您知道系統架構師在片上系統 (SoC) 設計中的具體工作嗎？如果您已經認識或經驗豐富的系統架構師，那么可能無需進一步閱讀。但是，如果您是我們眾多正在探索該行業機會的年輕讀者之一，請繼續閱讀，看看這是否是您或可能是您。

對系統架構師的需求不斷增長，因為領先的數字 ASIC 設計每年都變得更加復雜，并且需要數十人的團隊在它的所有不同方面工作。根據先進的芯片設計公司 Sondrel 的說法，系統架構師對于協調設計項目的各個方面都很重要。

Sondrel 的設計架構主管 Paul Martin 將系統架構師比作管弦樂隊的指揮。他說：“他或她必須對一個項目所需的所有技能有深刻的理解，并知道它們何時適合項目的順序，就像指揮對管弦樂隊的所有部分在正確的演奏中所做的那樣時間。只有在這種情況下，它才能確保每個項目都符合規范并按時按預算進行。我們成功做到這一點的聲譽是每個季度都會引入更多項目，這就是為什么我們在全球所有設計中心招聘多技能工程師作為系統架構師來滿足需求。”

具有數十億門的高級節點芯片設計的復雜性需要經驗豐富的工程師的大型團隊。正如 Sondrel 首席執行官 Graham Curren去年在其工程師招聘活動中解釋的那樣，“例如，我們最近完成了一項 16nm 設計，需要 100 多人全職工作一年多。這種資源部署通常只能在大型藍籌公司內部使用。”

Curren 提到的 16nm 芯片是當時公司為客戶設計的最大的芯片，一個 500 平方毫米的芯片，擁有超過 300 億個晶體管、4000 萬個觸發器和 23000 個用于 I/O、電源和接地的焊盤。大約三分之一的芯片平面圖是處理實時圖像處理的客戶 IP 塊。Sondrel 支持圖形處理器單元塊、兩個中央處理器單元、片上高速緩存存儲器、PCI 和 USB 接口以及存儲器控制器到片外存儲器，在一個郵票大小的芯片上使用超過 7 公里的金屬軌道.

一次性設計出如此復雜的芯片是不可能的，因為它有 3 億個可布局的邏輯單元，而布局工具一次只能處理 300 萬個，而運行時間不會變得過多。因此，它被劃分為大小可控的功能塊，分布在金字塔結構的四個層次上。

為了達到這一點，在 SoC 開發周期的早期，產品經理、系統架構師和相關的技術利益相關者討論并詳細說明產品需求。每個組都傾向于對產品有一個特定的心理模型，通常是產品經理專注于最終用途和產品應用。同時，系統架構師關注功能和執行，以及需求的實現。

這個“需求捕獲階段”識別、制定和記錄所有已知的功能和指標，包括清晰完整的提案中的性能需求。此外，該練習確定了尚未完全理解或以后可能包括在內的功能，并試圖確定和計劃完成此類功能的鑒定和量化所需的任務。

完成后，或在程序開始時盡可能完成時，系統架構團隊的需求會經歷一個分析階段，其中包含來自設計和實施團隊的適當輸入。這個迭代過程的結果是一個架構設計規范，其中包括一個架構設計，其所有功能、功率估計、性能和面積都已確定。

在初始階段包含設計和實施工作可確保對規范和體系結構的更高水平的準確性和驗證，并確定指導設計選擇所需的敏感性。

架構分析包括架構探索、IP選擇/規范、需求驗證和項目執行計劃的生成，主要任務在后期階段詳細闡述。

候選架構的架構探索是一個主要組成部分。它通過對提案進行建模和評估已知或參考用例來改進架構設計，動態地允許定義系統拓撲并分配要分配的資源（內存、總線結構數據/控制路徑等）。

雖然它允許評估和驗證功能的各個方面（連接性、時序、性能）以確保設計的正確性，但使用更詳細和準確的模型的后期階段用于確定和糾正架構實施期間的潛在錯誤.

SoC 架構探索的初始部分是一種嚴格的方法，用于捕獲 SoC 需要執行的一個或多個應用程序用例和數據流。準確而完整的用例描述對于與利益相關者進行溝通并在產品定義階段早期就需求達成一致是必要的。系統架構師尋求提取產品需求并表達它們，以便技術和非技術利益相關者能夠跟上產品意圖和架構選擇，而無需過多的技術細節。

從產品需求到可執行架構模型的流程。（來源：桑德雷爾）

這個協作過程有八個步驟：

產品經理對潛在的 SoC 解決方案進行市場分析、行業趨勢和產品需求定義。

產品用例需求通常通過演示文稿、電子表格或文檔傳達給系統架構師。

建模流程所需的需求轉換為 DSL 格式。

工具生成用例的可執行規范和可視化。

工具還生成用例架構探索所需的周期精確的 SystemC 模型。

系統架構師檢查探索練習的結果，并逐漸收斂到 SoC 的最佳架構。

系統架構師與產品經理交流調查結果。

產品經理可能決定修改需求或與系統架構師合作以進一步完善候選 SoC 架構。

為了說明用于系統架構探索的 SoC 應用用例，Sondrel 發表了一篇論文，涵蓋了在程序的架構階段使用建模。下圖顯示了一個典型的自主視覺用例數據流圖，其中節點代表處理功能，邊代表數據流。

示例自主視覺用例數據流。（來源：桑德雷爾）

流程中的具體階段是：

幀曝光——相機傳感器拍攝其視野快照的時間間隔。圖像傳感器可以配置為全局快門或滾動快門模式，每種模式都有一個與之相關的曝光時間。

幀 RX – 成組的圖像像素通過實時接口（例如 MIPI CSI-3）發送到 SoC 的時間間隔。

圖像調節——在實際計算階段之前對接收到的數據執行的任何圖像預處理、過濾或匯總步驟。

經典計算機視覺——眾所周知的視覺處理算法，例如，相機校準、運動估計或立體視覺的單應運算。

計算成像——視覺算法通過像素云或深度圖估計等自定義處理步驟得到增強

AI 推理——基于神經網絡的圖像處理，用于語義分割、對象分類等。

數據融合——最后階段的傳感器融合和跟蹤。還可能包括格式化或打包處理。

數據 TX – 可以通過 PCIE 或實時接口（例如 MIPI CSI-3）以恒定或可變數據速率傳輸。

本文接著定義了兩個仿真結構，應用用例模型和硬件平臺模型，然后是一個完整的仿真模型，用例任務映射到硬件平臺的子系統上。完整的論文“系統架構探索的 SoC 應用用例捕獲”可從Sondrel獲得。

審核編輯 黃昊宇