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工業技術與資訊月刊

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312期2017年10月號

2017-10-15 Published

封面故事 Features

為設計做產檢 催生優質晶片 功耗與熱感知電子系統層級平台技術

撰文/賴宛靖 攝影/黃鼎翔

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?

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,競爭力更上層樓。
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,競爭力更上層樓。

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。

透過「功耗與熱感知電子系統層級平台技術」,晶片模型的開發時程大幅縮短,其精確度也獲國際肯定。
透過「功耗與熱感知電子系統層級平台技術」,晶片模型的開發時程大幅縮短,其精確度也獲國際肯定。

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。

  
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