終端用途與產品應用上。系統(tǒng)架構師在此的工作則是著重在功能面和執(zhí)行面，并確保實現(xiàn)需求。

系統(tǒng)架構師必須能提取產品需求并有效地表達，才能讓技術和非技術利害相關者無需了解過多技術細節(jié)，而能掌握產品意圖并作架構選擇。

SoC架構探索

系統(tǒng)架構師的工作從需求獲取階段開始，此階段要辨識、制訂和記錄所有已知的功能與指針，包括以明確完整的提案提出效能要求。這階段也要辨識尚未完全理解或將來可能納入的功能。系統(tǒng)架構師在此階段還必須確定并規(guī)劃完成這些功能的驗證與量化所需的任務。

其次，這些需求會進入分析階段，提供設計和實施團隊輸入的適當構想。這個迭代過程會針對所有的功能性產生包含架構設計的規(guī)范，而其功能包括決定對于功率、效能和面積（PPA）的估計。

圖1：SoC架構探索是一種嚴格的方法，用于獲取SoC必須執(zhí)行的一個或多個應用使用案例和數(shù)據(jù)流。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

架構分析包括架構探索、IP選擇和規(guī)格、需求驗證以及項目執(zhí)行計劃的產生并詳述后期階段的主要任務。在這里，候選架構之架構探索是關鍵組成要素，因為它經由對提案進行建模、評估已知或可參考的使用案例讓架構設計去蕪存菁。

這種做法能夠動態(tài)地定義系統(tǒng)拓撲并提供諸如內存、總線結構和配置的數(shù)據(jù)/控制路徑等資源。因此，架構探索可以評估、驗證連接性、時序和效能等功能面的質量，進而對設計的正確性產生可信度。后期階段則會采用更詳細、更準確的模型來確定和修正架構實施過程中的潛在錯誤。

總而言之，系統(tǒng)架構師會檢查探索活動的結果，并逐漸匯整歸納出最適合SoC的架構。然后，架構師再與產品經理溝通調查的結果，產品經理可能會決定修改需求或與系統(tǒng)架構師合作，進一步改善該候選SoC的架構。

系統(tǒng)架構師：工作描述

以上主要是針對SoC設計做初步描述（即SoC架構探索），讓人一窺系統(tǒng)架構師的工作內涵。西門子數(shù)字工業(yè)軟件公司（Siemens Digital Industries Software）資深副總裁兼IC驗證解決方案總經理Ravi Subramanian表示，系統(tǒng)架構師需要具備一套獨特的技能資格。首先是擅長在組織中跨多個層級協(xié)調的能力。

另一個重要技能是在促成SoC架構和微型架構規(guī)范上有實質的經驗。根據(jù)Subramanian的說法，系統(tǒng)架構師必須了解需求、分析、規(guī)格、加工、建模、實施和驗證/確認的周期循環(huán)?！傲私夤ぷ髫撦d分析和計算機架構效能分析也是關鍵所在?！?/p>

依據(jù)Arteris IP公司副總裁兼IP部署總經理Isabelle Geday的說法，擔任這項職務需要具備系統(tǒng)導向的思維，也就是需要有整體性的做法確保所設計的系統(tǒng)能夠成功?！跋到y(tǒng)架構師需要對設計和驗證有深入的理解，并掌握目標應用與領域的各個關鍵層面?！蓖瑫r從系統(tǒng)面根據(jù)其架構的定義，思考有效處理安全性、保護和效能的方法。

圖2：從區(qū)塊到子系統(tǒng)再到完整的SoC設計，都需要系統(tǒng)架構師直接或間接參與監(jiān)督。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

Isabelle Geday曾經是總部位于法國巴黎的Magillem Design Services公司（已于2020年為Arteris IP收購）創(chuàng)辦人兼首席執(zhí)行官。她補充說，系統(tǒng)架構師應該了解目標應用領域，因為他們要推動系統(tǒng)需求和衍生的相關管理。因此，必須與營銷團隊協(xié)調合作、溝通才能訂定產品管理策略，有效處理SoC的復雜性。

Geday指出，安全與保護特別重要，因為SoC目前在汽車、通信和國防上的應用越來越重要。由此產生的壓力對半導體業(yè)而言是相對較新的壓力;例如2018年發(fā)布的ISO 26262第11章（Chapter 11）。

因此，系統(tǒng)架構師一方面應該在開發(fā)過程中與安全、保護及效能的專家密切互動;另一方面，他們需要與設計及驗證團隊協(xié)調合作，以確保系統(tǒng)可行性，進而使系統(tǒng)付諸實現(xiàn)。

正如同Martin所指出的，另一個重要的考慮因素是將需求轉換為建模流程所需的數(shù)字用戶線（DSL）格式。因此，熟悉可產生使用案例之可執(zhí)行規(guī)格與可視化的工具非常重要。 誰有資格勝任此工作？

依據(jù)Subramanian的說法，系統(tǒng)架構師必須對計算機系統(tǒng)工程、計算機架構，包括儲存系統(tǒng)、軟件和硬件有深入的了解。換句話說，系統(tǒng)架構師需要在定義及實施運算設備的架構方面累積10余年的經驗。

系統(tǒng)架構師必須了解需求、分析、規(guī)格、加工、建模、實施和驗證/確認的周期循環(huán)。因此，了解工作負載分析和計算機架構效能分析極其關鍵。

整體而言，這相當于在SoC設計流程、實施和驗證的各種方法論上都積累了實質的經驗。系統(tǒng)架構師還必須熟悉接口的工業(yè)標準規(guī)格;在功率、效能、面積（亦即PPA）的專業(yè)知識上都能均衡掌握也是重要的加分優(yōu)勢。

圖3：在SoC設計項目的后期階段，采用了更詳細、更準確的模型來確定及修正架構實施過程中的潛在錯誤。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

正如Martin指出的，系統(tǒng)架構師通常是透過簡報、電子表格或文件了解使用案例需求。Geday說，對此，系統(tǒng)架構師必須運用再利用策略將先前的設計加以發(fā)揮?！叭欢?，定義再利用策略以因應衍生的管理，并從系統(tǒng)層面考慮變化性并非易事?！?/p>

這需要以系統(tǒng)級的表示法將現(xiàn)有的IP與子系統(tǒng)等信息加以整合，用于推導架構的定義;失效模式和影響分析（FMEA）就是一個很適當?shù)陌咐?。Geday說：“再利用策略需要有一致的自制或外購策略之支持。外購可節(jié)省時間而自制可獲得競爭優(yōu)勢，同時確保最終都能符合內部與外部IP以及由此產生的SoC設計?！?/p>

系統(tǒng)架構師：工作分析

在充份解釋系統(tǒng)架構師各方面的工作后，為了更加清楚起見，逐步分析這份工作的內涵也很重要。依據(jù)Subramanian的說法，系統(tǒng)架構師在SoC設計項目中的工作流程，典型細分如下：

需求獲?。喊ㄅc產品管理部門合作以取得全面的產品需求摘要。

產品分析：這涉及建立架構設計的規(guī)范，其中包括估計功率、效能與面積。這需要全面了解如何將SoC整合到終端平臺，并明確定義使用案例與軟件工作負載，讓SoC成功受到采用。

架構規(guī)范：系統(tǒng)架構師必須確保產品分析的輸出或SoC架構的定義能夠符合要求與使用案例的驗證方法。

架構探索：包括探索、IP選擇和規(guī)格、需求驗證以及項目執(zhí)行計劃的產生，并詳細闡述主要工作任務。架構設計是透過對架構提案建立模型并評估已知或可參考的使用案例來完成。因此，所有功能層面，諸如連接性、時序、效能等都要經過評估和驗證，以確保設計正確性的可信度。后期階段要采用更詳細、更準確的模型，用來確定及修正架構實施期間的潛在錯誤。

建模：這需要開發(fā)必要的模型并改進建模方法。

實施及驗證：這個階段涵蓋從區(qū)塊到子系統(tǒng)再到SoC之實施及驗證。

使用案例驗證：這涉及需求階段所定義的使用案例與工作負載的驗證。

系統(tǒng)整合驗證：這需要在系統(tǒng)環(huán)境的特定使用案例下驗證SoC與工作負載，例如在先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）設計中可在SoC上運作的軟件。

圖4：建模能夠探索未知，模型中的錯誤比在SoC中更容易修正。（數(shù)據(jù)源：Sondrel）

系統(tǒng)架構師工作的藍圖仍隨著SoC的發(fā)展而演變著。然而，這項新工作的基本原則在未來仍然可能適用。同時，在人員數(shù)、工具和單次工程費用（NRE）等方面的龐大費用將更突顯出SoC系統(tǒng)架構師重要性。

審核編輯：郭婷