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Introducing Custom Chips

對越來越智能的設備的需求促使制造商尋找方法為其產品添加新功能和智能。在過去，這通常意味著設計一個使用離散的、現成的元件的電路板。然而，今天，許多公司正在轉向另一種解決方案，這往往是一個更好的選擇：定制芯片，它可以用一個芯片取代典型電路板上的許多離散元件。本章將向你介紹這種解決方案。

例如在過去ISP、DSP、ETH等外設都需要專門的芯片去實現，為了實現一個綜合的硬件方案往往需要多個芯片組合，但是現在很多公司都會選擇將很多自身所需的硬件功能都集成到一個SOC上。

Understanding What a Custom SoC or ASIC Is

當我們談論定制芯片時，我們實際上是指定制的片上系統（SoC）。另一個經常使用的術語是特定應用集成電路（ASIC）。如果你想說得細一點，ASIC是為特定的應用而設計的，而不是一個通用的芯片，如微控制器（MCU）。

SoC是一個硅芯片，包含一個或多個處理核心，以及片上存儲器、外圍設備和各種控制器。由于一個SoC包含一個微處理器以及其他必要的組件，定制的SoC大大減少了組件的數量，因此所產生的電路板要小得多。但不要擔心--ASIC和定制SoC這兩個詞經常被互換使用，即使是專家也是如此

一個或多個處理核心可以理解為CPU，片上存儲器可以理解為rom(非易失)或者sram(易失)，外圍設備和各種控制器可以理解為USB控制器，ETH控制器也就是各種IP。

Dispelling Misconceptions

對定制SoC最常見的誤解是，它們一定比簡單地使用分立元件進行設計要貴得多。實際上，由于SoC取代了許多元件，你的材料清單（BOM）通常要小得多。

另一個常見的誤解是，定制的SoC只適用于那些資金非常雄厚的大公司。幸運的是，這也不是真的。事實上，像Arm公司及其合作伙伴這樣的供應商提供的解決方案大大降低了進入門檻，使小規模的公司也有可能考慮定制SoC。

Considering the Benefits

與用一堆分立元件構建的電路板現狀相比，定制SoC可以提供相當多的好處。這些好處包括。

• 減少BOM：用單一的SoC取代滿滿一板子的元件，意味著你總體上擁有更少的元件，為你節省了資金。
• 更低的功率消耗： 這也意味著 你的產品可以大大延長其電池壽命。
• 更小的尺寸：單個SoC比其他產品小得多，因此像醫療可穿戴設備這樣的產品可以大大地瘦身。但是，即使是不打算穿戴的產品也可以從擁有SoC的更小的物理尺寸中受益。
• 數據安全：由于許多組件被集成到一個單一的硅設備中，暴露在窺測者眼中的信號較少。這使黑客 竊取敏感數據的機會更少。
• 知識產權安全：一些公司很少或根本不尊重知識產權，并迅速制造流行產品的山寨版。不過，一個使用現成元件填充的電路板的設計很容易被復制。但使用SoC卻使你的產品很難被復制，甚至不可能。
• 更大的功能：通過定制設計，SoC可以提供在設計限制內使用現成的標準組件根本無法實現的特性和功能。
• 供應鏈安全和簡化：有了定制的SoC，你就不必擔心組件達到壽命終點而被供應商停產了。您可以保護自己不必為了保持產品的生產而陷入爭論或惶恐。

Seeing When a Custom Chip Makes Sense（定制芯片的時機）

定制的SoC可能提供很多好處，但它是你產品的正確解決方案嗎？請考慮以下幾點。

• 你的產品是否會從更小的尺寸、更低的功耗和更多的功能中受益？
• 你在每條生產線上一年的電子元件開支是否超過200萬美元？
• 你的產品是否容易被復制？

如果你對這些問題的答案是 "是"，定制芯片可能是你的最佳解決方案。

Understanding the Economics of Custom Chips

起初，從現有的現成組件方案轉向定制SoC的想法可能看起來令人生畏。但是，正如本章所顯示的，有許多理由表明，定制的SoC對你的公司和你的產品有良好的經濟意義。

Considering SoCs versus Off-the-Shelf Components

傳統的電子控制系統通常由附著在印刷電路板上的分立元件組成。這些元件，你可能從經銷商那里得到，可以包括模擬和數字傳感器、邏輯電路、I/O控制器、微處理器、電阻器、電容器等等。這樣的控制板很可能有相當大的尺寸，而且由于有許多元件，有許多潛在的故障點。一個經常被忽視的現成元件的隱患是，最終一些元件可能會被其制造商停產。例如，如果某個用于邏輯或信號處理的芯片達到了使用壽命（EoL），就可能需要使用替代元件重新設計電路板。

一個SoC將各個部件的所有功能整合到一個單一的硅芯片上。這個單一的芯片可以包括模擬和數字信號處理，一個微處理器，嵌入式控制編程電路，無線電電路，以及任何必要的輸出電路。由于元件數量大大減少，定制的SoC消除了大多數潛在的故障點，從而使你的設備更加可靠。

此外，通過減少元件數量和整體電路板尺寸，定制的SoC使你能以更經濟的方式增加額外的功能。這種增強的功能可以幫助你的產品從外觀相似或山寨的競爭產品中脫穎而出。

Looking at the Costs（審視成本）

定制的SoC可以將你的材料清單（BOM）減少多達80%，這取決于應用。即便如此，你必須考慮與定制SoC有關的前期成本。這包括設計SoC的成本和其他非經常性工程費用（NRE）。在這一點上，你可能會問自己，"鑒于成本較高，我怎么能指望賺取利潤？"

重用現有設計不僅高效，而且可以大大降低每個設備的成本。例如，你的工程師沒有必要想出一個全新的微處理器設計來驅動你的新產品。相反，你可以使用像Arm及其合作伙伴這樣的公司提供的值得信賴和經過驗證的設計。這使工程師能夠快速開發產品所需的定制功能，而不必擔心底層處理器的邏輯問題。這意味著你可以有效的授權和使用現有的知識產權（IP），而不是承擔自己建立它的成本。一些知識產權供應商提供方便的訪問和靈活的許可，以幫助你快速、輕松和低風險地開始工作。

重用現有設計主要指arm在soc集成上提供的各種功能包括總線，片上外設(IP)等，另外非ARM提供的IP一般也會有與ARM組合相關的設計經驗。這都可以降低客戶的開發成本和開發時間

案例研究-- 汽車模塊該項目是為一個汽車報警器設計的，用一個基于DSP的單芯片取代和加強一個高BOM的模擬系統，該單芯片是可編程和靈活的。產量將在每年500,000個單位的范圍內。

• 分立的BOM：10.77美元
• SoC BOM：6.41美元
• NRE：145萬美元 (設計費用)

收支平衡：只需八個月的產量

達到收支平衡需要生產145 / (10.77 - 6.41) = 33256個，這需要33256 / 500000 * 12 = 7.98個月

Reducing Your Materials Costs （降低你的材料成本）

維持電路板和眾多分立元件的庫存，將所有這些元件組裝到電路板上，然后測試完成的電路板以確保功能正常，這需要很大的成本。由于有大量的元件，在任何特定類型的元件短缺的情況下，你也會受到市場力量的擺布。通過用單一的SoC取代整個電路板組件，你可以大大減少你的BOM以及與單個組件相關的風險。同時，組裝和測試成本也變成了使用現成組件時的一小部分。

降低材料成本的關鍵因素之一是將你的設計建立在一個成熟的CPU上，如Arm的Cortex-M0、Cortex-M3或Cortex-A5處理器。像這樣的處理器是眾所周知的，使用成本低，而且容易編程以滿足你的需求。如果你是一個嵌入式設計師，你可能已經在使用它們了，因為到目前為止，它們已經在超過350億個芯片中出貨了。事實上，如果你已經在你的產品中加入了這些處理器，你可以在過渡到定制SoC時重新使用你在軟件上的投資。通過選擇一個成熟的IP供應商，你可以獲得整個生態系統的工具、軟件和廣泛的開發者知識，以及培訓、支持和資源。

基于現有CPU設計的定制SoC將該CPU的芯片與其他必要的電路一起納入SoC的電路，以運行你的產品所需的功能。定制的SoC實際上是一個完整的系統，將CPU、內存、I/O電路和其他各種需要的部件集成到一個芯片中。

Protecting Your Investment （保護你的投資）

定制的SoC可以幫助你保護你的知識產權，使別人很難對你的產品進行反向工程。與使用現成元件的設計不同，任何人都可以看到哪些元件在使用以及它們是如何連接的，而定制的SoC不提供任何關于電路功能的視覺線索。事實上，對一個SoC進行逆向工程是非常困難的

無良公司總是在尋找可供復制的新產品。如果你的產品很容易進行逆向工程，這些山寨產品就會很快被生產出來。防止或至少大大推遲這種不公平的逆向工程，可以使你的產品有機會在市場上立足，從而使你能夠收回開發成本并獲得利潤。

在生產和營銷任何產品的過程中，總是涉及風險。你需要控制這些風險以保障你公司的未來。不幸的是，與你打交道的每一個外部供應商都代表著一種潛在的風險，因為他們可能會倒閉或停止生產你的產品所需的一個重要部件。通常情況下，這種事件會在沒有警告的情況下發生，讓你爭分奪秒地試圖找到另一個供應商或組件，以保持你的生產線運轉。

定制的SoC可以幫助你減少這種風險，因為你不依賴于可能變得不可用的個別組件，也不依賴于可能突然消失的供應商。你擁有你的定制SoC的設計和生產控制權，所以你可以始終確保在你需要的時候擁有芯片。如果你在一個產品生命周期較長的市場中經營，如鐵路運輸、航空航天、軍事等，這種控制重要部件壽命的能力可能特別重要。

案例研究 - 一次性醫療監測設備該項目需要滿足一個 "一次性"的價格點。如果采用分立的解決方案，就不可能滿足功耗和功能要求。該設備以無線方式連續監測心率、呼吸率和溫度超過五天。

分立器件BOM：8.17美元SoC BOM：2.42美元NRE：232萬美元收支平衡：只需100萬臺

Understanding the Steps Required（了解所需的步驟）

在了解了什么是定制SoC和考慮了定制芯片可以幫助你的公司的一些方式之后，現在是時候看看要做什么了。本章將對這一過程進行分析。

Planning Your Product

在你開始設計一個定制的SoC之前，你需要花時間為你的新產品進行規劃。規劃階段是至關重要的，因為你需要知道你想讓它做什么，以及是否有任何特殊要求。

規劃階段的結果必須是明確的和團隊一直同意的產品規格。項目經常被利益相關者遲來的規格變化所造成的成本超支所困擾。你需要讓團隊有機會提供他們的意見，但你也需要給他們一個新功能的絕對期限。

Looking at the Design Flow

一旦你定義了產品的規格，你就可以創建你的清單，說明SoC到底應該做什么。這個功能清單將指導你完成設計過程。下面是對所涉及的步驟的簡要介紹。

SoC definition

開始定義你的SoC中需要的組件。例如，如果你需要無線連接，連接的類型（如藍牙、NB-IoT或Wi-Fi）將是定義的一部分。還要考慮你需要什么操作系統。Cortex-M0這樣的微控制器可以運行RTOS；如果你需要運行Linux，那么你需要考慮更有能力的處理器，如Cortex-A5。定義的進一步部分可能包括采樣模擬或數字信號所需的傳感器類型，控制機器功能的I/O端口，等等。

除了創建硬件定義外，你還需要定義在SoC上運行的軟件的功能，以及它將如何響應各種輸入。這方面的一個例子可能是當溫度傳感器檢測到溫度上升時，設備應該做什么。

IP selection

有了你的定義，下一步就是選擇IP。與其試圖從頭開始開發所有的東西，不如使用已經在現有設備中得到驗證的設計，這很有意義。例如，Arm處理器已經在超過1450億臺設備中出貨，并得到了一個由軟件、工具和開發人員組成的巨大生態系統的支持。你的選擇并不局限于處理器IP；一些供應商可以授權你可能需要的額外組件。使用現有的、經過驗證的組件的能力可以簡化你的設計過程，使風險最小化，并使你的產品更快地進入市場。

你不必為經過驗證、值得信賴的知識產權支付巨額費用。像Arm Flexible Access這樣的計劃讓您只需支付較低的預付費用即可使用一系列Arm技術進行設計，然后只需授權您在生產中實際使用的技術。Arm DesignStart甚至提供Cortex-M0和Cortex-M3技術，而前期許可費為零。

Design and integration

處理器和其他系統IP通常以 "軟IP "的形式提供，其中IP的行為是用一種類似于軟件編程的語言來描述。對于數字電路來說，最常見的稱為Verilog。

使用Verilog可以創建更多的IP塊，它也可以用來創建連接IP塊的邏輯，以形成一個系統。然后可以對該系統進行模擬，以檢查一切都按預期執行。

基于計算機的電子設計自動化工具（EDA工具）在整個過程中被使用--從編寫和調試Verilog到接下來的仿真、驗證和實施階段。如果沒有這些工具提供的自動化環境，就不可能創造出我們今天享有的復雜設備。

Verification(驗證)

完成設計后，是時候在模擬器上運行它了。檢查所設計的東西是否符合規范的階段被稱為驗證。驗證是通過在模擬工具中模擬已完成的設計來進行的。

仿真器使你能夠通過應用虛擬信號來檢查你設計的數字和模擬部分的行為。在你投入硅片之前，充分驗證你的設計是很重要的，因為每一次測試芯片的迭代都會花費時間和金錢。

如果所有的結果都和預期的一樣，那么恭喜你！在大多數情況下，你可能會發現你的設計需要做一些調整，以便SOC按照你想要的方式工作。但是，這就是在投入硅片之前能夠進行模擬的好處。

Implementation(實施)

隨著測試的完成，你可以進入實施階段，在這個階段你將你的設計呈現在硅片上。

有時，公司會選擇使用現場可編程門陣列（FPGA）對定制的SoC進行原型設計，然后再致力于創建用于生產硅芯片的掩碼。FPGA是一種可編程的芯片，可以相對便宜地創建，然后用來確保設計在硅片中的工作是正常的。

一旦公司準備好將設計投入到硅片中，系統設計將被映射到用于制造芯片的制造工藝中，并創建一個布局。晶體管與硅的映射使用另一種形式的IP，稱為物理IP，但不用擔心，因為有公司（如Arm）提供這種技術。

Tape-out(磁帶輸出)

設計階段和制造階段之間的過渡被稱為Tape-out。這個階段的輸出包含所有必要的信息，以便代工廠按照你的設計生產芯片。

Tape-out這個短語可以追溯到互聯網連接緩慢的時代，芯片制造商制造芯片所需的電子信息文件非常大，必須在物理介質上存儲和運輸。這種介質是Tape--因此被稱為Tape-out。

Production and packaging

硅芯片是在一個由純硅制成的大圓片上創建的。各種化學工藝，類似于印刷，被用來在硅上創建電路。電路的位置由一組根據最終芯片布局制作的光學掩模決定。在制造過程中，這些掩模被用來將電路 "打印 "到硅片上。

一塊硅片包含了許多芯片的副本。然后，晶圓被切割以生產單個芯片或 "模具"。你的定制SoC現在已經準備好進行封裝。

根據你的需要，你可能不需要足夠的SoC副本來滿足大型制造廠的最低要求。幸運的是，有一些合并商將來自一個以上客戶的訂單合并起來，以滿足這些最低要求。

然后，每個裸芯片都連接有引線，并進行封裝以保護芯片。

Getting Started

開始使用定制芯片可能看起來是一個令人生畏的前景，所以很高興知道你并不孤單。本章告訴你，你可以向哪里尋求幫助，也有助于了解創建定制SoC的過程，使你的產品在市場上脫穎而出。

Finding Help

讓我們面對現實吧，并不是每個人都能用雙腳跳進像設計定制SoC這樣復雜的事情中去。當然，像Arm Flexible Access和DesignStart這樣的程序旨在使這一過程盡可能地簡單和直接，但如果你以前從未做過這樣的事情，你可能會感到不愿意承擔這一任務。如果你是一個在SoC設計方面沒有什么經驗的初創公司，或者是一個沒有內部設計能力的成熟公司，這并不重要；知道有幫助是件好事。事實上，在大多數情況下，與設計伙伴合作是正確的決定；如果別人能更快、更有效地為你做這件事，為什么要嘗試建立這種專業知識？

例如，Arm已經招募了一些非常有能力的設計服務公司。任何需要設計服務的Arm客戶都可以獲得這些經批準的合作伙伴名單。這些合作伙伴在您的項目期間直接得到Arm公司的支持。

Arm認可的設計合作伙伴名單中的成員都是經過仔細審查的。他們只有在通過嚴格的審核后才會被邀請加入，并定期進行重新審核，以確保專業性、質量和能力。

Deciding on In-House or Design Partner

一旦你決定定制的SoC適合你的項目，你就需要確定是將項目留在內部還是尋求設計伙伴的幫助。在某些情況下，這可能是一個簡單的選擇。

如果你缺乏有能力處理設計過程的員工，或者你根本不想自己做，你的選擇很簡單。你可能想在項目開始時就與一個設計伙伴簽約。

另一方面，如果你有合適的人，但他們缺乏經驗，你可能想找一個設計伙伴，愿意在你的團隊積累經驗和信心時提供一些幫助。這樣一來，你就更有可能完全在內部處理未來的項目。

供應商也可能有一些培訓資源可供你的團隊使用。例如，Arm公司提供私人現場課程以及私人和公共網絡研討會。

Choosing the Right IP

創建定制SoC最方便的事情之一是，你不必自己設計一切。相反，許多部件都可以作為IP提供，你或你的設計伙伴可以授權使用。例如，你的團隊不需要設計自己的處理器，但可以在授權的基礎上將Arm Cortex-M0或Cortex-M3之類的設計納入SoC中。

除了處理器之外，許多其他組件也可以作為IP提供，你可以獲得授權，例如Arm Corstone基礎IP包括預先驗證、可配置和可修改的子系統，將處理器和安全IP與最相關的系統組件預先整合在一起。從本質上講，這些不同的組件只是插入設計中，構成整個功能件。因此，設計你的定制SoC是一個簡單得多的過程，歸根結底是對你想要的SoC的功能進行編程，而不是一個涉及創建或驗證所有你自己的硬件元素的過程。

不是所有的IP都是一樣的。在選擇使用哪種IP之前，你要問清楚許可費用等問題。例如，是否有預付費用，每個單位的費用是多少？該IP在許多設計中是否有成熟的記錄？許可供應商是否能夠提供你可能需要的任何技術支持？該IP對你的項目來說是否足夠靈活？該IP是否已被驗證為可接受的質量標準，它是否能在未來的項目中使用？是否有一個健壯的工具和軟件的生態系統？

Testing Prototypes (原型測試)

幾乎每個人都遇到過設計不良的產品，或者根本沒有非常有效地完成它們所要完成的任務。通常這些類型的問題是在原型階段測試不足的結果，當時仍有可能以經濟方式進行修正。

如果你正在制造一個消費者設備，不要忘記大多數消費者都不是工程師，他們看待世界的方式與工程師不盡相同。工程師可能會欣賞一個復雜的技術設計，而消費者通常不會那么寬容。雖然你確實需要對你的產品進行全面的技術測試，但在你致力于大批量生產之前，讓一些普通人試用你的原型也很重要。

在設計一個定制的SoC時，你需要納入幾個測試階段。首先，設計必須在模擬器中進行徹底的測試。很明顯，你要測試設計的每個功能，以確保它產生預期的結果。此外，重要的是要看看在應用意外輸入時發生了什么。我們很容易假設人們只會按照預期使用產品，但這樣的假設幾乎總是不正確的。

測試惡意的輸入和預期的輸入也很重要，因為黑客會故意使用意外的或不符合規范的輸入，看看他們是否能讓你的產品表現失常，以便攻擊它。

在你的設計被徹底測試之后，下一個階段是制作物理原型。你要對這些原型進行嚴格的測試。記住，在原型中發現并糾正錯誤要比在你的產品進入大規模生產后發現大問題要便宜得多。

Moving into Production

測試完成后，您就可以進入生產階段了。這個過程從將你的定制SoC變成硅開始。根據你的設計實際創建芯片的公司被稱為代工廠或晶圓廠（制造者的簡稱）。代工廠使用設計工具的文件來創建SoC的光學掩模，而這些掩模又被用來制造芯片。

你的設計伙伴將非常熟悉這個過程，往往一年要 "taping out "好幾次芯片。這意味著他們是專家。他們清楚地知道什么是常見的陷阱以及如何檢查它們。

制造商通常有一個最低運行要求，可能遠遠超過你的需求，特別是如果你是一個初創公司或一個剛剛試水的小公司。幸運的是，其他公司充當經紀人，將幾個客戶的訂單合并起來，以滿足最低要求。

對于你的第一個原型，你可以與其他公司分享晶圓和成本 - 這被稱為多項目晶圓。它將成本降低到一小部分，為你管理風險，并使你迅速得到你的第一個設備。

在你的SoC被生產出來之后，它就可以被納入你的產品中了。運氣好的話，你會獲得巨大的成功，參與你公司的每個人都會一夜之間成為億萬富翁。

Ten Things You Need to Know

本書已經為你快速介紹了定制芯片。當然，還有更多你想知道的東西，但我將用這一章來簡要地提醒你一些你應該記住的重要內容。

• 它并不像你想象的那樣昂貴：大多數定制SoC不需要尖端的IP和硅技術。定制的SoC可以使用廣泛可用的成熟技術，而成本卻很低。像Arm這樣的供應商了解初創公司和其他公司需要的靈活性，以便能夠以適度的預算開發產品。
• 它不一定有風險：信不信由你，你不是唯一考慮這條道路的人！現在，它是越來越多的公司所遵循的路線。目前，對于越來越多的公司來說，這是一條行之有效的路線。有一整個生態系統的公司致力于幫助像你這樣的人獲得他們需要的設備，有完善的質量流程、檢查表、審查和專業知識，確保定制芯片設計不比任何其他電子設計項目更有風險。
• 你不必自己做所有的事情：如果你需要幫助，有許多資源可以利用，如在線培訓和支持工程師。而且，如果你需要更多的幫助，Arm公司有一個由認可的設計合作伙伴組成的網絡，他們的專業知識和專業精神都經過了審查。他們可以提供你所需要的支持，從只設計到管理整個生命周期，包括生產和供應。
• 你可以擁有你的未來：創建一個定制的SoC可以幫助你在市場上區分你的產品，也可以為你提供供應鏈的安全性。你不再需要擔心個別部件因壽命終止問題而變得不可用。而且，通過使用定制的SoC，而不是更容易復制的基于組件的標準設計，你將受到保護，防止無良商家用廉價的拷貝搶奪市場。
• 投資于IP可以有很大的意義：使你的產品從人群中脫穎而出，對其成功至關重要。更好的功能、易用性和獨特的功能可以幫助產品獲得關注。一個定制的SoC和其中的IP成為你企業未來的寶貴資產。
• 不同的要求需要不同的解決方案：不同類型的產品需要不同的解決方案來滿足特定需求。例如，一個簡單的物聯網設備可能需要最小的處理能力和極低的功率使用。另一方面，在智能家電中，你可能不會像關心定制的SoC使用多少功率那樣，關心提供客戶在當今設備中期望的必要功能和特性。
• 前期投資產生了未來的紅利：花費精力和時間建立一個定制的解決方案，不僅能生產出更好的產品，還能為你省錢。當你用定制的解決方案進入批量生產時，這些成本節約會迅速放大，使你更容易投資于擴大業務規模以獲得成功。
• 一個好的規范是成功的關鍵：在嘗試設計你的定制SoC之前，請做好規劃。確保你已經考慮了整個團隊的意見。你當然不希望發布的產品中的定制芯片缺少客戶期望的功能，所以要做研究，并創建一個全面的產品規格，一旦進入SoC設計階段，你就會用到。
• 選擇正確的IP是至關重要的：當你能從成熟的IP構件中選擇時，設計一個定制的SoC將成為一個更簡單的過程。不要重新發明輪子--使你的創新與市場上的成熟組件相輔相成。
• 不要忘記你的工具和軟件：你在軟件上的投資可能比在硬件上的投資要大，即使你設計了自己的SoC。能夠重用和構建您所開發的軟件是至關重要的。明智的IP選擇可以讓您在下一個項目中重用自定義SoC中的軟件，即使它使用現成的芯片