系统工程中IP核的设计方法

梁龙龙 李钊 郎少波

（中国电子科技集团公司第二十九研究所 四川省成都市 610036）

1 引言

“数字设计仿真验证能力”为电子系统设计的核心能力之一。为实现这一核心能力，在电子系统产品中基于数字样机的协同设计，以验证基于协同设计平台的协同设计能力，并积累形成基于模型与IP库的预测式设计方法，实现电子系统的快速开发。

传统的IP核[1]（知识产权核，Intellectual Property core）是指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块[2]。IP的字面意思就是知识产权，指一种事先定义的，经验证可以重复使用的，能完成某些功能的模块，IP核是一种知识模型[3]，它的一系列抽象特征，使得IP核并不涉及到实际的工艺及其制造过程。采用IP核复用技术时，设计人员不需要用基本逻辑单元将系统所需的所有功能一一实现，只需要选用具有相应功能的IP核，将它们按照体系结构的要求组合起来即可，从而大大减少了设计的时间、难度和出错率。

2 集成电路IP核

集成电路中IP核分为行为、结构和物理三级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同分为三类，即软核、固核、硬核。软核就是指RTL代码；固核就是指网表；硬核就是指经过工艺验证的设计版图。

而在本文电子产品领域，借鉴集成电路IP中软核、固核、硬核分类，以及系统工程中系统级、模块级、芯片级的概念，提出本文电子产品的IP划分方法及内涵如图1所示。

国外已形成了科学、完整的IP设计、验证、质量评估和复用技术标准。欧美各国普遍将IP作为COTS（商用货架产品）进行采购，2003年美欧各国年就启动了SoCCer（SoCfrom Civilian to Armament Re-use)工程，致力于建立和维护军用IP交易网络平台。DARPA可信使用项目办公室通过可信管理规范，将多数IP纳入了可信COTS（商用货架产品）进行采购。外军往往在开始研制一种新型武器时就可以基于IP库选择所需集成电路模块，将其纳入型号研制的重点规划之中，并对核心芯片及专用芯片的研制过程施行严格质量管控。

本文定义的平台共用模块与IP中的硬核相对应，数字化样机模型与IP中的软核、固核相对应，但是IP涵盖的内容并不仅限于此，因此采用IP概念，更全面和具有普适性。

微系统集成IP区别于业界传统IP核概念，是在特定的集成架构和工艺边界下定义，主要适用于SiP封装及平板微系统集成形态。微系统集成IP共包括三大类：器件级集成IP，工艺级集成IP，SiP单元级集成IP。

3 设计方案

3.1 设计思路及准则

本文从微系统仿真需求出发，对整个仿真系统的架构进行了较为详细的论述，分析了微系统集成IP建模仿真在其中的位置及所起的作用，明确了其意义所在。

微系统集成IP聚焦于物理集成上，拟构建面向制造的元模型。所谓元模型（Meta-Model），就是指模型的模型。指模型的二次模型，或低阶简化模型，它可看作是仿真数据或测试数据的数学模型，可采用一定的拟合算法对原始模型的输入参数—输出结果系列进行拟合而得。由于元模型是自定义模型，通常情况下无法集成于现有主流EDA软件仿真引擎中，模型的仿真是一个不可回避的问题。因此，在完整的建模仿真系统背景下，本文详细叙述了元模型的建模和仿真过程；同时，针对较为简单的集成工艺IP元模型，较为详细地说明了集成于商用EDA软件ADS中的方法和步骤。

为了降低技术风险，尽量采用一些工业界较为成熟的算法和标准，例如采用包络仿真法进行系统链路仿真，采用FMI（Functional Mock-up Interface）标准作为模型数据接口。

3.2 建模方案设计

3.2.1 建模流程

通过建模工作所建立的仿真模型反映了系统模型（简化模型）同仿真器或计算机之间的关系，它能被仿真器或者计算机所接受，并能进行运行。例如，计算机仿真模型，就是对系统的数学模型进行一定的算法处理，使其在变成合适的形式之后，能在计算机上进行数字仿真的“可计算模型”。显然，由于算法引起了误差，所以所建立的仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化模型。

其建模过程分为以下几个步骤：

（1）确定建模对象。通常认为，如果把现实世界中的某些事物叫做一个现实原型，那么模型就是对这种现实原型的一种抽象或模拟。这种抽象或模拟不是简单的“复制”，而是强调原型的本质，摒弃原型中的次要因素。因此，模型既反映原型，又不等于原型，或者说它是原型的一种近似。

（2）表征输入激励。系统建模往往与输入激励密切相关，不同的激励，其响应特性往往不一样，并且输入激励的各个组成要素还可能相互影响。因此，我们需要对输入激励仔细分析各个组成要素，采用数学工具进行抽象建模。在本方案中，输入激励特指与携带信息相关的信号流，包括有用信号、干扰信号、噪声等。

（3）确定特征参量。特征参量是指表征在特定输入激励下，影响系统响应的参数信息，如物理结构参量（器件结构、几何尺寸、材料等）、环境参量（如温度、振动强度、电源等）、电特性参量（频率、控制信号等）。通常系统响应是系统特征参量的非线性函数，随着特征参量选取维度增加，其复杂度呈指数级上升。因此，我们需要在仿真的全面性和模型复杂度之间进行仔细权衡，选取影响系统行为的关键特征参量。可以通过DOE实验模拟确定关键特征参量。

（4）分析系统传递关系。用图表、符号、方程、函数等数学形式来描述系统激励、响应与特征参量之间的关系。定义系统传递关系为T，其是系统内部各部分传递关系的集合，可表示为：

系统内部各部分传递关系又与特征参量P直接相关，表示为：

可得，

（5）获取样本数据。从实测或近似样件特性仿真获取与特征参量、输入激励相关的系统传递关系的离散数据样本。建模所需样本数量受模型的非线性程度影响，同时容差范围越窄，所需的阶数也越低，各维度样本点数也越少。这是因为，在给定容差范围[a,b]内，各维度参数需要的最少样本点数M与模型的输入输出非线性阶数N相关，如，模型为1阶线性模型（直线），则各维度参数最少需要2个样本点，含边界点[a,b]；2阶非线性模型（抛物线），则各维度参数最少需要3个样本点，含边界点[a,b]；依次类推，各维最少的样本点数M等于模型的阶数N+1。

（6）建立特征参量与系统传递函数关系。一旦获得了样本数据，就需要考虑用怎样的模型表达方式才能展现仿真中的最好特性。模型生成的过程是，首先找到一种既准确又经济的表达数据的方法，然后再确定能仿真系统特性的数学表达式。模型生成或表示离散样本数据的一个明显方法是直接运用数据本身。这种理论上可行的方法却很不现实。原因在于样本数据集太大，同时，如果在样本数据集之内，如果仿真所需的数据点不存在的话，就需要进行多维的数据内插，这会导致仿真效率低下。因此，对样本数据的直接运用并不能产生实际有用的模型。一种更有效的方法是采用多变量非线性函数逼近和数据拟合，实现实现输入变量（特征参量）与输出变量（数据）之间通用的，参数化的非线性函数关系。

（7）建模仿真计算机程序。计算机仿真模型，就是对系统的数学模型进行一定的算法处理，使其在变成合适的形式之后，能在计算机上进行数字仿真的“可计算模型”。显然，由于算法引起了误差，所以所建立的仿真模型对实际系统来讲是一种二次简化模型。

（8）模型应用。模型应用是把模型应用于仿真环境中运转，实现对建模对象的替代。模型的应用一般有两种方式：一种是利用现有的EDA仿真工具的环境环境，把建立的模型按照EDA工具的建模规范建立，或者进行适当的转化，从而集成于现有工具中；另一种是开发新的仿真引擎，实现对模型的解析。

3.2.2 建模对象

根据系统所需的规划分析，本文建模的SiP封装及平板微系统集成形态微系统产品主要由器件级、集成工艺级和SiP单元级IP构成，如图2所示。

图2：微系统集成IP组成及相互关系

3.2.2.1 器件级IP

器件级IP主要针对具有特定功能，可以集成的共性射频IC电路（包括多功能和系统芯片，以裸片或封装形式提供）和板级集成无源元件（IPD），器件级IP种类繁多、结构千变万化、工作状态、工作原理各不相同。从建模的角度，器件IP可以分为线性/非线性器件和单状态/多状态器件两大类。

3.2.2.2 集成工艺级IP

集成工艺级IP主要针对一定工艺能力边界的多功能主板、微波印制电路板、LTCC电路板和薄膜陶瓷电路板级和射频封装互连电路，根据互联层次和功能可细分为转接IP和接口IP两大类。

3.2.2.3 SiP单元级IP

SiP单元级IP涵盖对象特指根据一定功能需求由器件级IP与工艺级IP级组合形成，以SiP集成形态存在的单元，面向新一代电子系统发展的需求，成体系开展可复用微系统集成IP开发，建设精确可信与谱系化的IP库，实现知识积累，为数字化样机协同设计平台提供基础模型和数据支撑。微系统集成IP主要聚焦于物理集成上，以微波部分作为切入点。

4 结论

本文聚焦于定义的器件级、工艺级和SiP单元级IP范围和要求，提出构建IP固核所需的通用建模技术，并给出解决方案，为后续的仿真设计提供了有力的保障。