可調式晶片系統軟硬體開發平台之研製—子計畫：可調式晶片系統平台之前置佈局評估回饋系統設計(I~III)

針對可調式晶片系統之前置佈局評估回饋系統平面規劃子計畫，我們已在第一年度（即九十二年度計畫，計畫編號: NSC92-2218-E-212-003）採用機率分佈值代替固定值來表示設計未完全之不確定模組之各項特性資料，且已設計出能處理具有不確定功能模組之面積最佳化可切割與不可切割平面規劃器，並已將所獲得系統設計尚未完成時可能之模組佈局型態及其相對應之晶片初估面積資訊之分析評估結果與建議回饋給其他子計劃。接著在目前第二年度計畫中（即九十三年度計畫，計畫編號: NSC93-2215-E-212-001），除了晶片初估面積之外，尚需從92年度所求得之可能平面規劃型態中獲得其他如繞線擁擠程度及重要訊號繞線長度等與繞線拓撲有關之重要佈局評估因子，而目前正在設計藉由修改面積最佳化平面圖以降低繞線擁擠程度及重要訊號繞線長度之演算法，不久將可獲得系統設計尚未完成時可能之模組佈局型態及其相對應之重要佈局評估因子。之後如同92年度一樣再將所得模組佈局型態及其相對應之重要佈局評估因子資訊作一分析評估，並將評估結果與建議回饋給其他子計劃。以下就本研究計劃之背景目的、研究流程及目前研究成果加以說明。

研究計畫之背景及目的

由於微電子技術一日千里，使得具有百萬邏輯閘之複雜資訊處理系統可在單一晶片內實現。利用此單晶片系統（System-on-Chip）技術可將以往需要一片印刷電路板甚至數片印刷電路板構成的電子系統縮小在一片IC晶片內，其使得ASIC設計從元件模組設計層次擴展至系統設計層次。如此不但整個系統所佔空間縮小，其電路工作速度也大幅提高，更可縮短系統設計流程，提供高性能、低價位的電子產品，進而增加電子產品升級能力。許多以往較困難的系統架構或設計，如平行處理、類神經網路等均可利用單晶片系統技術增加其實現的可能。在運用單晶片系統技術時需考慮整個系統應用和架構、系統元件之整合、系統設計流程、系統功能之模擬與驗證及系統佈局工具之設計等相關技術。這些在各個階層的設計流程需要做正確而有效的垂直整合，才能發揮單晶片系統應有的功能。但傳統的ASIC設計方法與技巧以及目前的EDA工具並不完全符合單晶片系統設計之需求。因此必須重新建立一套適合單晶片系統之設計方法與流程，功能模擬與驗證工具以及佈局工具。

在九十一及九十二年度國科會微電子學門專題計畫研究成果研討會中有多場針對單晶片系統技術的演講指出國內外已將單晶片系統技術運用在以資訊處理為導向之應用上並探討未來如何將現有的設計工具提昇至更符合單晶片系統設計之需求。會中多位教授在應邀報告參與國外重要會議成果中也指出單晶片系統設計急需建立一套真正合適的完整設計方法與流程、功能模擬與驗證工具以及佈局工具。其中在單晶片系統電路佈局方面，由於電路密度增加、混和訊號設計之需求以及電路工作頻率提高，在佈局設計時需特別考慮傳輸線效應、熱傳效應、交感雜訊以及電壓源下降等對系統之影響，藉以提高系統效能和產量。從九十一及九十二年度所執行的國科會微電子學門專題計畫中可知國內在單晶片系統技術方面的研究已方興未艾。各校所進行之大型研究計畫可望將國內研究及設計水平從ASIC層次提昇至單晶片系統層次。而整合各種單晶片系統電腦輔助設計工具，建立完善的單晶片系統設計環境，將國內電腦輔助積體電路設計研究擴展至單晶片系統的技術層次更是各個大型研究計畫的一致目標。

以往單晶片系統之開發較著重於如何設計並實作出單晶片系統硬體 (SoC Chip)，而目前許多單晶片系統設計已著力於從系統軟體與目標應用(Target Application) 層面之整合。應用層次整合的晶片系統開發平台不僅將扮演過去如大型ASIC或整合型IC晶片開發所需之系統化矽智財整合平台，也應藉由平台核心（Kernal、OS）、系統軟體（Driver、Complier等）之移植、支援與開發而提供目標應用之軟體設計開發平台。因此本整合計畫擬設計一行動通訊派遣系統（Modular Mobile Dispatch System, MMDS）及無線即時生理監測系統（Wireless Real-time Physiological Signal Monitoring System, PSMS）之可調式（tunable）SoC平台及其電子設計自動化（EDA）工具。MMDS為一可支援多項任務之複雜行動通訊派遣系統，其整合了衛星定位系統（Global Positioning System, GPS）、地理資訊系統（Geographical Information System, GIS）、巡航系統及一些即時嵌入式系統（real-time embedded system）等功能模組。而PSMS為一可支援多項任務之無線即時生理監測系統，其整合了網管中心電腦、語音數據交換裝置、無線電基地臺及移動式無線電生理檢測傳輸裝置、加密系統，配合無線電通訊網與人機介面軟體等功能模組，提供網管中心工作人員與被看護者間建立語音與即時生理監測之通訊系統。本整合計畫之研究內容包括兩大主題六個子計畫：（一） Codesign及EDA工具： 1. 軟硬體共同設計及 2. 前置佈局評估回饋系統； （二）系統設計平台之軟硬體設計：3. 即時作業系統及嵌入式軟體合成環境， 4. 週邊界面整合單晶片， 5. 內嵌式可程式邏輯陣列， 6. 含嵌入式微處理機及資料加密器之可調式平台設計。

本整合計畫擬設計之MMDS/PSMS系統在設計之初有些功能模組為hard IPs，有些為soft IPs，有些為本整合計畫欲設計之子系統。設計如此複雜系統耗時甚鉅且各功能模組需不斷修改以符合系統目標，因此對於後端實體設計者而言，必須等待較長系統設計時間才能真正著手相當費時的電路佈局工作。另一方面，為了達到佈局最佳化以保障系統效能的目標，有些佈局問題根本解決之道可能必須追溯至系統階層修正軟硬體共同設計（HW/SW codesign）或修改其他子計畫所設計之系統模組。例如繞線時網列連接線長度及擁擠程度最佳化問題，可藉由加強在系統功能分割時考慮未來所合成功能模組間之I/O最少化及平衡化技巧加以改善。相對地，有些系統模組的設計問題必須配合佈局結果才能得到最有利於符合成本與效能之設計。例如以FPGA實現可重組態系統邏輯功能單元（configurable system logic, CSL）時所考慮之FPGA模組大小問題可藉由平面規劃結果來調整以獲得最適合的FPGA大小並使其可重組態功能單元有最佳執行效能。因此為了縮短整個系統佈局時間及達到佈局與系統模組設計最佳化，正本清源的方法為在佈局前之系統設計時即嘗試模組平面規劃並評估晶片面積、繞線延遲、及繞線擁擠程度等佈局最佳化重要因子，而後回饋相關訊息給系統設計者以修正系統設計，使得爾後能有效率地獲得正確的實體設計結果。

綜上所述，本子計畫擬設計一行動通訊派遣系統及無線即時生理監測系統（MMDS/PSMS） SoC之前置佈局評估回饋系統。本子計畫並非實際對MMDS/PSMS做電路實際佈局，而是利用經過初步系統階層之軟硬體共同設計所得之模組如8051 core、可能以hard/soft IP core 呈現之GPS、GIS及即時嵌入式系統以及欲由其他子計畫設計之建構於FPGA之可重組態功能單元、週邊硬體界面與AES加解密等模組尚未設計完全前預先快速嘗試此類不確定模組(uncertain modules)之平面規劃以求得可能之模組平面規劃型態及其相對應之未來佈局重要評估因子如晶片面積、繞線擁擠程度、重要訊號繞線長度、溝通頻繁模組之群聚性等，之後再將所得資訊作一分析評估，並將評估結果回饋給其他系統階層子計畫之設計者以作為其先前設計時所可能忽略之後端佈局環境參數，藉此改善不當系統設計及其對後端實體設計所帶來不良之影響。傳統的平面規劃器及重要佈局因子評估演算法因需等到所有模組及其間的連線結構完全詳細設計完成後才能處理平面規劃問題並評估重要佈局因子，因此我們需設計一新的適用於上述設計未完全之不確定模組的平面規劃器及重要佈局因子評估演算法。

圖一所示為本前置佈局評估回饋系統與各子計畫間之關係圖。其中本子計畫（子計畫二）及子計畫一負責系統階層佈局評估迴圈（system layout evaluation loop），亦即經由子計畫一系統階層之軟硬體共同設計所得之不確定模組需藉由本子計畫對其做系統階層前置佈局評估以決定其對未來佈局之影響，並將評估結果回饋給子計畫一，待子計畫一修改設計後再進入此迴圈重複執行評估，如此直至達到系統結構收斂（architecture convergence）。另一方面，本子計畫及子計畫三、四、五負責IP階層佈局評估迴圈（IP layout evaluation loop），亦即經由子計畫三、四、五所設計模組需藉由本子計畫對其做IP階層前置佈局評估以決定其對未來佈局之影響，並將評估結果分別回饋給子計畫三、四、五，待子計畫三、四、五修改設計後再進入此迴圈重複執行評估，如此直至達到設計收斂（design convergence）。另外圖二所示為根據圖一中四個設計迴圈所提出針對整合計畫之可重組式單晶片系統軟硬體開發平台之設計流程。其中本子計畫二參與設計及執行圖中虛線所包含之架構評估與設計評估。

圖一：以四個設計迴圈所連結之各子計畫間關係圖。虛線所包含部份為本子計畫二欲設計及執行之範圍。

圖二：根據圖一中四個設計迴圈所提出針對整合計畫之可重組式單晶片系統軟

硬體開發平台之設計流程。本子計畫二參與設計及執行圖中虛線所包含之架構評估與設計評估。

年度研究規劃與成果

圖三所示為本前置佈局評估回饋系統之不確定模組平面規劃與重要佈局因子評估及回饋流程。圖中三條虛線所構成的執行流程分別代表本子計畫在第一（92年度）、第二（93年度）、及第三（94年度）年度所規劃之評估及回饋流程。以下先大致說明每一年度計畫之執行內容:

首先在已執行完成之第一（92年度)年度計畫（NSC92-2218-E-212-003），我們已詳細了解MMDS/PSMS各部分子系統功能模組之特性及其間之互動關係如：各hard IPs及已完成模組之面積與寬高維度大小、接腳數與其腳位指定限制、及訊號輸出入型態（數位或類比）、各soft IPs及欲設計模組之可能面積與寬高維度大小、可能接腳數、及訊號輸出入型態，各模組間訊號線可能之拓撲關係與其訊號流向等。並且我們已採用以機率分佈值代替固定值來表示設計未完全之不確定模組之各項特性資料，並已設計能處理具有不確定功能模組之面積最佳化可切割與不可切割平面規劃器，以獲得系統設計尚未完成時可能之模組佈局型態及其相對應之晶片初估面積；之後我們也將所得模組佈局型態及其相對應之晶片初估面積資訊作一分析評估，並已將評估結果與建議回饋給其他子計畫。

目前正執行之第二（93年度）年度計畫（NSC93-2215-E-212-001）中，我們考量除了晶片初估面積之外，尚需從92年度所求得之可能平面規劃型態中獲得其他重要佈局評估因子如繞線擁擠程度及重要訊號繞線長度等，以便據以修改平面規劃型態以達到重要佈局評估因子最佳化之目標；並將所得修改後之模組佈局型態及其相對應之重要佈局評估因子等資訊分析評估並回饋給其他子計畫做為強化其設計參數之完整性及其修正改進模組設計之用。

本子計畫未來最後一年（94年度）內欲執行之研究項目：由於92、93年度本子計畫所得後端環境參數結果已回饋於有關之系統設計各子計畫，因此待各子計畫修改完成後，此年度本評估回饋系統將再一次利用修改後之模組資料修正本計畫前兩年度所得之所有演算法使其能獲得更正確的平面規劃型態及晶片初估面積、繞線擁擠程度、訊號繞線長度等重要佈局評估因子，並重新評估回饋。另一方面，由於上述重新評估回饋系統在本年度將重複多次直至達到系統架構及系統設計收斂，且各子計畫修改其模組的數量與範圍應該逐次減少，因此為了能有效率地重複進行本評估回饋系統，我們擬建立適用於不確定模組之快速增量式（incremental）平面規劃演算法，以補強先前所發展平面規劃演算法中若任一模組修改後，不論修改範圍大或少，皆必須耗時地整個重新執行平面規劃演算法之缺點。

圖三 : 本前置佈局評估回饋系統之不確定模組平面規劃與重要佈局因子評估及回饋流程。