王  東1，2，陳  嵐1，2，馮  燕1，2

       1.中國科學院微電子研究所，北京100029；2.三維及納米集成電路設計自動化技術北京市重點實驗室，北京 100029

       摘  要：基于軍用IP核標準體系現(xiàn)狀，結合現(xiàn)有標準對于軍用IP核的適用性，針對軍事應用的需求和特點，研究分析了軍用IP核的交付項要求、質量評測、測試方法學、可靠性試驗和檢驗等關鍵共性技術，為制定和完善軍用IP核標準體系提供參考建議和技術指導。

　　關鍵詞： 軍用IP核；標準體系；共性技術

　　中圖分類號： TN401文獻標識碼： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.006

　　中文引用格式： 王東，陳嵐，馮燕. 軍用IP核標準體系關鍵共性技術分析[J].電子技術應用，2016，42(9)：24-28.

　　英文引用格式： Wang Dong，Chen Lan，F(xiàn)eng Yan. Analysis of key common technologies in military IP core standards system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：24-28.

0 引言

　　片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）芯片在性能、功耗以及成本等方面具有優(yōu)勢，成為當今集成電路設計技術及產品創(chuàng)新的主流，可以有效滿足軍事裝備電子系統(tǒng)多功能、小型化的發(fā)展需求[1]。知識產權（Intellectual Property，IP）核及其復用技術是SoC設計的基礎，使用IP核能夠降低SoC產品的設計風險，縮短開發(fā)周期。

　　標準作為引領和支撐先進技術應用的重要手段，是技術發(fā)展水平的集中體現(xiàn)，對技術產業(yè)的發(fā)展具有十分重要的影響和作用。在軍用產品研發(fā)過程中，可以將高技術指標、成熟工藝及過程控制等先進技術固化成標準，使標準充分體現(xiàn)軍事需求，并指導后續(xù)產品的研制生產[2]。針對軍事應用的需求和特點，充分利用現(xiàn)有的民用科技成果和成熟技術，結合國內外行業(yè)標準對于軍用IP核的適用性，總結和分析軍用IP核的關鍵共性技術，構建統(tǒng)一完備、科學合理的軍用IP核標準體系，可以為IP核的開發(fā)提供技術規(guī)范和標準指導，保障IP核的質量與可靠性，形成軍用IP核準入機制，促進軍用IP核的自主可控和推廣應用。

1 IP核標準體系現(xiàn)狀

　　目前IP核產業(yè)發(fā)展非常迅速，IP核的來源較為豐富，許多企業(yè)、機構在大力開發(fā)相關的技術和產品。例如，企業(yè)自主研發(fā)積累IP核，這些IP核往往是由內部開發(fā)的IC芯片改進而成，具備了IP核的基本特征；設計服務公司專門提供不同形式、功能、層次的IP核；EDA工具公司利用技術和工具優(yōu)勢開展IP核業(yè)務；Foundry廠商也在推廣IP核，這些IP核通常與生產工藝緊密相關。此外，還有專業(yè)的IP核交易平臺構建了IP核庫，為IP核檢索、轉讓提供渠道和途徑。不同來源的IP核在文檔結構、數(shù)據(jù)格式以及信息描述的詳細程度等方面存在著差異，影響著IP核的轉讓交易與集成應用，因此IP核的標準化顯得尤為重要。

　　在IP核的標準化進程中，虛擬插座接口聯(lián)盟(Virtual Socket Interface Alliance，VSIA)起到了很大的推動作用。VSIA成立于1996年，是最早開展IP核標準制定的國際組織，其成果形式分為規(guī)范(Specifications)、標準(Standards)、技術文檔(Technical Documents)。VSIA在2008年停止運作，把一些尚在運行的工作移交給其他產業(yè)組織。VSIA標準為IP核的開發(fā)、集成和復用提供了技術方案，對于IP核的復用設計和交付使用具有指導意義。

　　除了VSIA，國際上還有其他一些組織，如SPIRIT、OCP-IP等，也在IP核標準領域做了大量有益的工作。2006年，中國集成電路IP核標準工作組(IP Core Group，IPCG)在參考VSIA相關標準的基礎上，編制了11項電子行業(yè)標準化指導性技術文件，內容與VSIA基本一致。

　　雖然IP核標準化取得了一定進展，但是標準被認可接受的程度有待提升，推廣應用還存在諸多問題。例如，VSIA標準對設計方法學的描述較多，制定的標準“過于抽象化，缺乏具體性”，沒有一個可以供IP核設計者參考的設計流程[3]。一些具有技術優(yōu)勢和行業(yè)影響力的企業(yè)采用的IP核開發(fā)流程以及配套的交付模式，幾乎形成了一種事實標準，行業(yè)組織推出的標準很難在這些企業(yè)內部推廣。

　　目前，IP核在軍事領域的應用越來越多，但是相關的軍用標準非常匱乏，在一定程度上影響了IP核技術在軍用方面的應用和推廣。行業(yè)組織推出的標準主要面向民用領域，雖然對于軍用IP核的開發(fā)和使用具有一定的參考價值，但是由于軍用IP核的特殊應用場景，對可靠性、安全性、環(huán)境適應性等方面的要求非常高，所以對這些標準只能合理借鑒而不能簡單照搬[4]。

　　軍用IP核標準對于研發(fā)自主可控的IP核具有重要意義，構建軍用IP核標準體系勢在必行。根據(jù)軍用IP核開發(fā)的實際需求和交易機制的特點，建議將軍用IP核標準體系分為兩大類，一類是以關鍵技術為核心的基礎標準，一類是以具體IP核產品為核心的產品規(guī)范[5]，如圖1所示。

　　目前，已經發(fā)布實施的《軍用集成電路IP核通用要求》（標準號GJB 7715-2012）是基礎標準，規(guī)定了軍用集成電路IP核的設計、驗證、實現(xiàn)、檢驗、交付等要求，適用于軍用集成電路IP核的開發(fā)、轉讓和集成過程。

2 關鍵共性技術分析

　　2.1 交付項要求

　　IP核的交付項承載了IP核不同層次的描述信息和特征化的屬性規(guī)定，在表現(xiàn)形式上可分為文檔交付項、數(shù)據(jù)交付項。確定IP核的交付項要求時，應以應用為導向，為IP核用戶提供使用IP核的必要信息。

　　2.1.1 強制類型

　　根據(jù)IP核交付項的重要程度，其強制類型可分為強制、條件強制、推薦、條件推薦等4類。由于IP核種類繁雜、功能多樣、規(guī)模各異，制定IP核交付項要求時，應保持交付項內容統(tǒng)一連貫，避免交叉重復，遵循“最小子集”原則，即：對于IP核應具備的充分而必要信息，如果缺失就會影響IP核的正常應用，則要求強制交付；而對于IP核的某些信息，若缺失，不會影響IP核的正常應用，但是若具備，有利于對IP核的了解和使用，則建議推薦交付。

　　強制交付項是IP核集成應用的基本要求，也是IP核交付項的核心所在。強制交付項是一個相對固定的集合，比較容易界定，而推薦交付項的范圍難以收斂，即使對于同一類IP核，由于可能的應用方向和領域不同，IP核用戶期望的推薦交付項內容必定會有所差異，所以很難列出所有的推薦交付項。是否提供推薦交付項，可以認為是IP核開發(fā)者的一種自發(fā)行為，能夠提供多少推薦交付項，則是IP核開發(fā)者研發(fā)能力的一種體現(xiàn)。推薦交付項是IP核質量評測的加分項，該項內容越豐富，越有助于IP核的集成應用，能有效提升IP核的用戶體驗效果。

　　2.1.2 文檔交付項

　　由于不同種類IP核之間的差異很大，文檔交付項應具備的內容千差萬別。在IP核標準制定過程中，應重點對文檔的強制類型和必要的基本內容進行約束。對于文檔的編制方式、撰寫風格以及內容的豐富程度，很難精確量化和細化，因此不做具體要求。文檔交付項雖然不直接用于IP核的集成應用流程中，但是對于深入理解和順利應用IP核具有重要的指導意義。結構合理、層次明晰、詳細規(guī)范的文檔交付項是成熟IP核的必要條件，文檔交付項的完備程度直接影響到IP核的應用效果。目前國內的技術人員往往“重設計、輕文檔”，反復的設計迭代和修改往往容易忽略文檔工作的完善。為降低技術風險、統(tǒng)一設計狀態(tài)、避免無效的資源和時間開銷、降低人為因素在項目開發(fā)過程中的差異性影響、保障研發(fā)各環(huán)節(jié)的可追溯性，在研發(fā)的各個階段必須提供各種文檔輸出，并進行統(tǒng)一的管理和歸檔[6]。

　　IP核文檔交付項一般包括功能手冊、驗證手冊、應用手冊、交付項清單以及目錄結構文件等，必要時還需要提供測試手冊。需要說明的是，設計手冊涉及IP核開發(fā)的內部細節(jié)，考慮到知識產權保護以及IP核交易的實際需求，對IP核設計手冊不做交付要求，由交易雙方另行約定。

　　以硬IP核為例，GJB 7715給出的文檔交付項列表如表1所示。

　　2.1.3 數(shù)據(jù)交付項

　　數(shù)據(jù)交付項是IP核特征化的重要載體，其中的應用信息與EDA工具有很大的關聯(lián)性，數(shù)據(jù)格式很多是由主流EDA工具廠商定義的，在IP核在開發(fā)以及集成過程中，需要借助不同的EDA工具完成各種數(shù)據(jù)格式的生成與使用。

　　對于不同類型的IP核，由于實現(xiàn)方式和應用環(huán)境的不同，數(shù)據(jù)交付項的內容不盡相同，可以根據(jù)IP核的開發(fā)、應用流程對交付項進行細分歸類。例如，在GJB7715中，硬IP核的數(shù)據(jù)交付項分為功能驗證交付項、時序分析交付項、物理設計交付項、物理驗證交付項、硅驗證交付項、系統(tǒng)應用交付項等。以物理設計交付項為例，其要求如表2所示。

　　數(shù)據(jù)交付項與文檔交付項的區(qū)別在于兩者的目的和作用不同。文檔交付項的目的是說明和指導，從文字形態(tài)上對IP核的功能、驗證、應用等信息進行詳細的描述，用于指導IP核的集成應用。數(shù)據(jù)交付項的作用是證明與應用，通過一些過程文件或者結果報告，證明IP核的具體實現(xiàn)和實際性能，而邏輯設計或者數(shù)據(jù)模型可以應用于IP核的集成流程中。

　　軍用IP核的交付項要求可以參照和借鑒VSIA和中國集成電路IP核標準化工作組發(fā)布的標準，在合理引用的基礎上進行適當修改，廣泛征求IP核研制單位和用戶單位的意見，使之形式上符合國家軍用標準編寫規(guī)定，內容上體現(xiàn)軍用IP核自主可控的特殊要求。

2.2 質量評測

　　軍用IP核質量評測對于保證IP核開發(fā)質量具有重要意義。GJB 7715規(guī)定，IP核開發(fā)者在交付IP核之前，應向評測機構提出質量評測申請。為了保證IP核質量評測的客觀性、公正性和可靠性，可以借鑒民用領域的研究成果，引入第三方質量評測機制，構建專業(yè)獨立的第三方質量評測平臺。

　　國際上影響較大的IP核質量評測方法是VSIA發(fā)布的QIP（Quality IP）度量工具。QIP由交互式的電子數(shù)據(jù)表組成，從IP核集成評估、IP核開發(fā)評估、IP核供應商評估3個方面對IP核打分。2007年，QIP移交給IEEE DASC（Design Automation Standards Committee），后來形成IEEE 1734-2011標準。QIP對于IP核質量評測研究具有啟發(fā)意義，很多相關的研究借鑒了QIP的方法和思路。但是，QIP存在著一些不足，例如問題設置過于抽象，主觀評測所占比重較大，實用性不強[7]。

　　目前國內IP核質量評測研究主要集中在民用領域，在評測方法和流程方面取得了一定進展，但是實際應用還存在著局限。例如，生成的質量評測報告比較粗略，不同IP核之間的質量區(qū)分度不明顯，難以真正反映IP核質量的特征和差異。評測案例不具有普適性，不能適應規(guī)模化、規(guī)范化的IP核質量評測需求。

　　在IP核質量評測的具體操作流程中，可以采取主客觀結合的質量評測方式。主觀質量評測根據(jù)IP核“是否”具備特征屬性或者符合期望要求，結合相應的權重分配，給出評分或等級。客觀質量評測一般是在EDA工具環(huán)境下驗證IP核數(shù)據(jù)的真實性和有效性，對IP核開發(fā)過程中形成的設計數(shù)據(jù)和支持文件進行確認。為了在實際條件和集成環(huán)境下考察IP的質量，可以考慮將硅驗證、應用驗證等內容納入客觀質量評測的范疇[8]。

　　對于不同種類、不同形態(tài)的IP核，質量評測具體的實現(xiàn)方法和操作流程差異較大，需要不斷積累經驗和技術，提高質量評測的應用能力和實際效果，對IP核的質量評測結果進行客觀定性、準確定量，為IP核用戶評估、選用IP核提供參考，同時為IP核開發(fā)者提供反饋意見和改進建議，引導IP核開發(fā)者有意識實現(xiàn)開發(fā)過程中的質量控制與保證。

2.3 測試方法學

　　測試是確定或評估電路功能和性能的重要方式，對于驗證設計、保證質量、分析失效以及指導應用具有重要意義[9]。

　　傳統(tǒng)的板上系統(tǒng)(System-on-Board)和SoC設計具有很強的功能相似性，但是兩者之間的測試方法非常不同。對于板上系統(tǒng)，IC提供者對系統(tǒng)中IC元件的設計、制造和測試負責，而系統(tǒng)集成者一般只需關心IC元件之間的互連。在SoC設計流程中，交付使用的IP核僅僅是一個模型，不可能在此階段進行制造測試。因此，系統(tǒng)集成者不僅需要負責IP核之間的互連邏輯測試，還要關注IP核自身的獨立測試[10]。

　　IP核獨立測試是IP核流片制造后進行的測試，用于表征IP核本身的性能。在GJB 7715編制過程中，征求IP核研制單位和用戶單位意見時，對于IP核獨立測試與傳統(tǒng)IC芯片測試之間的區(qū)別和聯(lián)系討論較多。基于現(xiàn)有的技術能力和條件，IP核的獨立測試一般采用傳統(tǒng)IC芯片的測試方法和流程。然而，由于IP核的交付形態(tài)、屬性特征以及應用方式均有別于IC芯片，IC芯片測試方法在反映和呈現(xiàn)IP核真實性能方面存在著一定的局限。例如，封裝測試時的封裝引腳、寄生參數(shù)以及測試板等，裸片測試過程中測試儀器的去嵌入、校準等，這些因素會影響IP核的測試性能。如何去除這些影響因素，或者對其進行建模分析，擬合測試結果與模型參數(shù)，從而得到真實的性能，目前還沒有很好的解決方案。另外，IP核的集成環(huán)境與測試環(huán)境之間的差異也影響測試結果的適用性。

　　除了IP核自身的獨立測試外，由于IP核嵌入SoC后失去了可觀測性和可控制性，IP核測試還需要考慮IP核與用戶自定義邏輯或其他IP核的測試連接方法，即IP核/SoC協(xié)同測試，以實現(xiàn)測試復用和測試資源共享。IP核/SoC協(xié)同測試中，與SoC相關的問題，如測試訪問機制、測試調度策略等，由SoC設計者解決。為了支持IP核/SoC協(xié)同測試，IEEE 1500是一個可行的技術備選方案，其定義了一種可擴展的通用測試結構，允許IP核的模塊化測試開發(fā)、測試復用以及外圍邏輯測試。IEEE 1500測試外殼(Wrapper)可以配合IEEE 1450.6芯核測試語言(Core Test Language，CTL)使用，為測試隔離、訪問和控制等機制提供基礎。IEEE 1500現(xiàn)在只適用于數(shù)字IP核，暫不支持模擬IP核測試。

　　目前國內與IP核測試有關的標準主要是IPCG編制的《集成電路IP核測試數(shù)據(jù)交換格式和準則規(guī)范》(SJ/Z 11352-2006)。SJ/Z 11352包括了IP核測試交付項規(guī)范、IP的隔離和DFT指導原則等內容，側重于IP核測試方法學描述，不能直接滿足IP核測試的實際需求。SJ/Z 11352面向的是民用領域IP核，缺乏對測試環(huán)境、測試約束的詳細規(guī)定，難以適應軍用領域對于測試安全性、可靠性等方面的要求[4]。

　　在軍用領域中，現(xiàn)在還沒有專門針對IP核測試的標準或者規(guī)范，只是在軍用IP核基礎標準中對IP核的測試方案、測試環(huán)境等提出了總體要求，IP核測試信息主要體現(xiàn)在硅驗證交付項中。例如，GJB 7715要求硬IP核必須進行硅驗證，強制交付測試手冊、測試報告等；推薦對軟IP核進行硅驗證，測試結果可以作為軟IP核應用成熟度、質量評測的參考信息和證明材料。此外，軍用IP核宜支持可測試性設計(如掃描測試、內建自測試等)，保證IP核集成后的可測試性，建議考慮IP核與SoC之間的協(xié)同測試性。

　　軍用IP核基礎標準沒有明確規(guī)定IP核測試的具體方法和流程，需要制定IP核測試的詳細規(guī)范，明確不同種類、功能IP核的測試方法，用于指導IP核測試。

2.4 可靠性試驗和檢驗

　　可靠性試驗和檢驗是為了確保提交的產品符合規(guī)范要求。在目前的國軍標體系中，與集成電路可靠性試驗和檢驗有關的主要標準見表3。

　　軍用集成電路與民用產品的重要區(qū)別在于，軍用集成電路按照GJB 597A規(guī)定進行質量等級劃分，并根據(jù)相應的質量等級要求進行可靠性試驗和檢驗。質量等級是軍用集成電路質量特性的量化指標，也是軍用集成電路在生產、試驗及檢驗過程中執(zhí)行不同質量控制要求的體現(xiàn)和重要依據(jù)。GJB 597A規(guī)定的有關試驗和檢驗主要包括篩選、鑒定和質量一致性檢驗。通過100%篩選盡可能地剔除早期失效芯片，篩選合格后的產品需要按照質量等級要求抽樣進行鑒定和質量一致性檢驗[11]。

　　GJB 597A、GJB 548B主要針對微電子器件和小規(guī)模集成電路，GJB 2438A面向混合集成電路、多芯片組件，這些標準的適用范圍難以涵蓋日新月異的技術發(fā)展要求。IP核在規(guī)模、種類以及功能等方面已經與傳統(tǒng)微電子器件、IC芯片產生了很大差異，軍用IP核的可靠性技術面臨著挑戰(zhàn)：電性能的不可測性、環(huán)境與機械試驗的不可模擬性、傳統(tǒng)試驗方法的不適應性等[12]。

　　IP核進行可靠性試驗和檢驗時，需要流片制造得到實物樣本。所有用于檢驗的樣本在適當封裝后，應進行封裝檢查，剔除由于封裝引起的失效樣本。所有IP核樣本都應進行篩選，通過計算相應的允許不合格品率（PDA），判斷檢驗批的質量水平，決定接收與拒收。IP核樣本完成規(guī)定的篩選要求之后，應從組合好的檢驗批或檢驗子批中隨機抽取樣本進行后續(xù)的鑒定和質量一致性檢驗。

　　IP核鑒定是對樣品進行的一系列完整的檢驗，根據(jù)不同需要對樣品質量進行全面考核，目的在于確定IP核是否符合規(guī)范要求。質量一致性檢驗是以逐批檢查為基礎，對IP核主要質量指標進行考核，用于確定IP核在生產制造中能否保證質量持續(xù)穩(wěn)定[13]。GJB 548B規(guī)定了鑒定和質量一致性檢驗程序，以保證器件和批的質量符合有關訂購文件的要求。A、B、C、D和E組試驗和檢驗的全部要求，用于器件的初始鑒定、產品和工藝發(fā)生變化時的重新鑒定以及保持合格資格的周期試驗。在GJB 548B基礎上，可根據(jù)實際情況適當選擇使用各組試驗，保留與IP核設計相關的試驗（如電測試、穩(wěn)態(tài)壽命），刪去環(huán)境試驗和機械試驗中不適用的內容。需要注意的是，在軍用IP核基礎標準和產品規(guī)范中，規(guī)定的試驗是必要但不充分的，不排除應用于特殊環(huán)境下的IP核所要求的或為使檢驗結果更好而進行的附加檢驗。

　　目前國內軍用IP核還沒有專門的可靠性試驗和檢驗標準，可以參考借鑒國軍標體系要求，結合IP核產品的小批量和需求不連續(xù)等特點，提取適用于IP核的方法和程序，制定相應的詳細規(guī)范，完善軍用IP核標準體系。

3 結論

　　針對軍用IP核標準體系現(xiàn)狀，本文分析了軍用IP核標準面臨的問題以及構建軍用IP核標準體系的必要性，根據(jù)軍用IP核的開發(fā)過程和應用需求，從交付項要求、質量評測、測試方法學、可靠性試驗和檢驗等方面研究和探討了軍用IP核的關鍵共性技術與標準規(guī)范，為制定和完善IP核標準體系提供參考建議和技術指導，從而為我國軍用IP核產業(yè)的發(fā)展提供標準支撐。

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