系統架構師:半導體產業的新工作藍圖

作者 : Majeed Ahmad,EDN主編

近來在半導體產業領域,一種新的工作職務——「系統架構師」正在崛起。業界越來越需要系統架構師來協調SoC設計專案的每一個層面…

近來在半導體產業領域,一種新的工作職務正在崛起,其職稱是「系統架構師」(systems architect)。歐洲IC設計服務諮詢公司Sondrel坦言,業界越來越需要系統架構師來協調SoC設計專案的每一個層面,包括確保SoC專案符合規格並且準時且低成本。

據Sondrel設計架構主管Paul Martin解釋,系統架構師就像是管弦樂隊的指揮。「他或她必須對專案所需的所有技能有深刻的理解,知道這些技能在專案順序中發揮的時機,就像指揮家所做的一樣,讓管弦樂團的每種樂器群分別在正確的時間演奏。」

在深入說明系統架構師一職的實質內涵之前,最重要的是知道SoC設計專案中的每個團隊往往都有一個特定的產品心智模型。例如,產品經理會專注在終端用途與產品應用上。系統架構師在此的工作則是著重在功能面和執行面,並確保實現需求。

系統架構師必須能提取產品需求並有效地表達,才能讓技術和非技術利害相關者無需瞭解過多技術細節,而能掌握產品意圖並作架構選擇。

SoC架構探索

系統架構師的工作從需求獲取階段開始,此階段要辨識、制訂和記錄所有已知的功能與指標,包括以明確完整的提案提出效能要求。這階段也要辨識尚未完全理解或將來可能納入的功能。系統架構師在此階段還必須確定並規劃完成這些功能的驗證與量化所需的任務。

其次,這些需求會進入分析階段,提供設計和實施團隊輸入的適當構想。這個迭代過程會針對所有的功能性產生包含架構設計的規範,而其功能包括決定對於功率、效能和面積(PPA)的估計。

圖1:SoC架構探索是一種嚴格的方法,用於獲取SoC必須執行的一個或多個應用使用案例和資料流程。(資料來源:Sondrel)

架構分析包括架構探索、IP選擇和規格、需求驗證以及專案執行計劃的產生並詳述後期階段的主要任務。在這裡,候選架構之架構探索是關鍵組成要素,因為它經由對提案進行建模、評估已知或可參考的使用案例讓架構設計去蕪存菁。

這種做法能夠動態地定義系統拓撲並提供諸如記憶體、匯流排結構和配置的資料/控制路徑等資源。因此,架構探索可以評估、驗證連接性、時序和效能等功能面的品質,進而對設計的正確性產生可信度。後期階段則會採用更詳細、更準確的模型來確定和修正架構實施過程中的潛在錯誤。

總而言之,系統架構師會檢查探索活動的結果,並逐漸匯整歸納出最適合SoC的架構。然後,架構師再與產品經理溝通調查的結果,產品經理可能會決定修改需求或與系統架構師合作,進一步改善該候選SoC的架構。

系統架構師:工作描述

以上主要是針對SoC設計做初步描述(即SoC架構探索),讓人一窺系統架構師的工作內涵。西門子數位工業軟體公司(Siemens Digital Industries Software)資深副總裁兼IC驗證解決方案總經理Ravi Subramanian表示,系統架構師需要具備一套獨特的技能資格。首先是擅長在組織中跨多個層級協調的能力。

另一個重要技能是在促成SoC架構和微型架構規範上有實質的經驗。根據Subramanian的說法,系統架構師必須了解需求、分析、規格、加工、建模、實施和驗證/確認的週期循環。「了解工作負載分析和電腦架構效能分析也是關鍵所在。」

依據Arteris IP公司副總裁兼IP部署總經理Isabelle Geday的說法,擔任這項職務需要具備系統導向的思維,也就是需要有整體性的做法確保所設計的系統能夠成功。「系統架構師需要對設計和驗證有深入的理解,並掌握目標應用與領域的各個關鍵層面。」同時從系統面根據其架構的定義,思考有效處理安全性、保護和效能的方法。

圖2:從區塊到子系統再到完整的SoC設計,都需要系統架構師直接或間接參與監督。(資料來源:Sondrel)

Isabelle Geday曾經是總部位於法國巴黎的Magillem Design Services公司(已於2020年為Arteris IP收購)創辦人兼執行長。她補充說,系統架構師應該了解目標應用領域,因為他們要推動系統需求和衍生的相關管理。因此,必須與行銷團隊協調合作、溝通才能訂定產品管理策略,有效處理SoC的複雜性。

Geday指出,安全與保護特別重要,因為SoC目前在汽車、通訊和國防上的應用越來越重要。由此產生的壓力對半導體業而言是相對較新的壓力;例如2018年發佈的ISO 26262第11章(Chapter 11)。

因此,系統架構師一方面應該在開發過程中與安全、保護及效能的專家密切互動;另一方面,他們需要與設計及驗證團隊協調合作,以確保系統可行性,進而使系統付諸實現。

正如同Martin所指出的,另一個重要的考量因素是將需求轉換為建模流程所需的數位用戶線路(DSL)格式。因此,熟悉可產生使用案例之可執行規格與視覺化的工具非常重要。

誰有資格勝任此工作?

依據Subramanian的說法,系統架構師必須對電腦系統工程、電腦架構,包括儲存系統、軟體和韌體有深入的了解。換句話說,系統架構師需要在定義及實施運算裝置的架構方面累積10餘年的經驗。

系統架構師必須了解需求、分析、規格、加工、建模、實施和驗證/確認的週期循環。因此,了解工作負載分析和電腦架構效能分析極其關鍵。

整體而言,這相當於在SoC設計流程、實施和驗證的各種方法論上都積累了實質的經驗。系統架構師還必須熟悉介面的工業標準規格;在功率、效能、面積(亦即PPA)的專業知識上都能均衡掌握也是重要的加分優勢。

圖3:在SoC設計專案的後期階段,採用了更詳細、更準確的模型來確定及修正架構實施過程中的潛在錯誤。(資料來源:Sondrel)

正如Martin指出的,系統架構師通常是透過簡報、試算表或文件瞭解使用案例需求。Geday說,對此,系統架構師必須運用再利用策略將先前的設計加以發揮。「然而,定義再利用策略以因應衍生的管理,並從系統層面考量變化性並非易事。」

這需要以系統級的表示法將現有的IP與子系統等資訊加以整合,用於推導架構的定義;失效模式和影響分析(FMEA)就是一個很適當的案例。Geday說:「再利用策略需要有一致的自製或外購策略之支持。外購可節省時間而自製可獲得競爭優勢,同時確保最終都能符合內部與外部IP以及由此產生的SoC設計。」

系統架構師:工作分析

在充份解釋系統架構師各方面的工作後,為了更加清楚起見,逐步分析這份工作的內涵也很重要。依據Subramanian的說法,系統架構師在SoC設計專案中的工作流程,典型細分如下:

  1. 需求獲取:包括與產品管理部門合作以取得全面的產品需求摘要。
  2. 產品分析:這涉及建立架構設計的規範,其中包括估計功率、效能與面積。這需要全面了解如何將SoC整合到終端平台,並明確定義使用案例與軟體工作負載,讓SoC成功受到採用。
  3. 架構規範:系統架構師必須確保產品分析的輸出或SoC架構的定義能夠符合要求與使用案例的驗證方法。
  4. 架構探索:包括探索、IP選擇和規格、需求驗證以及專案執行計劃的產生,並詳細闡述主要工作任務。架構設計是透過對架構提案建立模型並評估已知或可參考的使用案例來完成。因此,所有功能層面,諸如連接性、時序、效能等都要經過評估和驗證,以確保設計正確性的可信度。後期階段要採用更詳細、更準確的模型,用來確定及修正架構實施期間的潛在錯誤。
  5. 建模:這需要開發必要的模型並改進建模方法。
  6. 實施及驗證:這個階段涵蓋從區塊到子系統再到SoC之實施及驗證。
  7. 使用案例驗證:這涉及需求階段所定義的使用案例與工作負載的驗證。
  8. 系統整合驗證:這需要在系統環境的特定使用案例下驗證SoC與工作負載,例如在先進駕駛輔助系統(ADAS)設計中可在SoC上運作的軟體。

圖4:建模能夠探索未知,模型中的錯誤比在SoC中更容易修正。(資料來源:Sondrel)

系統架構師工作的藍圖仍隨著SoC的發展而演變著。然而,這項新工作的基本原則在未來仍然可能適用。同時,在人員數、工具和單次工程費用(NRE)等方面的龐大費用將更突顯出SoC系統架構師重要性。

(參考原文:Systems architect: Blueprint of a new job in semiconductor industry,by Giovanni Di Maria)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年3月號雜誌

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