研發SoC 核心CPU技術該挑軟？選硬？(上)

masonchung

引言：
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　SoC研發業者現今在制定產品研發決策時，最重要的一項因素就是選擇一套適合的矽智產（IP）核心（CPU）。這方面的決定會影響產品效能與品質、產品上市時程、以及獲利績效。但SoC研發業者在選擇核心時會面臨許多挑戰，在判斷何種核心最適合某種SoC時，更須謹慎的考量，業者須決定核心的種類（軟核或硬核）、技術資料的品質、以及IP供應商的可靠度與專業性。本文將探討每項領域並提供相關指南，介紹如何評估各種IP核心的特色。
7 v9 F' R( [  y. I) |晶片製造技術不斷改進，為現今的設計工程師提供很多可使用的矽元件與設備。然而，工程師在設計電路方面的能力並未跟上製程技術的發展腳步以應用這些新增的矽元件。這種不平衡現象造就現今的IP核心產業。IP核心讓研發團隊僅須整合預先製作的功能區塊，不須進行任何設計或檢驗作業，即能迅速開發大型的系統單晶片設計。
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4 }7 x$ I# ~: F$ s& e　但這種新的研發型態亦衍生許多困難的挑戰。視核心種類的不同，這些挑戰的困難度可高可低。
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! C( e" z) R) W  j( q, d# C) \　首先，IP核心可透過軟核或硬核兩種型式交付到客戶的手上。不論何種型式，顧客都會收到一套功能上已檢驗過的設計方案。軟核亦稱為可合成核心，可經由顧客合成後再建置到其SoC中。硬核，則已預先建置並可立即投入生產。（從技術面而言，設計方案須在投產後才算是建置完成。但在本文中，建置代表配線及其後段工程已完成生產準備）。SoC團隊僅須將硬核視為單一整合電路嵌入至晶片中。軟核與硬核有各自不同的問題與優點，以下我們將詳細介紹。
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  P, a8 _6 i; E0 |4 N7 r* L　IP核心啟動（jump-starts）整體SoC研發流程的一部份。研發團隊取得已預先檢驗的設計方案，使他們能以更少的時間、更少的工程與EDA資源下完成晶片的研發。但是，將核心整合至晶片需要進行許多步驟，步驟的難易度視廠商提供的整體技術文件與支援而定。本文將詳細介紹讓客戶能輕易將核心整合至各個SoC研發階段的技術資料與技術支援。
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8 \/ R& l$ u0 N, s! s　最後，顧客須考量IP廠商。IP產業仍處在萌芽階段，市面上存有許多良莠不齊的產品，且不僅是剛成立的新業者才會提供這類方案。因此，顧客不僅須評估IP核心，亦須評估IP廠商的整體能力。

8 P" D2 T5 R1 `7 W8 L　研發SoC，核心CPU技術該挑軟？選硬？這是一個如何選擇的問題。因此，從本週起，技術論壇將針對此議題進行一系列的探討，本篇先就兩者的優劣勢進行比較。

; {# k* G: y& l" f, |' g# \4 j3 ^軟核與硬核的優缺點比較
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　■效能
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% I) W2 j9 M5 [5 U; P: q3 @　由於軟核並未完成建置（Implement），故比硬核在功能與建置方面擁有更高的彈性。另一方面，因為這些核心會被應用在許多設計方案中，所以硬核研發業者能花更多的時間針對其建置作業進行最佳化。因此一般人都有硬核能提供較高效能的成見。
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　事實上，針對大多數先進製程所設計的完全客製化高階硬核，的確提供比軟核更優越的效能。由運用latch（拴鎖）型開關電路、動態邏輯、三相訊號、客製化記憶體等元件，完全客製化可達到超越完全靜態合成設計方案的效能。對於需要超越現有製程與研發技術效能極限的SoC而言，完全客製化的硬核較能滿足其需求。
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　但若效能目標落在軟核的支援範圍內，則硬核的優勢就無關緊要。SoC研發團隊可利用軟核先天俱有的彈性滿足其效能目標（隨著製程技術持續改進，軟核的最高時脈亦會隨之提高，讓它們成為更多SoC設計方案的理想選擇。）
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　即使在較低的時脈頻率下，硬核亦能提供矽元件空間上的優勢。但這種優勢並非永遠存在。通常硬核運用ASIC型態的設計技術進行硬型化（hardened），這種流程無法在速度上產生優勢。在其它方面，完全客製化的核心無法針對每個製程世代重新進行最佳化調校，因而消弭在時脈與尺寸上的優勢。

　■製程技術獨立性與移植彈性
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　軟核的其中一項優點就是製程技術獨立性。高階的Verilog或VHDL程式不需要運用某一特定的製程技術或標準的單元庫（cell library）。這意謂同一套IP核心可重複應用在多種設計，或是未來新世代的設計方案中。（部份軟核IP供應商開發出針對特定製程的方案，讓其核心不具製程技術的獨立性，但這種模式的優點尚不明確）。
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　另一方面，硬核則具有相當高的製程技術特定性。事實上，若晶圓廠商變更其製程參數或單元庫變數（cell library factor），硬核有可能就無法正常運作。因為IP供應商在製程參數改變後，須重新檢驗硬核，所以這種特性即衍生出運用上的風險。

　硬核可移植到新的製程技術，但須投入相當可觀的心力與成本來重新進行最佳化調校。對於某些先進的微處理器核心而言，須耗費兩年甚至更長的時間。因此，硬核的尺寸通常會針對新製程等比例縮小。這種方法雖簡單且迅速，但可能減低研發團隊針對最初製程進行的最佳客製化效益。

　此外，光學等比例縮小的作法會衍生額外的風險，因為它僅保證新設計能符合設計規則，但不保證正確的時序或功能。由於光學比例縮小是超捷徑式的設計模式，故業者在重新檢驗這類IP核心時會面臨很大的困難。

　事實上，軟核可能是針對單一製程技術與單元庫為設計依據，設計本身與此一技術無關。針對製程技術與單元庫提供最佳的效能，類似的技術可能達到接近最佳化的成效，但是差異性較大的技術（例如搭配速度較慢的RAM）可能就無法達到相同的結果。此種現象並非絕對重要，所以軟核在最佳化的彈性方面優於等比例光學縮小的硬核。
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　■速度╱尺寸╱功耗最佳化調校
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" ^' U0 j; G3 j  S: O8 ?　硬核在IP供應商進行建置時已做了一次最佳化。因核心僅進行一次最佳化，故IP供應商可投入較多的資源。因此，硬核的速度通常高於採用相同建置技術的軟核。即使運用單一技術，硬核僅是鎖定一個最佳化目標。若希望在合理的效能下降低晶片使用面積，則進行大幅效能最佳化的硬核，其面積可能過大。

　相反的，軟核能進行「應用最佳化」的調校。時序、尺寸以及功耗率目標可機動的調整，以配合特定的嵌入式SoC設計方案。例如，若SoC運用200MHz的時脈，則原本為250MHz的IP軟核應將運作時脈調整為200MHz。這種作法能減少使用面積與功耗，同時也符合相關的設計要求。

2 X0 u+ W8 T" t& z& c　低層級的I/O時序部份也可針對應用做最佳化的調整。軟核的I/O速度可配合核心所處的環境進行調整。反之，若硬核的輸出訊號較為遲緩，SoC研發人員就沒有太多可以改善這類時序問題的方法。
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& A% C0 n9 h9 z7 |　若SoC的速度、尺寸以及功耗率即為最初硬核的目標，則這套硬核就能具備競爭力。但是對大多數的設計而言，軟核較能針對特殊SoC進行最佳化調校。
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　■客製化彈性

　軟核另一項超越硬核的優勢就是：編譯當時才做客製化，在建置之前，可自行選擇許多設計選項。
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8 E2 R4 x+ k4 e( Q; d　快取記憶體大小是編譯時常見的一種客製化項目。軟核處理器讓使用者選擇其特定嵌入式系統所需的快取記憶容量。而硬核則無法進行這種客製化設定。

　許多軟核具有的另一種客製化設計就是自行定義指令集，也就是自行支援特定指令的功能。例如若SoC有特殊需要，可使用外部協同處理器，有些系統或許需要運用具有壓縮功能的指令碼，但若系統不需要這些功能時，這些多餘硬體就可從軟核中移除，以節省晶片面積與功耗。

, Q# L* Z6 K# _. R　軟核同時也有一些建置組態參數，這些特殊的客製化參數能使軟核進一步融入SoC團隊所進行的設計環境。例如，微處理器核心通常運用邏輯閘時脈電路進行建置，但這種時脈可能無法搭配部份時脈路由工具。若處理器核心有提供編譯時的設定功能，能將所有邏輯閘時脈變更成等效的再流通MUX（多工）元件，就能減少SoC團隊建置過程中所遇到的困難。

　■整合的難易度
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　除非硬核由內部研發小組所建置，否則軟核通常比較容易整合至作業流程。其原因是SoC研發團隊將在獲得授權的IP核心週圍加入各種RTL模組。此時核心就如同SoC中的其它模組，亦能採用相同的建置處理方式。

　硬核比較像一個黑箱RAM元件（black-box RAM），尤其是採用全客製化技術所建置的核心。這代表硬核供應商須提供更多的黑箱式核心模型，讓SoC研發業者能針對這些處理器設計其模組。這種流程應用難度原本就高於軟核。例如，一套全客製化的硬核可能沒有邏輯閘層級的電路清單（netlist）。這是因為設計工作是在電晶體層級中進行，並未涉及邏輯閘。但設計團隊可能需要做含有回饋（back-annotated）時序機制的邏輯閘層級功能模擬測試，此時若缺乏邏輯閘層級的電路圖就很難進行這種模擬。（本文由MIPS Technologies, Inc.提供）

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研發SoC 核心CPU技術該挑軟？選硬？(下)
8 Z8 a/ S- {. q$ K如何評估、選擇IP產品及供應商
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評估IP廠商提供的附加材料
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0 @  E8 s! [3 B0 Y# s0 ?: M$ k$ ^　高競爭力的IP軟核不僅只是一套Verilog或VHDL程式碼。同樣的，完善的硬核也不僅只是一套電路配線資料庫。現今的IP核心包含一整套的技術文件及技術支援副物，讓SoC研發團隊能將IP核心整合至設計方案中。這些附加材料就是要儘可能簡化IP整合至各個研發流程的作業。

　■技術文件
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& q. z1 H& ^5 J9 V3 B/ g# t　明確的技術文件是大多數技術產品必要的先決條件。然而，各種人士對於IP核心文件的需求差異相當大，且需要的文件數量也相當多，讓業者在提供IP核心文件時面臨極大的挑戰。
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7 d% \  x, D2 l3 K) v　每種研發作業都有不同的文件需求。例如，軟體研發人員需要瞭解硬體的撰寫特性，但可能不必瞭解硬體如何建置。因此，妥善整合的文件讓軟體研發業者能輕易找到所需的資訊，而不必逐一閱讀本身不需要的資料。
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　最後，若SoC團隊須為其SoC撰寫技術文件，則可能需重複使用到部份的IP核心文件，IP供應商應提供可編輯的文件原始檔案，並授與客戶節錄核心文件的權限。
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　■介面檢查器

' S( M/ c' r- R/ H# W) A( H　SoC團隊需做邏輯設計來與各種IP核心的訊號與通訊協定建立介面，為判斷設計是否正確，IP供應商可提供介面檢查模組，檢驗所有介面訊號與通訊協定是否正常運作。其流程可能僅是單純的確認靜態訊號沒有被改變，或是複雜到檢驗多重週期的匯流排通訊協定是否正常運作。

. q0 c; d. v3 |, J8 V　由自動檢驗特定種類介面的運作是否正確，這些檢查器能大幅節省SoC設計所耗的人力與時間。若發生錯誤的運轉動作時，檢查器應指出錯誤狀況，讓SoC設計師能輕易找到有問題的邏輯並排除故障狀況。

( R5 N/ K( k8 }/ ]6 j' W& ?, A　介面檢查器並不存在於實際的硬體中，可是必須在SoC研發環境中正確運作，也必須能輕易整合至功能模擬的流程中。

% J" C6 C7 F6 {) g　■介面規範的列表（Protocol Tabulators）

; G: y4 _; Y$ {' r, X( q( q　IP供應商可提供協助簡化介面檢驗的另一類資源就是protocol tabulator。這種模組能監視介面交易以及監看各種特殊運轉狀況。protocol tabulator能記錄所有交易類型，並回報尚未遭遇的特殊運轉狀況。IP供應商須提供一份各類特殊運轉狀況清單，以達成介面完整檢驗。
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" M; }! v, b3 |. M/ W2 n1 @　在研發階段，protocol tabulator能協助SoC團隊判斷那些特殊運轉狀況尚未進行檢驗。當研發完成後，它亦能讓SoC團隊確認已執行所有必要的特殊運轉狀況。由於IP供應商最能掌握核心介面的技術，故其特殊運轉狀況的清單會遠比SoC團隊自行擬定的還要詳盡。
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　■RAM檢查器
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1 g3 U2 ~' P) W# m; E7 q* f$ ^　若SoC團隊須編譯與整合IP核心中的RAM記憶體，過程中可能會造成某些錯誤（bug）。要找出深層嵌入的RAM所衍生的錯誤，對SoC團隊而言極為困難，因為這些問題通常需要涉及內部核心模組的訊號追蹤，而RAM檢查器就能大幅減輕此類除錯的負擔。透過迅速偵測RAM模組介面上的錯誤，SoC團隊能避免進入IP核心的內部進行除錯，並快速解決RAM內部的問題（SoC團隊應當擁有正確無誤的運作模式可供使用，以避免針對整個IP核心進行除錯。）

) {5 \7 [* `/ m/ X　■高速模擬的模型
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/ _% X2 O3 f9 T9 q% T6 S  H　對於SoC研發業者而言，運用大型IP核心中的RTL模擬整套SoC，其速度可能相當緩慢。若IP供應商能提供一套核心的快速功能模組，且能精準模擬運作時脈，則用戶將可享受更快的模擬速度、更快的除錯作業、以及使用較少份的模擬方案授權。即使是時脈不精準的模組，亦足以協助業者進行大多數的SoC研發與除錯工作。只要模組能在最後一回達到精準的時脈，快速功能模擬模組就有助於研發工作的推展。
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　■EDA工具支援

# P/ s5 d2 L  a2 m. Q/ u& y. n. K　另一項評斷核心品質優劣的標準就是EDA支援工具的廣度。由於不同研發團隊需要運用不同的工具，現今各種高階核心通常會支援各種不同的EDA工具。

! }' D! _; }8 {& A* o* X　舉例來說，即使IP核心是使用Verilog語言來設計，對於使用VHDL語言及EDA工具與技術的顧客而言，他們需要支援VHDL的方案。若核心僅提供Verilog的支援，則SoC團隊須進行繁瑣且容易出錯的轉譯過程才能使用該套核心。

　此外，IP供應商應提供不同格式的支援。不同的EDA工具可能有不同的建置規格。在上面的範例中，IP供應商不僅應為Verilog方案顧客提供Verilog RTL文件，且此文件須是針對顧客用的Verilog模擬器。否則，因模擬器的執行狀況可能與IP供應商自己測試時有所差異，顧客可能須針對Verilog模擬器衍生的問題進行除錯。

7 V% t  l; K. r　這種觀念幾乎可應用在所有的IP。對於硬核而言，這種觀念亦適用於建置階段。硬核提供的格式亦須是SoC團隊後端工具所能接受的格式。IP供應商須針對使用到的後端工具提供支援。
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( v6 P# g* K2 ]- H5 v　■EDA Scripts指令檔範例

　為協助顧客立即開始啟動各種研發作業，IP供應商應針對所支援的EDA工具提供範例指令檔（script）。IP供應商可透過這種途徑讓SoC團隊有效率地運用IP核心進行研發。指令檔可以僅是makefiles的格式，然後編譯成功能模擬器。也可以是一套複雜的指令檔，用來自動執行各種功能的重新驗證。不論是那個種類，範例指令檔幾乎永遠都是SoC研發業者最有用的工具。
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0 l* R! n; l+ r9 z' M- ?# f　對於軟核而言，合成指令範例幾乎是必要的。它們至少應包含置於最頂層的限制宣告、不符條件的false-paths、以及multi-cycle paths。可能的話，範例亦應包含種業界標準的合成技術。當然，範例指令檔若愈簡化，SoC研發業者就愈容易瞭解、修改、以及整合至其合成步驟中。
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0 w( z! L/ D; R$ u　■功能核心檢驗
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　雖然SoC研發業者不會變更IP軟核中的RTL設計內容，然而在正常的晶片開發流程中的確會變更部份的功能。變更設計功能的例子包括插入掃瞄鏈（scan-chain）、時脈緩衝、以及RAM BIST。SoC團隊須能檢驗這些變更沒有影響核心的正常運作。

　欲驗證新設計變更沒有影響到原來的設計，其中一種方法就是IP供應商提供一個能用來驗證核心是否正常運作的環境與測試方案。不幸的是，對於許多核心而言，完整的測試方案本身過於龐大，不適合作為IP核心的附加方案。因此，大多數IP供應商選擇提供部份的檢驗方案，能用來檢驗核心是否正常運作。大多數的情況下，這類子集合方案已足以用來偵測在變更後所可能衍生的任何錯誤。

( Y9 m- x; g, ]* q$ _　然而，用正規驗證工具（formal verification tool）在確保運作正常的檢驗流程會更加完整。此種工具用數學方法來證明新的設計方案與原有的核心功能相同。支援正規驗證工具讓SoC團隊不須重新執行上述的邏輯閘層級檢驗作業。

　■軟體協同開發的工具
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　針對新系統的軟體開發標準流程是先製造硬體樣本，然後再開發軟體於此一硬體上執行。在許多狀況下，這種流程會延長產品上市時程，因此軟體研發通常與硬體研發同時進行。

　研發軟體比開發硬體更需要快速的系統模擬機制。因此，IP供應商須提供極快速的IP核心功能模型。這種模型方案能提供充裕的效能以滿足低階軔體的研發需求。

　面對更快的模擬速度需求，業者有時會運用硬體邏輯模擬器，其執行速度超過純軟體模擬系統（雖然它們的速度仍比真正的硬體慢2到3級）。但眾所皆知，這些硬體模擬器很難使用，且需要進行特殊的合成。對於計畫同步研發硬體與軟體的SoC團隊而言，這方面的技術支援是IP核心的一項必備條件。

　如何評鑑IP供應商
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　市場上有許多供應IP核心的廠商。有些是剛成立的小型設計公司，有些是歷史悠久的大型公司，將IP核心視為另一種為顧客提供設計方案的新模式。不幸的是，公司的規模並不是IP核心品質的指標。SoC研發業者應瞭解供應商對IP核心產品的投入程度。
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　■是否設計成能夠重複使用？
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4 r. M' C% d% j& p  s3 |: Q7 r　例如，本身不是專門開發IP方案的供應商，其IP核心產品可能只是將原有的設計方案重新包裝而成。全心投入開發高品質核心的廠商，在從頭開始研發時就會考量重複使用的能力。本節將詳細介紹能重複使用的設計方案具有那些特徵。
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　首先需特別留意那些原始程式碼是否原本用於完全客製化的硬核，這些設計方案最初並未納入合成的考量，故比原本設計用來能夠合成的方案遜色。在開發硬核時，可根據已知的建置型態進行最佳化設計。然而，在軟核部份因尚未建置，故可能不適合採取這種方法，因為如此可能造成無法運作或次佳的建置。

7 e3 @% c2 q% Y9 Z4 Z2 J! q* o  D1 N4 u　另一項軟核的重點就是各種被登錄（registered）的介面訊號，透過將I/O存入暫存器，SoC團隊就不必擔心IP核心內部邏輯的時序限制。此外，這種作法能輕易的預測時序，並讓SoC研發業者獲得完善的時序限制環境。以上所有效益都讓SoC的研發更為容易。

# Q' G' [- U: U2 j( T　一套從頭開始研發且設計成能重複使用的軟核，本身擁有更多可設定的選項，且在建置上有更高的彈性。這類方案亦有考量須支援多重研發環境。一個設計方案若在設計時沒有納入重複使用的考量因素，就可能較缺乏功能與建置上的彈性。
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　■完整系列產品

$ w8 [% W# K: L" z. i　理想IP供應商的另一項特徵就是完整的IP核心系列方案。若您選擇軟核，請確認該公司是否提供完整的軟核方案，以支援未來產品的改良需求。若您選擇硬核，須應確認廠商是否支援所有您正使用的製程技術。

　此外，您應確認IP供應商對於未來IP核心有明確的研發方向。廠商是否計畫擴充其軟核方案？廠商對於硬核移植至新世代的製程有何規畫？
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  m  t+ q0 W) m: _1 D　■維護與支援
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# u3 U$ ?" [' J! y+ h  ^; P　IP核心亦須注重產品維護與支援的品質。尤其須注意沒有提供專屬支援服務的新公司。即使是歷史較久的企業，亦須投入專屬的資源來支援維護IP核心的機構。以下是檢驗項目的清單：

　◆廠商是否有明文記載的說明，指引顧客如何獲得專人答覆所面臨的問題
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　◆SoC團隊技術支援的收費模式？（您是否有無法獲得支援的危機？）

　◆廠商是否坦承透露其設計方案中的錯誤（bug）

* a" C! @, M* Q/ X) ~( E' T　◆廠商發佈新修正方案的頻率
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　◆IP供應商是否會發表維護版本方案，針對IP核心或其支援方案增加新的功能（例如像支援更多的EDA工具）？

　◆當提出支援要求時，廠商會如何回應

　◆支援是否過於遲緩，問題是否會因而愈來愈嚴重

　◆第一線的支援人員是否有充份的專業知識
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　在許多案例中，支援的品質並未被列為IP核心的採購決策依據。然而，當設計團隊急需協助時，不完善的支援就會成為嚴重的問題。最高品質的支援是專案成功的必要因素。

　結論

　IP核心設計是一個全新的領域。許多廠商積極搶攻這個迅速成長的市場。SoC設計業者須小心評估設計方案以及IP供應商，避免落入任何新技術經常遭遇到的陷阱。
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　對於少數正好能符合硬核設計目標的設計而言，運用最佳化的硬核是不錯的選擇。但對於大多數的設計而言，具有高彈性的軟核會是最佳的選擇。
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　◆應用最佳化

　◆自行調整編譯時間

0 L! Q# _; ^" J) l6 J. q　◆技術的獨立性

" ?+ F7 H! T0 w  [4 g　◆能輕易整合至SoC環境

" O! Q+ ^5 z% R5 b: Q( B; j5 S　技術文件與技術支援不足的IP核心，亦很難整合至SoC的開發流程中。因此，業者須注意評估IP核心的技術文件與技術支援，確認是否有支援所需的EDA工具以及所有SoC的研發流程。
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　選擇IP供應商與選擇IP核心一樣重要。專注於開發IP核心是IP供應商的必要條件。此外，SoC團隊須確認未來IP供應商是否能為其產品提供支援以及繼續推出新產品。

* E% A& p- r, W2 w& v  }　現今的SoC研發業者面臨許多挑戰。運用知名廠商提供的高品質IP核心，讓客戶能輕易克服這些挑戰。

/ h% g/ n' `# S(本文由MIPS Technologies, Inc.提供）資料來源 : digitimes