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究竟是否应该选择授权互联IP?为什么?

时间:2021-05-06 作者:Kurt Shuler 阅读:
我们最大的问题是哪些部分需要我们内部设计,哪些部分可以从外部引入?对于是否选择第三方提供的方案,针对不同IP在这个抉择上的争议程度有所不同。在本文中,我们要采用专为互联任务设计的网络来取代SoC的内部自建总线。
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没有人会选择自己从零开始造一台奔驰车。即使是斯图加特地地道道的第三代汽车工程师,也不会选择自己造车,而是选择买一台车。

为什么我们要选择买车而不是自己造车?因为汽车制造厂更擅长制造汽车。他们经验更丰富,工具更完备,而且他们的产品提供原厂保修服务。

对于这些行业,我们能否从中获得一些经验?如果可以,我们能学到些什么?

我们可以学到,即使是工程团队,在遇到“自制还是购买”这个老问题时,也要思虑再三才能作出决定。商业原则告诉我们,我们应该专注于实现增值,而将其他工作留给擅长此类工作的第三方。

在关于购买与自制的讨论中,另一个考虑因素是,如果我们直接使用外部技术而不进行内部开发,能否节省成本?或者标准更高一些,能否给我们带来利润?这个问题不容易回答,我们需要依靠数据进行分析。

那么,最大的问题就变成了:哪些部分需要我们内部设计,哪些部分可以从外部引入?这需要不同部门在白板上进行讨论,讨论可能会很激烈和情绪化。工程师们希望制造出产品,这是他们的工作;经理们则希望在尽可能节省成本的前提下从外部购买能满足相应要求的产品,这是他们的职责所在。如果工程师们希望自己制造,而经理们希望购买,那么该听谁的?谁来做这个决定?如果做出决定,如何证明这个决定是正确的?

中型项目的财务模型

我们来看看财务模型。如图1和图2所示,我们来研究一下中型系统级芯片 (SoC) 项目所涉及的财务问题。(上市时间和风险因素将在后面讨论,见下文)。我们首先假设要生100万片芯片,成本为8美元/片,售价为15美元/片。实际上,会设计出两款芯片。每款设计的总研发成本预计为800万美元。到目前为止事情还很简单。

图 1:中型SoC项目的基本成本假设:两款芯片设计,生命周期内产量为1000 万片,成本为8美元,平均售价(ASP)为15美元,总开发预算为800万美元。

但是,我们还需要考虑其他问题——我们要从哪些知识产权(IP)中进行选择?在设计过程中要权衡哪些因素?这些细节我们留到以后再做讨论。

现在,我们在上述假设的基础上,进一步假设用授权方案替代内部设计逻辑,而这种想法会另外产生四个假设。第一,假设在产品的生命周期内,整体产量达到0.5%的小幅度增长。在我们的示例中,这意味着总出货量达到1005万片。

图 2:中型 SoC 项目的进一步成本假设。

为什么产量会提高0.5%?或者说,为什么产量会提高?其中一个原因在于产品质量得以提高。授权解决方案比内部自建版本更可靠,可制造性更高。反过来,这也是因为授权IP来源于该领域中经验丰富的企业,值得信赖。就像法拉利制造的跑车或肯沃斯制造的卡车更值得信赖一样。专业企业的产品可靠性往往优于普通企业。

授权IP的配置和集成速度比内部设计版本更快,因此可缩短上市时间,进而提高产量。早日上市意味着生命周期内的销售量也会增加。这部分稍后再详细介绍。总的来说,产量增加0.5%是非常保守的说法。

第二,假设授权IP将节省大约0.5%的芯片面积。同样,这也是对优化的商业 IP与内部替代方案进行比较得出的结果。

第三,由于我们使用现成的IP解决方案,消除了需要投入大量人力的内部设计工作,预计直接研发成本将小幅降低1%。这很容易实现,实际可能会节省更多的人力成本,但保守一点也不错。

最后,假设还能实现1%的“额外成本节省”,这是由于授权IP经过验证,不需要调试,能够加快衍生产品的开发速度以及缩短上市时间,同时可以更快地响应不可避免的工程变更命令(ECO)。

通过计算,我们得出的结果是:间接成本因芯片面积减小可节省37.5万美元、直接研发成本可节省16万美元以及其他间接成本可节省16万美元,同时收入因产量提高而增加37.5万美元。这样一来,节省的成本就远远超过了100万美元——对于一个最初仅开发两款芯片且预算只有1600万美元的项目来说,这是一笔不菲的红利。

NoC 互连揭秘

那么,这个既节省时间又节省成本的神秘IP具体是什么呢?是总线,更准确地说,是片上网络(NoC)。随着SoC的速度越来越快、结构越来越复杂,对组成元件之间的互连要求也越来越高。简单的总线已经被采用数据分包方法的精密片上网络所取代。就像汽车变速箱一样,虽然我们不是每天都会注意到它,但它却是不可或缺的汽车部件。

历史上,工程团队会从以下三种方案中任选其一:内部自行设计总线、使用其他主要IP附带的总线、选择来自专业供应商的授权片上互连IP产品。由于芯片的复杂程度越来越高,同时各厂商需要凸显竞争优势,选择最后一种方案是大势所趋。

对于是否选择第三方提供的方案,针对不同IP在这个抉择上的争议程度有所不同。比如,让工程师更换处理器系列比较困难,但要更换USB供应商则容易得多。在本文中,我们要采用专为互联任务设计的网络来取代SoC的内部自建总线。大多数工程师都不会有异议,除非这意味着用商业替代方案取代他们固有的传统手工设计。

我们再回过头来看看数据。

节省时间

节省的时间比较难以估计。毕竟众所周知,工程进度并不可靠。但我们可以根据几十个实际项目和客户的反馈,对进度调整做出一些有根据的预测。

图3是典型的自建总线/网络设计时间表,设计时间几乎长达一整年。如图所示,时间表大致分为三部分,其中约80个工作日用于架构设计(即定义自建总线在所有情况下的主体架构和工作原理),另外40个工作日用于生成详细的寄存器传输语言(RTL),剩下100多个工作日用于所谓的物理设计,其中包括布局和布线、时序收敛、调试和可制造性设计(DFM)。再次强调,这些预估的工程进度并不是凭空写就的,而是采用了真实客户的数据。

图 3:SoC 开发项目各个阶段的相对时间跨度。节省的大部分时间(几个月)来自于后端布局和收敛阶段。

相比之下,采用授权NoC只需大约一半的时间即可达到相同的效果。此时架构设计所需的时间很少,因为设计师不用从头开始设计总线,不用费心研究它的工作原理,也不用研究所有晦涩的边角案例和各种不可预测的工作条件。在中间阶段,即RTL生成阶段,虽然使用授权NoC后,几乎省去了费时费力的数据输入工作,但自建和采用授权IP所需的时间并没有太大差别。最后,由于授权 NoC 现成可用,物理设计阶段缩减到只需40天。总的来说,时间跨度已经从接近12个月压缩到不到5个月。节省的时间价值几何?

而且,工程团队现在可以减少一些琐碎的工作,将更多精力放在增值业务上。这并不意味着他们突然间有了充裕的时间,也不意味着他们可以去度假,而是意味着可以将项目中更有价值的部分重新分配给他们。坦率地讲,他们对这些工作更感兴趣。互联逻辑设计技术含量高,但容易出错。设计成果非好即坏,所以负责的工程师要么默默无闻,要么成为“背锅侠”。

评估风险:千万不要推迟上市

现在我们来评估一下风险。我们已经了解到授权NoC有可能让产品更早上市,但我们也要分析一下相反的结果。如果芯片推迟上市会怎么样?

在我们的例子中,假设生产1000万片芯片,每片售价12美元,总的毛收入是 1.2亿美元。我们假设有24个月的市场窗口期。

根据Prasad的权威著作《新产品发布的定价策略分析》(Analysis of Pricing Strategies for New Product Introduction,1997),产品晚推出4个月会导致总收入骤降 44%(见图4),造成5300万美元的损失。如果将推迟时间缩短至3个月,仍然会造成4100万美元的损失;如果推迟2个月(几乎没有任何推迟),仍然会导致收入降低24%,即损失2800万美元。我们知道,上市时间是王道。

图 4:标准的经济模型预测,即使产品上市稍有推迟,也会造成巨大的收入损失。

因此,风险往往代价高昂。尽可能采用经过测试和验证的成熟元件,将风险降到最低,同时减少内部尝试进行高风险原创设计的次数,避免浪费时间做无用功,这才是明智的做法。这与自尊心没什么关系。诚然,工程师们喜欢设计产品;但他们也想保住自己的工作。团队坚持自己钟爱的项目,却不选择可靠的商业替代方案,这种情况是不可能发生的。

大项目

到目前为止,模型假设的都是中型项目。如果是一个更大的项目,产量更大,单位成本更低,还可能带来一些后续项目,情况会怎么样?会有什么样的数据?

图5与图1相关联,但适用于规模较大的项目。产量为6000万片,共开发4 种芯片,成本和ASP分别降低至5美元和10美元,研发预算增加至1000万美元。12个月的开发周期和24个月的市场窗口保持不变。

图 5:成本假设与图 1 中的假设类似,但适用于成本更低、产量更大、研发预算更高的大型项目。

预计在产品生命周期内,产量增加和硅片面积减少均能节省1%的成本(高于 0.5%),因为商用NoC功能先进且风险较低,能给更为复杂的芯片带来更多益处(NoC的扩展性远优于传统片上BUS总线和Crossbar互联方式)。预计这部分直接成本能节省2%,其他成本可额外节省1%。这些数据表明,仅硅片面积减少这一项即可带来300万美元的可观回报,另外因产量提高又可额外增加300万美元的销售额,研发费用可减少80万美元,项目成本可节省40万美元。总的来说,仅在单一项目的生命周期内,就可以节省720万美元。

风险因素变得更加令人生畏(见图6)。如果总收入预计为6亿美元,推迟4个月将使总收入减少2.93亿美元。即使推迟微不足道的2个月,也会损失1.41 亿美元,甚至仅仅推迟30天,就会损失7300万美元。为了一个工程师钟爱的内部项目,是否值得付出如此高的代价?图6:产品生产规模越大,收入损失也越大:仅仅推迟几个星期,就会损失 1 亿至 2 亿美元的订单额。

商业 NoC 还具备一个无形的优势,即能够提高工程产品的产量。工程产品的产量是指一个工程团队在给定的时间内可以生产的产品或项目的数量。一家典型的公司可能有三个独立的工程团队同时开工,这三个团队可能处在不同的工程中心。每个项目都与其他项目如流水线般“无缝衔接”或重叠,这样就能够定期推出新产品。原本每个项目可能需要三年时间,但有了三个团队,公司每年都能发布最新产品。

如果开发团队不将时间浪费在无关紧要的总线互连上,而是采用商业化NoC替代方案,那么新产品推出的时间间隔可以缩短到9个月。每个团队都和以前一样忙碌,但现在他们的努力有了更多可供展示的实际成果。员工数量保持不变;P&L基本保持不变;团队结构也保持不变。只是工程师们的工作效率更高,盈利能力更强,也许强到足以让他们给自己买一台奔驰车。

(参考原文:Licensing Interconnect IP for Fun & Profit)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年5月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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