Кіріспе

Үлкен интегралды схемалардың жобаларында модульдер ретінде лицензияланған компоненттер

Электрондық жобалауда жартылай өткізгіштік интеллектуалдық меншік ядросы (SIP ядросы), IP ядросы немесе IP блогы – бір тараптың интеллектуалдық меншігі болып табылатын логикалық схема, жасуша немесе интегралды схеманың қайта пайдаланылатын бөлігі. IP ядроларын басқа тарапқа лицензиялауға болады немесе бір тарап оны меншігінде сақтап, пайдалана алады. Бұл термин жобадағы патенттік құқықтар немесе бастапқы кодтың авторлық құқығын лицензиялаудан туындаған. Чиптегі жүйе (SoC), арнайы қолданбаға арналған интегралды схемалар (ASIC) және өрісте бағдарламаланатын қақпалар массиві (FPGA) логикасы жүйелерін жобалаушылар IP ядроларын құрылыс блоктары ретінде қолдана алады.

Тарих

IP ядроларын лицензиялау және пайдалану чиптерді жобалауда 1990 жылдары кеңінен қолданылатын практикаға айналды. Нарықта көптеген лицензия берушілер мен құю фабрикалары бәсекелестік етті. 2013 жылы ең көп лицензияланған IP ядролары Arm Holdings (43,2% нарық үлесі), Synopsys Inc. (13,9% нарық үлесі), Imagination Technologies (9% нарық үлесі) және Cadence Design Systems (5,1% нарық үлесі) компанияларынан болды.

IP өзектердің түрлері

Чіпті жобалауда IP өзегін пайдалану, компьютерлік бағдарламалауда кітапхананы немесе баспалы тізбектерді жобалауда дискретті интегралдық схема компонентін пайдаланумен салыстыруға болады. Олардың әрқайсысы – жобалық логиканың қайта қолданылатын компоненті, жасаушысы растаған және үлкен жобаға енгізілетін нақты интерфейсі мен мінез-құлқы бар.

Жұмсақ өзектер

IP өзектері көбінесе Verilog немесе VHDL сияқты аппараттық сипаттама тілінде синтезделетін RTL түрінде ұсынылады. Бұл компьютерлік бағдарламалау саласында C сияқты төменгі деңгейдегі тілдерге ұқсас. Чип дизайнерлеріне RTL түрінде жеткізілген IP өзектері, чип дизайнерлеріне функционалдық деңгейде дизайнды өзгертуге мүмкіндік береді, алайда көптеген IP жеткізушілер өзгертілген дизайнға кепілдік немесе қолдау көрсетпейді. IP өзектері кейде жалпы қақпа деңгейіндегі желілік тізімдер түрінде де ұсынылады. Желілік тізім – IP-нің логикалық функциясының Буль алгебрасымен бейнеленген түрі, ол жалпы қақпалар немесе процеске тән стандартты элементтер арқылы іске асырылады. Жалпы қақпалар түрінде іске асырылған IP өзектерін кез келген технологиялық процесте құрастыруға болады. Қақпа деңгейіндегі желілік тізім компьютерлік бағдарламалау саласындағы ассамблерлік код тізіміне ұқсас. Желілік тізім IP өзектерінің жеткізушісіне кері инжинирингке қарсы тиімді қорғаныс береді. Сондай-ақ қараңыз: интегралды схемалардың компоновкасын қорғау. Желілік тізімдер мен синтезделетін өзектердің екеуі де «жұмсақ өзектер» деп аталады, себебі олардың екеуі де синтез, орналастыру және маршрутизация (SPR) жобалау процесін жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Қатты өзектер

Қатты ядролар (немесе қатты макролар) – чип дизайнерлері функцияларын едәуір өзгерте алмайтын аналогтық немесе цифрлық IP ядролар. Олар, әдетте, нақты бір өндіріс технологиясына тән, төменгі деңгейдегі физикалық сипаттама ретінде анықталады. Қатты ядролар олардың нақты технологиясы үшін чиптің жұмыс уақытын болжау мен алатын көлемді анықтау мүмкіндігін жақсартады. Аналогтық және аралас сигналдық логика көбінесе қатты ядролар түрінде таратылады. Сондықтан, аналогты IP (SerDes, PLL, DAC, ADC, PHY және т.б.) чип өндірушілерге транзисторлық схема (мысалы, GDSII) форматында ұсынылады. Цифрлық IP ядролары кейде схема форматында да ұсынылуы мүмкін. Төменгі деңгейдегі транзисторлық схемалар мақсатты құю зауытының өндіріс ережелеріне сәйкес болуы керек. Сондықтан, бір құю зауытының өндірісі үшін жасалған қатты ядроларды басқа өндіріске немесе құю зауытына оңай көшіруге болмайды. Кәсіби құю операторлары (IBM, Fujitsu, Samsung, TI және т.б.) өздерінің өндіріс процестері үшін құрылған әртүрлі қатты макро IP функцияларын ұсынады, бұл клиенттердің өнімділігін сақтап қалуға көмектеседі.

Лицензиялық функционалдық

Көптеген танымал IP өзектері жұмсақ микропроцессорлар болып табылады. Олардың нұсқаулар жиынтығы 8051 және PIC сияқты кішкентай 8 биттік процессорлардан бастап, ARM немесе RISC V архитектуралары сияқты 32 және 64 биттік процессорларға дейін өзгереді. Мұндай процессорлар көптеген кіріктірілген жүйелердің "миын" құрайды. Олар көбінесе RISC нұсқаулар жиынтығын қолданады, x86 сияқты CISC нұсқаулар жиынтығын емес, себебі оларға аз логикалық схемалар қажет. Сондықтан, дизайн кішкентай болады. Бұған қоса, x86 саласындағы лидерлер Intel және AMD өз процессорлық дизайндарының зияткерлік меншігін қатты қорғайды және осы бизнес-модельді x86 64 микропроцессорларының өнімдерінде қолданбайды. IP өзектері PCI Express, SDRAM, Ethernet, LCD дисплейі, AC'97 аудио және USB сияқты әртүрлі перифериялық контроллерлер үшін де лицензияланады. Осы интерфейстердің көптеген түрлеріне чиптен тыс жоғары жылдамдықты, жоғары кернеулі немесе жоғары кедергілі сигналдарды басқару және қабылдау үшін цифрлық логикалық және аналогтық IP өзектері қажет. Жұмсақ микропроцессорларға (жоғарыда сипатталғандай, бағдарламаланатын) қарағанда, "қатты сымдалған" цифрлық логикалық IP өзектері MP3 аудио декодерлеу, 3D GPU, цифрлық бейне кодилеу/декодилеу және FFT, DCT немесе Viterbi кодилеу сияқты басқа DSP функциялары үшін лицензияланады.

Сатушылар

IP негізгі әзірлеушілер мен лицензиарлардың мөлшері жеке тұлғалардан миллиардтаған долларлық корпорацияларға дейін жетеді. Әзірлеушілер, сондай-ақ олардың чип жасаушы клиенттері бүкіл әлемде орналасқан. Силикондық зияткерлік меншік (SIP, Silicon IP) – жартылай өткізгіш компаниясының технологиясын клиентке зияткерлік меншік ретінде лицензиялау арқасында жұмыс істейтін бизнес-моделі. Мұндай бизнес-модельді компания – физикалық чиптерді клиенттеріне ұсынбайтын, бірақ клиенттің чиптерді әзірлеуіне белгілі бір функционалдық блоктарды ұсыну арқылы көмектесетін fabless жартылай өткізгіш компаниясы болып табылады. Әдетте, клиенттер жартылай өткізгіш компаниялар немесе өздері жартылай өткізгіштерді әзірлейтін модульдерді жасаушылар болып табылады. Күрделі құрылғы жасағысы келетін компания, өзіндік жобаны әзірлеудің орнына, басқа компанияның микропроцессор сияқты жақсы сынақтан өткен функционалдық блоктарын пайдалану құқығын лицензиялай алады, бұл қосымша уақыт пен шығындарды қажет етеді. Силикондық ИС индустриясы көп жылдар бойы тұрақты өсімді көрсетуде. Ең табысты Силикондық ИС компаниялары, көбінесе Star IP деп аталады, олардың қатарында ARM Holdings және Synopsys компаниялары бар. Gartner Group компаниясы 2005 жылы силицийге байланысты зияткерлік меншікпен байланысты сатудың жалпы көлемін 1,5 миллиард АҚШ доллары деп бағалады, ал жылдық өсімнің шамамен 30% болатыны күтілуде.

IP-қатаю

IP-ні нығайту – бұл расталған эскиздерді қайта пайдалану және өндірістегі тәуекелді азайтып, нарыққа жылдам шығу үшін жобалау ядроларының интеллектуалдық меншігін (IP) (немесе кремнийлік интеллектуалдық меншігін) жасау процесі. Мысалы, цифрлық сигналды өңдегіш (DSP) RTL форматындағы жұмсақ ядролардан жасалады және оны әртүрлі технологияларға немесе әртүрлі өндірушілерге бағыттап, әртүрлі нұсқаларды алуға болады. IP-ні нығайту процесі – жұмсақ ядродан қайта пайдалануға болатын қатты (аппараттық) ядроларды жасау. Мұндай қатты IP-нің басты артықшылығы – IP алдын ала іске асырылғандықтан, оның болжамды сипаттамалары, сонымен қатар жұмсақ ядролардың икемділігін ұсынады. Ол тексеру үшін модельдер жиынтығымен бірге келуі мүмкін. Жұмсақ IP-ні нығайту үшін мақсатты технологияның сапасы, жобалау мақсаттары мен әдістемесін пайдалану қажет. Қатты IP мақсатты технологияда және қолданыста өзін дәлелдеген. Мысалы, GDS II форматындағы қатты ядро DRC (эскизтік ережелерді тексеру) және LVS (Схемаға қарағанда макет) талаптарына сай келеді, яғни ол белгілі бір өндірушінің өндіріс талаптарының барлық ережелерін орындай алады.

Ашық және тегін

2000 жылдан бері OpenCores.org VHDL және Verilog тілдерінде жазылған көптеген жұмсақ ядроларды ұсынып келеді. Бұл ядролардың бәрі GNU General Public License немесе BSD сияқты ашық лицензиялармен қамтамасыз етілген. 2010 жылдан бастап RISC V сияқты жобалар қолжетімді IP ядроларының санын күрт арттырды (2019 жылға қарай шамамен 50-ге жетті). Бұл қауіпсіз және тиімді дизайнды әзірлеудегі ынтымақтастықты күшейтуге ықпал етті.