工業技術研究院

物聯網技術興起，智慧終端裝置大量出現，要讓這些具備強大計算能力的設備「動」起來，晶片設計就是其中關鍵。然而該如何在設計階段，就能提早預知所設計之晶片，除了滿足功能符合要求之外，是否真正具備低功耗與高效能？

因應技術演進，晶片開發時的嵌入式系統軟體重要性相形提高，早期晶片設計流程是硬體設計完成後才能開發軟體，從晶片功能、規格設計擬訂計畫，到設計出雛形晶片驗證、過關後送到晶圓廠製作，整個開發時程大約需經過一年半到兩年，複雜度高的晶片甚至需要更長時間。倘若開發的晶片在一年半後，才發現有過熱、耗電等瑕疵，這時晶片已經無法做任何變更，只能重新設計，等於這一年半的投資心血都付諸流水。

提早發現問題　才能避免損失

「早期晶片設計流程中，通常只能在較低階層做驗證，但當晶片功能越來越強大、複雜度越來越高，驗證過程必須再往上拉高到系統層級，」工研院資訊與通訊研究所嵌入式系統與晶片技術組組長吳文慶表示，若能於設計初期就有可供模擬的環境，讓晶片設計者進行架構的探索，找出設計瓶頸與瑕疵，不僅能使晶片效能更好，也能讓晶片設計的成功率提高。

如何避免在漫長的開發過程中，因無法驗證的瑕疵導致損失？這正是工研院團隊研發「功耗與熱感知電子系統層級平台技術」這套軟體的重點。吳文慶表示，「希望幫助晶片設計者預先透過平台驗證、模擬，知道晶片應用於系統中會遭遇什麼問題，」透過此系統層級模擬平台，晶片模型的開發時程由原本的三至六個月以上，縮短到一個月，而模擬的精準與速度，也獲得國際肯定，入圍2017全球百大科技研發獎。

系統層級的晶片驗證不僅對設計者至關緊要，對終端產品的影響也不可忽視。工研院資通所設計自動化技術組設計流程開發部經理鄭良加舉例，蘋果iPhone手機曾發生「晶片門事件」，蘋果同時採用三星與台積電的晶片，但因其中一家的散熱及續航力較優，引起消費者對手機晶片品質的關注。工研院的功耗與熱感知電子系統層級平台技術，就是將晶片驗證延伸到「探索製程」的功能上，預先分析所設計之晶片採用何種製程較佳，及早為設計者做出正確引導。

系統層級平台　產出前就能驗證

工研院資通所嵌入式系統與晶片技術組副組長盧俊銘表示，一支手機如果將來的使用情境是聽音樂、玩遊戲、播放影片、上網或拍照等，手機晶片在開發過程中便應該針對這些使用情境進行檢驗與把關，確保晶片在功能、性能、耗能等方面能夠滿足使用需求。要做到這一點，就必須提高晶片設計驗證的層級，才能在合理的時間內，由軟體應用的角度完成晶片驗證，這其中的挑戰是模擬速度與精確度。

盧俊銘指出，「即便是模擬一個簡單的應用情境，例如播放一秒鐘的影片，對設計者來說都是相當大的挑戰，因為晶片模擬的時間單位是奈秒（nanosecond），兩者之間相差了10的9次方（1秒=109奈秒）。這在過去需要耗時數個月的模擬時間，現在使用此平台僅需半天，速度提升了200倍。同時，工研院團隊自主研發的專利技術，還能提升整體精確度至90%以上。」

晶片功耗與熱　透過平台一目了然

盧俊銘說，「耗電與過熱」是近年晶片設計關注的重點，因此研究團隊將功率與熱的模擬放入系統，透過此平台，可了解晶片中不同區塊在各種應用情境下的耗電與散熱情況。舉例來說，如果設計者想知道晶片未來在手機上進行3D繪圖遊戲時會不會過熱，可以運用此平台進行模擬，以瞭解在設定的使用情境下晶片運行時的表面溫度，甚至還能知道晶片熱點（Hotspot）所在的位置與發生的時機，大幅改善了晶片設計與驗證的效率。

「這個技術已經導入產業界，運用在實際的設計案例中，」盧俊銘表示，「要發揮這個技術的效益，需要產業界共同努力，建立生態系，讓晶片從設計到製造都採用相同的標準，」這是團隊未來持續努力的目標。

研調機構IC Insights統計，2016年台灣晶片設計產業市占率18%，排名全球第二，僅次於美國。進入物聯網與人工智慧時代，無論是晶片需求或晶片複雜度都將大幅躍進，面對嶄新契機的開端，晶片設計業的速度與產品品質，是未來的決勝關鍵。工研院的功耗與熱感知電子系統層級平台技術，為台灣晶片設計業增添神兵利器，市場潛力可期。