《电子技术应用》

军用IP核标准体系关键共性技术分析

2016年电子技术应用第9期
王 东1,2,陈 岚1,2,冯 燕1,2
(1.中国科学院微电子研究所,北京100029;2.三维及纳米集成电路设计自动化技术北京市重点实验室,北京 100029)
摘要: 基于军用IP核标准体系现状,结合现有标准对于军用IP核的适用性,针对军事应用的需求和特点,研究分析了军用IP核的交付项要求、质量评测、测试方法学、可靠性试验和检验等关键共性技术,为制定和完善军用IP核标准体系提供参考建议和技术指导。
中图分类号: TN401
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.006
中文引用格式: 王东,陈岚,冯燕. 军用IP核标准体系关键共性技术分析[J].电子技术应用,2016,42(9):24-28.
英文引用格式: Wang Dong,Chen Lan,Feng Yan. Analysis of key common technologies in military IP core standards system[J].Application of Electronic Technique,2016,42(9):24-28.

Analysis of key common technologies in military IP core standards system

Wang Dong1,2,Chen Lan1,2,Feng Yan1,2
(1.Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 2.Beijing Key Laboratory of Three-Dimensional and Nanometer Integrated Circuit Design Automation Technology, Beijing 100029,China)
Abstract: Based on the present situation of military IP core standards system,considering the applicability of existing standards for military IP core,and according to the requirement and characteristic of military application,the key common technologies of military IP core are studied and analyzed, such as deliveries demanding,quality evaluation,test methodology,reliability test and inspection,which can provide suggestion and technical guidance for establishing and consummating the military IP core standards system.

0 引言

    片上系统(System on Chip,SoC)芯片在性能、功耗以及成本等方面具有优势,成为当今集成电路设计技术及产品创新的主流,可以有效满足军事装备电子系统多功能、小型化的发展需求[1]。知识产权(Intellectual Property,IP)核及其复用技术是SoC设计的基础,使用IP核能够降低SoC产品的设计风险,缩短开发周期。

    标准作为引领和支撑先进技术应用的重要手段,是技术发展水平的集中体现,对技术产业的发展具有十分重要的影响和作用。在军用产品研发过程中,可以将高技术指标、成熟工艺及过程控制等先进技术固化成标准,使标准充分体现军事需求,并指导后续产品的研制生产[2]。针对军事应用的需求和特点,充分利用现有的民用科技成果和成熟技术,结合国内外行业标准对于军用IP核的适用性,总结和分析军用IP核的关键共性技术,构建统一完备、科学合理的军用IP核标准体系,可以为IP核的开发提供技术规范和标准指导,保障IP核的质量与可靠性,形成军用IP核准入机制,促进军用IP核的自主可控和推广应用。

1 IP核标准体系现状

    目前IP核产业发展非常迅速,IP核的来源较为丰富,许多企业、机构在大力开发相关的技术和产品。例如,企业自主研发积累IP核,这些IP核往往是由内部开发的IC芯片改进而成,具备了IP核的基本特征;设计服务公司专门提供不同形式、功能、层次的IP核;EDA工具公司利用技术和工具优势开展IP核业务;Foundry厂商也在推广IP核,这些IP核通常与生产工艺紧密相关。此外,还有专业的IP核交易平台构建了IP核库,为IP核检索、转让提供渠道和途径。不同来源的IP核在文档结构、数据格式以及信息描述的详细程度等方面存在着差异,影响着IP核的转让交易与集成应用,因此IP核的标准化显得尤为重要。

    在IP核的标准化进程中,虚拟插座接口联盟(Virtual Socket Interface Alliance,VSIA)起到了很大的推动作用。VSIA成立于1996年,是最早开展IP核标准制定的国际组织,其成果形式分为规范(Specifications)、标准(Standards)、技术文档(Technical Documents)。VSIA在2008年停止运作,把一些尚在运行的工作移交给其他产业组织。VSIA标准为IP核的开发、集成和复用提供了技术方案,对于IP核的复用设计和交付使用具有指导意义。

    除了VSIA,国际上还有其他一些组织,如SPIRIT、OCP-IP等,也在IP核标准领域做了大量有益的工作。2006年,中国集成电路IP核标准工作组(IP Core Group,IPCG)在参考VSIA相关标准的基础上,编制了11项电子行业标准化指导性技术文件,内容与VSIA基本一致。

    虽然IP核标准化取得了一定进展,但是标准被认可接受的程度有待提升,推广应用还存在诸多问题。例如,VSIA标准对设计方法学的描述较多,制定的标准“过于抽象化,缺乏具体性”,没有一个可以供IP核设计者参考的设计流程[3]。一些具有技术优势和行业影响力的企业采用的IP核开发流程以及配套的交付模式,几乎形成了一种事实标准,行业组织推出的标准很难在这些企业内部推广。

    目前,IP核在军事领域的应用越来越多,但是相关的军用标准非常匮乏,在一定程度上影响了IP核技术在军用方面的应用和推广。行业组织推出的标准主要面向民用领域,虽然对于军用IP核的开发和使用具有一定的参考价值,但是由于军用IP核的特殊应用场景,对可靠性、安全性、环境适应性等方面的要求非常高,所以对这些标准只能合理借鉴而不能简单照搬[4]

    军用IP核标准对于研发自主可控的IP核具有重要意义,构建军用IP核标准体系势在必行。根据军用IP核开发的实际需求和交易机制的特点,建议将军用IP核标准体系分为两大类,一类是以关键技术为核心的基础标准,一类是以具体IP核产品为核心的产品规范[5],如图1所示。

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    目前,已经发布实施的《军用集成电路IP核通用要求》(标准号GJB 7715-2012)是基础标准,规定了军用集成电路IP核的设计、验证、实现、检验、交付等要求,适用于军用集成电路IP核的开发、转让和集成过程。

2 关键共性技术分析

2.1 交付项要求

    IP核的交付项承载了IP核不同层次的描述信息和特征化的属性规定,在表现形式上可分为文档交付项、数据交付项。确定IP核的交付项要求时,应以应用为导向,为IP核用户提供使用IP核的必要信息。

2.1.1 强制类型

    根据IP核交付项的重要程度,其强制类型可分为强制、条件强制、推荐、条件推荐等4类。由于IP核种类繁杂、功能多样、规模各异,制定IP核交付项要求时,应保持交付项内容统一连贯,避免交叉重复,遵循“最小子集”原则,即:对于IP核应具备的充分而必要信息,如果缺失就会影响IP核的正常应用,则要求强制交付;而对于IP核的某些信息,若缺失,不会影响IP核的正常应用,但是若具备,有利于对IP核的了解和使用,则建议推荐交付。

    强制交付项是IP核集成应用的基本要求,也是IP核交付项的核心所在。强制交付项是一个相对固定的集合,比较容易界定,而推荐交付项的范围难以收敛,即使对于同一类IP核,由于可能的应用方向和领域不同,IP核用户期望的推荐交付项内容必定会有所差异,所以很难列出所有的推荐交付项。是否提供推荐交付项,可以认为是IP核开发者的一种自发行为,能够提供多少推荐交付项,则是IP核开发者研发能力的一种体现。推荐交付项是IP核质量评测的加分项,该项内容越丰富,越有助于IP核的集成应用,能有效提升IP核的用户体验效果。

2.1.2 文档交付项

    由于不同种类IP核之间的差异很大,文档交付项应具备的内容千差万别。在IP核标准制定过程中,应重点对文档的强制类型和必要的基本内容进行约束。对于文档的编制方式、撰写风格以及内容的丰富程度,很难精确量化和细化,因此不做具体要求。文档交付项虽然不直接用于IP核的集成应用流程中,但是对于深入理解和顺利应用IP核具有重要的指导意义。结构合理、层次明晰、详细规范的文档交付项是成熟IP核的必要条件,文档交付项的完备程度直接影响到IP核的应用效果。目前国内的技术人员往往“重设计、轻文档”,反复的设计迭代和修改往往容易忽略文档工作的完善。为降低技术风险、统一设计状态、避免无效的资源和时间开销、降低人为因素在项目开发过程中的差异性影响、保障研发各环节的可追溯性,在研发的各个阶段必须提供各种文档输出,并进行统一的管理和归档[6]

    IP核文档交付项一般包括功能手册、验证手册、应用手册、交付项清单以及目录结构文件等,必要时还需要提供测试手册。需要说明的是,设计手册涉及IP核开发的内部细节,考虑到知识产权保护以及IP核交易的实际需求,对IP核设计手册不做交付要求,由交易双方另行约定。

    以硬IP核为例,GJB 7715给出的文档交付项列表如表1所示。

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2.1.3 数据交付项

    数据交付项是IP核特征化的重要载体,其中的应用信息与EDA工具有很大的关联性,数据格式很多是由主流EDA工具厂商定义的,在IP核在开发以及集成过程中,需要借助不同的EDA工具完成各种数据格式的生成与使用。

    对于不同类型的IP核,由于实现方式和应用环境的不同,数据交付项的内容不尽相同,可以根据IP核的开发、应用流程对交付项进行细分归类。例如,在GJB7715中,硬IP核的数据交付项分为功能验证交付项、时序分析交付项、物理设计交付项、物理验证交付项、硅验证交付项、系统应用交付项等。以物理设计交付项为例,其要求如表2所示。

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    数据交付项与文档交付项的区别在于两者的目的和作用不同。文档交付项的目的是说明和指导,从文字形态上对IP核的功能、验证、应用等信息进行详细的描述,用于指导IP核的集成应用。数据交付项的作用是证明与应用,通过一些过程文件或者结果报告,证明IP核的具体实现和实际性能,而逻辑设计或者数据模型可以应用于IP核的集成流程中。

    军用IP核的交付项要求可以参照和借鉴VSIA和中国集成电路IP核标准化工作组发布的标准,在合理引用的基础上进行适当修改,广泛征求IP核研制单位和用户单位的意见,使之形式上符合国家军用标准编写规定,内容上体现军用IP核自主可控的特殊要求。

2.2 质量评测

    军用IP核质量评测对于保证IP核开发质量具有重要意义。GJB 7715规定,IP核开发者在交付IP核之前,应向评测机构提出质量评测申请。为了保证IP核质量评测的客观性、公正性和可靠性,可以借鉴民用领域的研究成果,引入第三方质量评测机制,构建专业独立的第三方质量评测平台。

    国际上影响较大的IP核质量评测方法是VSIA发布的QIP(Quality IP)度量工具。QIP由交互式的电子数据表组成,从IP核集成评估、IP核开发评估、IP核供应商评估3个方面对IP核打分。2007年,QIP移交给IEEE DASC(Design Automation Standards Committee),后来形成IEEE 1734-2011标准。QIP对于IP核质量评测研究具有启发意义,很多相关的研究借鉴了QIP的方法和思路。但是,QIP存在着一些不足,例如问题设置过于抽象,主观评测所占比重较大,实用性不强[7]

    目前国内IP核质量评测研究主要集中在民用领域,在评测方法和流程方面取得了一定进展,但是实际应用还存在着局限。例如,生成的质量评测报告比较粗略,不同IP核之间的质量区分度不明显,难以真正反映IP核质量的特征和差异。评测案例不具有普适性,不能适应规模化、规范化的IP核质量评测需求。

    在IP核质量评测的具体操作流程中,可以采取主客观结合的质量评测方式。主观质量评测根据IP核“是否”具备特征属性或者符合期望要求,结合相应的权重分配,给出评分或等级。客观质量评测一般是在EDA工具环境下验证IP核数据的真实性和有效性,对IP核开发过程中形成的设计数据和支持文件进行确认。为了在实际条件和集成环境下考察IP的质量,可以考虑将硅验证、应用验证等内容纳入客观质量评测的范畴[8]

    对于不同种类、不同形态的IP核,质量评测具体的实现方法和操作流程差异较大,需要不断积累经验和技术,提高质量评测的应用能力和实际效果,对IP核的质量评测结果进行客观定性、准确定量,为IP核用户评估、选用IP核提供参考,同时为IP核开发者提供反馈意见和改进建议,引导IP核开发者有意识实现开发过程中的质量控制与保证。

2.3 测试方法学

    测试是确定或评估电路功能和性能的重要方式,对于验证设计、保证质量、分析失效以及指导应用具有重要意义[9]

    传统的板上系统(System-on-Board)和SoC设计具有很强的功能相似性,但是两者之间的测试方法非常不同。对于板上系统,IC提供者对系统中IC元件的设计、制造和测试负责,而系统集成者一般只需关心IC元件之间的互连。在SoC设计流程中,交付使用的IP核仅仅是一个模型,不可能在此阶段进行制造测试。因此,系统集成者不仅需要负责IP核之间的互连逻辑测试,还要关注IP核自身的独立测试[10]

    IP核独立测试是IP核流片制造后进行的测试,用于表征IP核本身的性能。在GJB 7715编制过程中,征求IP核研制单位和用户单位意见时,对于IP核独立测试与传统IC芯片测试之间的区别和联系讨论较多。基于现有的技术能力和条件,IP核的独立测试一般采用传统IC芯片的测试方法和流程。然而,由于IP核的交付形态、属性特征以及应用方式均有别于IC芯片,IC芯片测试方法在反映和呈现IP核真实性能方面存在着一定的局限。例如,封装测试时的封装引脚、寄生参数以及测试板等,裸片测试过程中测试仪器的去嵌入、校准等,这些因素会影响IP核的测试性能。如何去除这些影响因素,或者对其进行建模分析,拟合测试结果与模型参数,从而得到真实的性能,目前还没有很好的解决方案。另外,IP核的集成环境与测试环境之间的差异也影响测试结果的适用性。

    除了IP核自身的独立测试外,由于IP核嵌入SoC后失去了可观测性和可控制性,IP核测试还需要考虑IP核与用户自定义逻辑或其他IP核的测试连接方法,即IP核/SoC协同测试,以实现测试复用和测试资源共享。IP核/SoC协同测试中,与SoC相关的问题,如测试访问机制、测试调度策略等,由SoC设计者解决。为了支持IP核/SoC协同测试,IEEE 1500是一个可行的技术备选方案,其定义了一种可扩展的通用测试结构,允许IP核的模块化测试开发、测试复用以及外围逻辑测试。IEEE 1500测试外壳(Wrapper)可以配合IEEE 1450.6芯核测试语言(Core Test Language,CTL)使用,为测试隔离、访问和控制等机制提供基础。IEEE 1500现在只适用于数字IP核,暂不支持模拟IP核测试。

    目前国内与IP核测试有关的标准主要是IPCG编制的《集成电路IP核测试数据交换格式和准则规范》(SJ/Z 11352-2006)。SJ/Z 11352包括了IP核测试交付项规范、IP的隔离和DFT指导原则等内容,侧重于IP核测试方法学描述,不能直接满足IP核测试的实际需求。SJ/Z 11352面向的是民用领域IP核,缺乏对测试环境、测试约束的详细规定,难以适应军用领域对于测试安全性、可靠性等方面的要求[4]

    在军用领域中,现在还没有专门针对IP核测试的标准或者规范,只是在军用IP核基础标准中对IP核的测试方案、测试环境等提出了总体要求,IP核测试信息主要体现在硅验证交付项中。例如,GJB 7715要求硬IP核必须进行硅验证,强制交付测试手册、测试报告等;推荐对软IP核进行硅验证,测试结果可以作为软IP核应用成熟度、质量评测的参考信息和证明材料。此外,军用IP核宜支持可测试性设计(如扫描测试、内建自测试等),保证IP核集成后的可测试性,建议考虑IP核与SoC之间的协同测试性。

    军用IP核基础标准没有明确规定IP核测试的具体方法和流程,需要制定IP核测试的详细规范,明确不同种类、功能IP核的测试方法,用于指导IP核测试。

2.4 可靠性试验和检验

    可靠性试验和检验是为了确保提交的产品符合规范要求。在目前的国军标体系中,与集成电路可靠性试验和检验有关的主要标准见表3。

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    军用集成电路与民用产品的重要区别在于,军用集成电路按照GJB 597A规定进行质量等级划分,并根据相应的质量等级要求进行可靠性试验和检验。质量等级是军用集成电路质量特性的量化指标,也是军用集成电路在生产、试验及检验过程中执行不同质量控制要求的体现和重要依据。GJB 597A规定的有关试验和检验主要包括筛选、鉴定和质量一致性检验。通过100%筛选尽可能地剔除早期失效芯片,筛选合格后的产品需要按照质量等级要求抽样进行鉴定和质量一致性检验[11]

    GJB 597A、GJB 548B主要针对微电子器件和小规模集成电路,GJB 2438A面向混合集成电路、多芯片组件,这些标准的适用范围难以涵盖日新月异的技术发展要求。IP核在规模、种类以及功能等方面已经与传统微电子器件、IC芯片产生了很大差异,军用IP核的可靠性技术面临着挑战:电性能的不可测性、环境与机械试验的不可模拟性、传统试验方法的不适应性等[12]

    IP核进行可靠性试验和检验时,需要流片制造得到实物样本。所有用于检验的样本在适当封装后,应进行封装检查,剔除由于封装引起的失效样本。所有IP核样本都应进行筛选,通过计算相应的允许不合格品率(PDA),判断检验批的质量水平,决定接收与拒收。IP核样本完成规定的筛选要求之后,应从组合好的检验批或检验子批中随机抽取样本进行后续的鉴定和质量一致性检验。

    IP核鉴定是对样品进行的一系列完整的检验,根据不同需要对样品质量进行全面考核,目的在于确定IP核是否符合规范要求。质量一致性检验是以逐批检查为基础,对IP核主要质量指标进行考核,用于确定IP核在生产制造中能否保证质量持续稳定[13]。GJB 548B规定了鉴定和质量一致性检验程序,以保证器件和批的质量符合有关订购文件的要求。A、B、C、D和E组试验和检验的全部要求,用于器件的初始鉴定、产品和工艺发生变化时的重新鉴定以及保持合格资格的周期试验。在GJB 548B基础上,可根据实际情况适当选择使用各组试验,保留与IP核设计相关的试验(如电测试、稳态寿命),删去环境试验和机械试验中不适用的内容。需要注意的是,在军用IP核基础标准和产品规范中,规定的试验是必要但不充分的,不排除应用于特殊环境下的IP核所要求的或为使检验结果更好而进行的附加检验。

    目前国内军用IP核还没有专门的可靠性试验和检验标准,可以参考借鉴国军标体系要求,结合IP核产品的小批量和需求不连续等特点,提取适用于IP核的方法和程序,制定相应的详细规范,完善军用IP核标准体系。

3 结论

    针对军用IP核标准体系现状,本文分析了军用IP核标准面临的问题以及构建军用IP核标准体系的必要性,根据军用IP核的开发过程和应用需求,从交付项要求、质量评测、测试方法学、可靠性试验和检验等方面研究和探讨了军用IP核的关键共性技术与标准规范,为制定和完善IP核标准体系提供参考建议和技术指导,从而为我国军用IP核产业的发展提供标准支撑。

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