最近，英國Ascot的Agere系統公司 ASIC設計中心從一個重要客戶處收到一份富有挑戰性的簡報：將8個 ARM966E-S r1p0 處理器子系統集成到單芯片上。
盡管這項任務很復雜，但是僅花了11個月就完成了4M-gate 5Mbit 的設計。目前，芯片已投入生產，并作為首次推出的基礎設施的一部分，于2002年在歐洲首次使用。整個芯片是第三方和Agere設計經驗的合作成果，Agere負責提供ARM子系統設計經驗和芯片集成知識，而第三方提供特定用途知識產權。
本文不僅概括了小組在開發設計過程中遇到的挑戰，還提供了對所采用的解決方案的深刻見解。使用的技術有Agere的0.16um 6LM (金屬層) 1.5V/3.3V處理，且連線到456 PBGAM數據包，以及Agere的內部EDA工具集、用于合成的Synopsys的設計編譯器、用于靜態時序分析的Primetime、用于測試插入和矢量生成的DC-XP/Tetramax和用于功耗分析的Primepower。小組使用了Avanti Apollo/Saturn 的布局規劃和時鐘樹綜合(CTS)技術、Mentor Graphics的Modelsim RTL 仿真技術和Cadence的NCVerilog 功能門仿真技術。 Celerity是用于Spice仿真的解決方案，而AssuraSI是用于信號集成分析的解決方案。
ARM966E-S子系統
本設計是分等級的，它將ARM966E-S子系統排在最低級別。子系統的結構如圖所示。
每個ARM966E-S子系統在每段設計里可使用2次，并同時添加第三方IP。而該段在設計中被復制4次。在層次的上一級也包括了第三方IP，最后，包括Agere所有的IO和測試結構。該結構在圖2中有說明。使用該設計結構，Agere提出了SoC設計，即當設備中的最低核心電壓是1.32V，接合溫度達到125 攝氏度，且使用最慢處理特性時，這種設計最少能容納1280 MIPS，是基于每個ARM966E-S核心160 MIPS的一種測量方法。在這些條件下，限制MIP數目的因素不是ARM966E-S核心（在這種技術下能達到200MIPs），而是指令/數據緊密耦合內存 (TCM)的大小和形狀，以及AMBA 高速總線 (AHB)的物理長度。在Agere的最新技術(0.13um)里，已獲得不止兩倍的性能，同時使用AMBA 3.0 AXI協議，克服了AHB的局限性。
多核設備結構" border="0" height="369" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100812/d0f94d6e-d584-4e0b-a329-cd20203d133d.jpg" width="520" />
子系統設計工藝基礎是Agere的 "AHB Supercore macrocell"。 Agere利用子系統的開發經驗，使Supercore滿足了SoC設計的要求。這就要求更改TCM配置，包括將部分數據TCM內存映射變為雙口RAM。而且，增加了一個雙向的外部存儲接口(EMI) 和一個定制的矢量中斷控制器(VIC)。
測試設計功能性
一旦完成ARM966E-S子系統的RTL設計，Agere的工程師就創建了一套系統測試，以證明設計的功能性。除了可以測試ARM提供的矢量外，還可以測試合成的ARM966E-S核心的有效性。用于測試子系統的測試基準使用了Synopsys LMC (邏輯模型化公司)軟內存模式仿真TCM。
該測試組件還用于檢驗各個步驟的分塊合成和構造。一旦子系統設計人員確定了整個設計的合成，就會在融合到整個SoC設計前，將單獨的驗證結果傳給SoC設計人員。為了遵守ARM許可協議，無需ARM966E-S門級連線表，而是與ARM966E-S DSM系統仿真的DSM（設計仿真模式）一并傳給第三方。
這是一個復雜的SoC設計，不僅需要測試性能，還需要相關的調試。將BIST、SCAN和邊界掃描結構包含在內，才有可能對整個設計的高故障覆蓋生產進行測試。如果需要調試，除了需要一個結構外，還需添加支持ICE在線仿真的ETM9 （內置的蹤跡模塊）。
尤其是掃描技術，它不同于以往一次性掃描整個芯片的方法。每個分層的掃描都是單獨進行的，然后合并起來進入上一級。這里主要的工作區將所有以前掃描過的子模塊當作黑盒子來處理，直至插入了掃描。之后在填寫設計連線表前，子模塊代替設計中的黑盒子，為上一級掃描和合并做準備。這個過程在4 種不同層次上都有重復。從設計開始，Synopsys已發布了新版的設計編譯器，Agere用它成功掃描和編譯了許多復雜的分級設計，而無需精心制作的腳本。
邊界掃描結構設計使所有IO計時在IO和電壓轉換結構中都是可預料的。這應當通過創建IO緩沖和邊界掃描物理布局宏單元獲得。這些宏單元與Agere的BCADu軟件相結合，建立最高級IO連接。每種接入接出宏單元都轉換為正確的電壓，并接收不同的掃描輸入和輸出。
這就意味著功能信號在核心內不會與掃描信號相混淆。從而，隨著設計的進行，實現從頂級透視預測整個時序。IO環設計的另一特性是將邊界掃描時鐘TCK發送給數據的另一端。這就消除了與TCK有關的任何保留時序問題，同時意味著不必擔心時序平衡和芯片外圍的TCK時鐘樹。
由于這種設備是基于ARM的，且具有ICE性能，與IO邊界共享JTAG端口，所以需要進行掃描。設計的TDO針需要在每兩個測試結構間復用。為了實現這一特性，將邊界掃描控制器（Agere開發的BCAD軟件部分）變為可支持邊界掃描或ICE。
復雜設計需要足夠的調試性能
ICE和ETM性能都添加到SoCy設計中。在設計規格階段，為每個ARM966E-S提供一個獨立的ETM9，費用會很大，而且因為8 個ARM966E-S都具有同一功能，所以只需要其中的一個ARM966E-S。因此單個的ETM9放在核心最上層，并連接到單芯片的單ARM966E-S核心中，其它三個芯片的ETM接口未被連接。
SoC 設計的ICE性能需要依靠所有8個ARM966E-S核，能經由設備的JTAG端口，通過TDI/TDO信號進行通信。因為擁有多個JTAG端口的解決方案并不很實用，因而有必要利用ARM966E-S的菊花鏈通信性能。菊花鏈控制的說明見圖3。菊花鏈系列連接要求在每兩個ARM966E-S核間進行數據傳送，并意味著較低級別的TCK時鐘平衡變得重要了。為了使多ICE能以實用的調試速率運行，TCK時鐘樹必須首先在芯片間，然后在芯片內的ARM966E-S間達到平衡。
因為設備不包含只讀存儲器（ROM），所以在通電時，需要啟動系統將軟件下載到每個核。需通過主要外部接口，到達每個子系統的AHB基礎存儲器。然后處理器開始啟動，并將主程序傳輸到內核的指令TCM。
富有挑戰性的物理執行
此Soc設計的物理執行是使用Avanti的 Apollo 和Saturn來實現TDL(時序驅動布局)和CTS (時鐘樹整合)的。目前Synopsys Astro已經替代了這個流程。8個內核的設計，可能產生有趣的挑戰。設備的形狀由ARM966E-S子系統的大小和形狀規定，并受芯片形狀和大小的影響。通過這個設備的數據流主要是單向的，同時影響到平面布局圖。這就意味著唯一的可能就是在各自頂端堆疊芯片。于是要求制定長線（> 3mm）轉發器信號策略，同時，因為每個芯片與來自芯片四個方向的信號通信，所以要求大量的轉發器元。這就迫使Agere的設計小組在平面布局圖中采用轉發器區域，管理利用轉發器元的數量。隨著信號傳送距離變長(> 20mm)，就會對計時產生影響，于是要求重新設計SoC的某些方面，以提供更多的管線級數，確保時序不受干擾。
如果這個設計很大(> 140mm^2)，有大量的初級IO信號，同時大于數據中的125K觸發器，那么就應特別注意其功耗、IR壓降及IO和時鐘交換引起的噪音。通過精確的嵌入時延管理，確保每個芯片的計時，從而減少設備功耗、IR 壓降和時鐘噪音。芯片外的電路記錄對邊的時間，另外金屬的附加級也添加，僅用于功率路由。然而即使利用這些技術，設計人員仍認為電壓能降到1.32V（Agere0.16um 1.5V 庫中最小的典型電壓）。隨后計時分析和模擬這個更低的電壓特征，并產生設備計時分析和模擬的SDF（標準時延格式）。
對這一種類的設備，另一值得考慮的事項是地面反彈分析。需要考慮要求的VDD 和VSS板的數目，然后使用Celerity SPICE模擬器對芯片進行仿真，同時使用所有的輸出交換。相應地，測量輸出緩沖驅動容量，調整VDD/VSS板的數目和基調。然后再進行一個相似的仿真，評估內核電源板的需求。最后由于這是一種混合的電壓設計，我們為3.3V交換 IO 和1.5V內核電壓重新設計一個標準的數據基底，以合并電源層，從而減少連接到VDD 和VSS電源的感應。
Agere實現了布局內的時序閉合后，就會利用其信號集成分析工具方法，評估假信號問題，以及信號耦合引起的時序問題。圖4演示了Agere的SI流程。
當時，這個方法還是相對較新的。這些工具雖然已經十分先進了，但仍沒有現在的先進。于是導致了許多反復設計，在修復了潛在問題后，再進行進一步的信號集成分析，這樣才能完成整個設計。
這樣的設計以及許多同樣復雜的后續設計的結果是：Agere工具的信號集成能力得到很好的調整，以致于單個信元具有獨特的門限特征，產生了新的SI 加強型信元（hardened cell），以及用于更高精度模塊化的單網分析。這就使易受當前信號完整性問題影響的網絡數量大幅下降，從而讓我們能集中精力解決真正的問題。相應地，Agere現在利用了Synopsys Astro Cross-talk工具進行布局設計，并采用時鐘屏蔽作為標準，消除時鐘故障問題。同時，Agere 還采用了Cadence的Celtic工具代替圖4 SI 流程中的Assura工具。
總之，這是個十分苛刻的SoC設計，需要開發新的設計技術才能成功實現。這些技術已經逐漸被應用到Agere的其它設計中，而且到目前為止，位于英國Ascot 的Agere設計中心已完成了7種不同技術的基于ARM的設計，包括Agere最新的0.13um技術，而整個公司已經擁有了30種基于ARM的設計方案。