RF: 究竟能否成為插入式IP？

　　當(dāng)移動(dòng)設(shè)備SoC集成射頻電路時(shí)，它們將需要可重用 RF IP。但是它們能夠做到嗎？

　　對(duì)于下一代智能手機(jī)、移動(dòng)視頻播放器以及 Web 漫游附件的整合，其含意不僅是要將多用途基帶與應(yīng)用處理器、加速器和內(nèi)存一起放到同一片 SoC （系統(tǒng)單芯片）上，而且還要將許多小信號(hào)RF電路整合到SoC上。其中就存在一項(xiàng)重大難題。

　　在今天的 SoC 中，要想滿足時(shí)間表并維持合理的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，硅 IP （知識(shí)產(chǎn)權(quán)）的重用是絕對(duì)必要的。但是，盡管 IP 的重用在數(shù)字行業(yè)人所共知，甚至已經(jīng)成為一些甚高頻模塊的常見現(xiàn)象，例如高速I/O的SERDES（串行器/解串器）功能和所有應(yīng)用類別中的PLL（鎖相環(huán)路），但對(duì)射頻應(yīng)用的 RF 電路，設(shè)計(jì)重用幾乎尚未聽說。這是為什么呢？我們能否做一些相關(guān)工作？或者說，移動(dòng)設(shè)備的下一代 SoC 肯定大部分是定制芯片嗎？

　　按問題大小排列

　　在這些問題中，最要緊的是移動(dòng)系統(tǒng)SoC中大塊的片芯區(qū)。這一情況并不單單因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/射頻">射頻傾向于大面積——它有遠(yuǎn)超出最低限度的晶體管和幾乎不可縮小的電感與電容，還因?yàn)楦呒?jí)手機(jī)要求在一個(gè)SoC上有多個(gè)射頻。

　　例如，考慮這樣一種典型的概念設(shè)備，它可作為多頻手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)終端，能獲得當(dāng)前可用的任何最佳網(wǎng)絡(luò)連接。此類手機(jī)將有一個(gè)LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）射頻，用于連接蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)802.11n MIMO（多輸入/多輸出）Wi-Fi 射頻塊，用于與任何可用的 Wi-Fi 接入點(diǎn)建立多天線連接；至少一個(gè)UWB（超寬帶）射頻，用于實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙、無線 USB 或?qū)Ｓ械慕?、高帶寬協(xié)議；還有一個(gè)GPS（全球定位系統(tǒng)）接收器，用于獲得位置信息。這些組件沒有一樣是微不足道的，并且對(duì) 802.11n MIMO 射頻，面積會(huì)相當(dāng)大（圖 1）。

　　最初，這些射頻可能全部位于單獨(dú)的片芯上。但是設(shè)計(jì)壓力強(qiáng)制它們中的許多（即使不是全部）都遷移到SoC上。大信號(hào)RF模塊將屬例外，例如功率放大器和天線開關(guān)，它們可能保持在 SoC 以外。

　　一個(gè)典型射頻中的小信號(hào) RF 模塊很容易列舉（圖 2 ）。在多數(shù)現(xiàn)代射頻中，它們幾乎以相同的配置重復(fù)出現(xiàn)。但是這一情況并不意味著能簡(jiǎn)單地重用整個(gè)射頻模塊或單個(gè)功能。
　
　　鑒于這么高的復(fù)雜性，如此多的片芯區(qū)，以及如此多的利害攸關(guān)因素，似乎 SoC 設(shè)計(jì)者（尤其是缺乏內(nèi)部 RF 專業(yè)知識(shí)的 SoC 團(tuán)隊(duì)）顯然會(huì)希望以第三方IP方式獲得自己的射頻模塊。但今天的實(shí)際情況是，他們不會(huì)這樣做。甚至從中期來看，這些SoC設(shè)計(jì)中的一些或多數(shù)射頻模塊的設(shè)計(jì)工作將由SoC 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)自己承擔(dān)，而非第三方IP開發(fā)者。造成這一困境有若干個(gè)重要原因。

　　所有這些原因都源于可重用 IP 的理念。要想重用，IP模塊必須具有一種能明確理解的功能，創(chuàng)建者和用戶對(duì)該功能達(dá)成一致共識(shí)。它必須有明確定義的端口，并且必須根據(jù)它們與模塊功能的關(guān)系以及許可的信號(hào)特征，明白無誤地定義這些端口的信號(hào)。沒有這些基本約束，IP 就不會(huì)像可重新設(shè)計(jì)一樣地可重用。但這些要求中的每一項(xiàng)對(duì)于 RF 射頻 IP 都成問題。

　　首先是標(biāo)準(zhǔn)問題。當(dāng)然，幾乎所有非專利的空中接口都有明確的標(biāo)準(zhǔn)，并有驗(yàn)證IP和互操作性測(cè)試。但問題是射頻的實(shí)現(xiàn)。Berkeley Design Automation的首席執(zhí)行官 Ravi Subramanian 警告說：“這些標(biāo)準(zhǔn)射頻的收發(fā)機(jī)體系結(jié)構(gòu)仍在發(fā)展之中。構(gòu)建射頻的方式仍取決于您將用它提供服務(wù)的市場(chǎng)。”例如，盡管一個(gè) UWB 射頻的結(jié)構(gòu)非常像 802.11 射頻，但細(xì)節(jié)看上去是不同的（圖3）。

　　Synopsys 公司的混合信號(hào)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Navraj Nandra表示：“即使標(biāo)準(zhǔn)射頻的定義也不像你想象的那么明確。”他指出，不同國(guó)家可能以不同方法實(shí)現(xiàn)同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)射頻。美國(guó)的WiMedia射頻使用 Band Group 1。其他國(guó)家使用更高頻率的頻段組，因此需要不同的射頻設(shè)計(jì)。

　　Subramanian說：“對(duì)那些有能力的公司來說，將這些射頻放到SoC上的 CMOS 中的工作也是皇冠上的明珠。射頻與高性能的整合能力對(duì)于他們的產(chǎn)品必不可少，并能使他們脫穎而出。他們并不打算購(gòu)買 IP 做射頻，雖然可以這么做。”
如何獲得射頻內(nèi)子模塊的許可呢？畢竟，您可以獲得與某些模塊運(yùn)行一樣快的第三方 PLL 許可。Nandra 表示，這種情況也不會(huì)出現(xiàn)。“射頻中有明確的功能塊：RF 前端、混頻器、數(shù)據(jù)變換器，等等。但現(xiàn)在的問題是，沒有定義模塊的確切分區(qū)以及它們之間的接口。例如，在 PCI（外圍設(shè)備互連） Express 環(huán)境中，PHY（物理） 和MAC（介質(zhì)訪問控制）層之間有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的管道接口，但是沒有定義射頻硬件內(nèi)各功能之間的接口。”

　　MIPS 無線系統(tǒng)小組執(zhí)行副總裁Carlos Leme稱：“這些接口的難度很大。這不只是一個(gè)將它們插到一起的問題。你需要觀察各塊之間RF信號(hào)的所有負(fù)載與阻抗匹配需求。”塊內(nèi)的功能也沒有明確定義。Leme繼續(xù)說：“RF 電路的分區(qū)十分復(fù)雜。塊的規(guī)格相互影響。”Leme 解釋說，技巧嫻熟的RF設(shè)計(jì)者可能選擇在電路的一個(gè)部分接受更多的噪聲，而在另一個(gè)部分補(bǔ)償它。Leme補(bǔ)充說：“正是由于這一原因，從來也不存在一個(gè)規(guī)模性的 RF構(gòu)建塊IP 市場(chǎng)。最終您總得與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)密切合作，那它就不是真正的 IP 了。”

　　信號(hào)和噪聲

　　即使一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)接受前面定義的構(gòu)建塊，整合過程也會(huì)是非常困難的。問題涉及可重用 IP 定義的另一個(gè)組成部分：塊應(yīng)在明確定義的引腳上有良好定義的信號(hào)。這一概念對(duì) RF 設(shè)計(jì)的困難之處在于：RF電路和芯片其余部分之間的交互并非只涉及已定義的信號(hào)，甚至是 IP塊和芯片其余部分之間的預(yù)期路徑。這一情況可能導(dǎo)致一些有意思的問題。

　　首先，有連接問題。不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用一種數(shù)字化布線工具，將一個(gè)硬IP塊上的引腳連接到它們的目的地，并結(jié)束在一個(gè)工作射頻上。RF 信號(hào)路徑必須進(jìn)行阻抗匹配。它們關(guān)注寄生效應(yīng)。有時(shí)，它們非常關(guān)心所需連接節(jié)點(diǎn)上發(fā)生的一切。

　　即使擁有到安靜、行為正常節(jié)點(diǎn)的阻抗匹配連接，但在所采用工藝的驗(yàn)證中，會(huì)有一部分硬 IP 在芯片中的性能不同于在測(cè)試芯片中。通常，這種不可預(yù)見性的原因來自于 RF 電路與不包含已定義信號(hào)路徑的片芯上其余部分之間的相互作用。

　　Cadence的高級(jí)產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Hany El Hak表示：“在 RF設(shè)計(jì)中模型有問題，這并非肯定源于從代工廠或 IP 供應(yīng)商獲得的RF模型不準(zhǔn)確，而是因?yàn)镮P設(shè)計(jì)者在構(gòu)建模型時(shí)所做的假設(shè)并不總能傳達(dá)給IP用戶。”

　　他解釋說，如果 IP 設(shè)計(jì)者假設(shè)了一個(gè)最大電源噪聲數(shù)值，您需要知道它，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)中IP上的電源腳確實(shí)沒有超過該數(shù)值。他指出：“總的來說，問題是，在RF域中存在著不遵循信號(hào)路徑的耦合與干擾。”電源噪聲只是El Hak舉出的一個(gè)例子。另一個(gè)例子是基材耦合。直到不久以前，即使最好的CMOS邏輯流程幾乎不可能得到準(zhǔn)確的基材模型。 El Hak表示，現(xiàn)在有了那些模型，代工廠樂于分享它們。“但是基材耦合模型非常復(fù)雜。如果電路模型包含了它們，那么整體問題的復(fù)雜性會(huì)劇增。必須采用一些正式方法來降低模型的復(fù)雜性，如刪除電路不是特別敏感的寄生路徑，以使仿真切實(shí)可行。例如，在Spectre中就有完成這項(xiàng)任務(wù)的工具，但它不是全自動(dòng)的。簡(jiǎn)化模型的準(zhǔn)確性仍然取決于設(shè)計(jì)者對(duì)刪簡(jiǎn)電路的指導(dǎo)原則。”

　　驗(yàn)證問題

　　由于射頻IP塊和基材、電源腳、信號(hào)腳甚至附近無關(guān)走線之間干擾的潛在可能性，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的RF設(shè)計(jì)者也會(huì)帶著某種程度的敬畏去處理集成塊的驗(yàn)證。這不用驚訝，它并非一件輕而易舉之事。

　　RF設(shè)計(jì)服務(wù)工作室 Tahoe RF Semiconductor的總裁兼首席執(zhí)行官Irshad Rasheed警告說：“真正要做的是整個(gè)系統(tǒng)的驗(yàn)證，而不只是IP塊。單從頂層定義系統(tǒng)就可以占到設(shè)計(jì)周期的15%~25%。一旦完成，許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就開始用Verilog模型和足夠完成模擬/混合信號(hào)功能仿真的提取數(shù)據(jù)，從行為級(jí)對(duì)系統(tǒng)作分析。”他告誡說，直接進(jìn)入 IP 集成及提供整個(gè)芯片的 GDS（圖形數(shù)據(jù)系統(tǒng)）-II 是有可能的，但是風(fēng)險(xiǎn)極大。“基材耦合和來自數(shù)字電路的噪聲刺激的模型從來沒有那么好。VCO（壓控振蕩器）從未集中。風(fēng)險(xiǎn)非常大。”

　　與此相反，Rasheed建議說，設(shè)計(jì)部門可在測(cè)試芯片上實(shí)現(xiàn)射頻電路。這些元件開始時(shí)可采用小型結(jié)構(gòu)，只是驗(yàn)證電路模型，并發(fā)展到由數(shù)字噪聲生成器環(huán)繞的整個(gè)射頻塊，以仿真最終 SoC 上的環(huán)境。他說：“利用測(cè)試芯片，可以驗(yàn)證大量的射頻行為，然后再結(jié)束整個(gè)SoC的最終掩碼。”

　　對(duì)各種情況，Rasheed 都強(qiáng)調(diào)頂層仿真的重要性，它要足夠抽象，能查看設(shè)計(jì)作為一個(gè)實(shí)際射頻時(shí)的行為，并且能足夠精確地預(yù)測(cè)到問題。他說：“需要能反映電路級(jí)實(shí)際情況的Verilog-A模型。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要大量的RF綜合經(jīng)驗(yàn)。它需要在Spectre、RF-Spice和Verilog-A模型之間輕松地來回移動(dòng)。并且它需要知道‘gotchas’（關(guān)鍵點(diǎn)）將位于何處，以便能夠在較高層級(jí)的模型中捕獲它們，而不會(huì)在下面的設(shè)計(jì)中遭受它們困擾。實(shí)際上，RF 設(shè)計(jì)者必須參與芯片驗(yàn)證過程。”

　　Berkeley Design Automation公司的Subramanian反映出驗(yàn)證工作的難度，它將RF IP的驗(yàn)證分為五個(gè)階段：功能仿真、性能分析、噪聲分析、與封裝設(shè)計(jì)交互的審查，以及對(duì)工藝變量敏感度的分析。糟糕的是，盡管需要在塊整合前完成前兩個(gè)階段，但是在 SoC 的整合和布局后，所有這五步都是必要的。

　　變化性

　　接下來有變化性問題——這不但包括工藝、電壓和溫度的變化，還包括封裝和電路板的變化。放進(jìn)SoC中的射頻必須采用制造 SoC 的數(shù)字CMOS 工藝。但是在該工藝的所有環(huán)節(jié)中，該芯片都必須功能正常。它必須能采用市場(chǎng)營(yíng)銷部門為芯片構(gòu)想出的各種封裝變種。它必須能用于客戶的電路板設(shè)計(jì)。

　　在這場(chǎng)不平等的對(duì)弈中，RF設(shè)計(jì)者有兩種基本武器：可靠的電路設(shè)計(jì)和數(shù)字配置。從真空管時(shí)代起，第一種因素（即電路的可靠性）就一直是RF設(shè)計(jì)者的一個(gè)工具。它來自于固態(tài)電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、充分的仿真，而許多設(shè)計(jì)者還力舉足夠的測(cè)試芯片。但是隨著RF電路集成到數(shù)字CMOS工藝中，設(shè)計(jì)者有了一種改變射頻設(shè)計(jì)本質(zhì)的新武器：數(shù)字可配置性。

　　MIPS的Leme表示：“射頻對(duì)寄生效應(yīng)非常敏感，而寄生效應(yīng)對(duì)各個(gè)工藝變種并不穩(wěn)定，也不能準(zhǔn)確建模。我們需要利用更多的寄生數(shù)據(jù)來改進(jìn)設(shè)計(jì)工具包。但是即使如此，最終，也要采用數(shù)字修整方法使電路與工藝完美定位。我們?cè)噲D為IP增加盡可能多的可配置性。”

　　Leme認(rèn)為先進(jìn)CMOS工藝有助于增加可配置性。“一旦達(dá)到 90nm 或 65nm，模擬開關(guān)就非常好?？梢栽诓皇剐盘?hào)嚴(yán)重降級(jí)的情況下使用它們。”這一能力為一種設(shè)計(jì)樣式開啟了方便之門，此時(shí)數(shù)字信號(hào)可以打開和關(guān)閉開關(guān)，不但可以調(diào)整偏置電流或阻抗匹配，還可完成有源元件在信號(hào)路徑上的切進(jìn)切出。

　　Subramanian 表示，這對(duì)于RF設(shè)計(jì)是一種新的設(shè)計(jì)方式。他說：“先進(jìn) 的CMOS工藝對(duì)于RF 而言有其局限性，但是它們提供了大量可供使用的晶體管。這使設(shè)計(jì)者習(xí)慣于在無力實(shí)現(xiàn)規(guī)格的情況下都用晶體管來達(dá)到目的。因此，SoC 上的RF-CMOS電路傾向于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過傳統(tǒng)的RF設(shè)計(jì)：可能在其中一個(gè)上看到10 萬個(gè)晶體管。”

　　在這種新設(shè)計(jì)方式中，可配置性接受了那種在設(shè)計(jì)時(shí)未準(zhǔn)確了解關(guān)鍵參數(shù)的懶惰。Synopsys的Nandra說，特別是對(duì)噪聲來說，模型是一個(gè)問題。“首要問題是柵極噪聲。如果要像積極的SoC設(shè)計(jì)者那樣，在工藝生命周期的早期開始設(shè)計(jì)，晶體管級(jí)的噪聲模型可能不具備準(zhǔn)確的穩(wěn)定性。在測(cè)試芯片的劃片槽中放一些工藝監(jiān)控設(shè)備以幫助校準(zhǔn)模型，這是一種不錯(cuò)的做法。然后，可在以后在 IP 中包含測(cè)試結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步幫助校準(zhǔn)。”來自那些結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)可設(shè)置集中電路的數(shù)字參數(shù)。

　　走向IP 重用

　　RF設(shè)計(jì)中使用海量晶體管、性能監(jiān)控器和校準(zhǔn)電路，這種做法已改變了射頻的本質(zhì)，即使之從僅有少量有源器件的優(yōu)雅小電路改變?yōu)閺?fù)雜度難以置信的數(shù)字電路，而其信號(hào)路徑上只有一些RF器件。這一演化促使我們轉(zhuǎn)向可重用RF IP的目標(biāo)。
著名工程師、BroADCom工程總監(jiān)Arya Behzad坦率地總結(jié)了目前的狀況：“如果不能重新利用IP，就不可能生產(chǎn)出我們的系列產(chǎn)品。但一般來說，與數(shù)字或其他模擬IP相比， RF IP在重用時(shí)需要更多的修改。”Behzad表示，這一現(xiàn)實(shí)促使Broadcom RF設(shè)計(jì)部門根據(jù)應(yīng)用情況，有意識(shí)地設(shè)計(jì)出針對(duì)重用的射頻模塊。Behzad說：“如果我們正在為全新的市場(chǎng)領(lǐng)域設(shè)計(jì)一種射頻，并且我們只是想得到一些經(jīng)驗(yàn)，我們可能會(huì)做一次性設(shè)計(jì)。但是，如果我們是為一個(gè)有些經(jīng)驗(yàn)的市場(chǎng)開發(fā)完整的產(chǎn)品線，我們將計(jì)劃重用問題，盡管這要消耗一些片芯面積。理念是利用所有那些短通道器件，并且用大量這種器件使射頻更加靈活。最終，您的內(nèi)核周圍有大量電路。”

　　顯然，這種靈活性要以空間和功耗為代價(jià)。因此可重用設(shè)計(jì)并非一種教條，而是另一種工程的權(quán)衡。Behzad 說：“例如，如果您想設(shè)計(jì)一個(gè)可重用的射頻，那么可能發(fā)現(xiàn)為單入、單出射頻設(shè)計(jì)的塊中的 70% 可重新使用在MIMO射頻中，盡管MIMO射頻的要求更為嚴(yán)格。”

　　Behzad 解釋說，假定針對(duì)可重用設(shè)計(jì)了射頻，那么整合就成為這樣一個(gè)過程，即IP 的可配置性與新SoC 需求的匹配。但是這一過程本身可能比較復(fù)雜。他指出，一臺(tái)802.11n收發(fā)的數(shù)字控制大于2kB。他解釋說，“很多這些數(shù)位要與芯片的其他部分實(shí)時(shí)交互。為了驗(yàn)證在新環(huán)境中的運(yùn)行，需要在Verilog-A模型、數(shù)字模擬之間移動(dòng)，并且在一些交互中還涉及晶體管級(jí)仿真。我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)要求在初始化序列時(shí)特別成問題。”

　　Behzad表示，驗(yàn)證塊之間的耦合是另一個(gè)難點(diǎn)所在。“不可能捕獲一切，例如基材或封裝耦合。問題是，當(dāng)確實(shí)需要將片芯、封裝和電路板一起建模，它將成為一個(gè)龐大的模型，而仿真無法運(yùn)行。因此要做一些簡(jiǎn)化假設(shè)，這為錯(cuò)誤打開了大門。”Behzad警告說：“您不能得到最后一分貝的仿真。因此，開始時(shí)就要努力使電路對(duì)諸如噪聲刺激等事物不太敏感，這些因素難以預(yù)測(cè)或不可能終止。”例如， Behzad 指出基材耦合問題。他嘆道：“基材建模工具的聲明都言過其實(shí)。因此，在添加基材電容時(shí)您要根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，還有放保護(hù)環(huán)和使用 N 井。在無法預(yù)測(cè)的地方，要使設(shè)計(jì)可靠。”所有這些措施會(huì)使RF-IP塊可重用嗎？Behzad說：“在一個(gè)公司內(nèi)部，這是毫無疑問的。但是對(duì)于第三方 IP，我不這么認(rèn)為。”最后，問題又回到Subramanian有關(guān)差異化射頻與商品化射頻的觀點(diǎn)?？雌饋?，有了相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓、極高的截止頻率，以及65nm和45nm工藝數(shù)量龐大的晶體管，應(yīng)該有可能使射頻具有足夠在各種 SoC 設(shè)計(jì)中重用的可配置性。甚至可能使IP在各個(gè)代工工藝中有相對(duì)移植能力，盡管有些設(shè)計(jì)者對(duì)于該方法的切實(shí)可行持悲觀態(tài)度。

　　但是 Subramanian 強(qiáng)調(diào)說，要使射頻立刻擁有針對(duì)重用的充足可配置性，對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用足夠小的面積和足夠低的功耗，并且提供足夠的射頻性能，從而實(shí)現(xiàn)最終 SoC 的差異化，這永遠(yuǎn)都是不可能的。Subramanian 推測(cè)說，“我認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，我們將看到藍(lán)牙、GPS甚至電視調(diào)諧器塊可能變得足夠商品化，成為第三方IP。但是對(duì)于用射頻性能幫助最終產(chǎn)品差異化的應(yīng)用，我認(rèn)為第三方 IP 將永遠(yuǎn)不可能。”