摘要：目前的系统级芯片（SoC）的尺寸和复杂性都在不断提升，通常会集成数千个知识产权（IP）模块，每个模块都包含数百万甚至数十亿个晶体管。构建这种规模和精密程度的系统，复杂程度令人咂舌。

（本文编译自Electronic Design）

目前的系统级芯片（SoC）的尺寸和复杂性都在不断提升，通常会集成数千个知识产权（IP）模块，每个模块都包含数百万甚至数十亿个晶体管。构建这种规模和精密程度的系统，复杂程度令人咂舌。

为了突破掩模尺寸的限制，并提高良率与可扩展性，目前许多设计会被分解为多个芯片或芯粒（Chiplet），这些芯粒共同在单个封装内构成多芯片系统。这种快速发展的背后，是由现代应用不断攀升的需求所驱动，它们需要更强的处理能力和更紧密的系统集成，尤其是在人工智能（AI）、机器学习（ML）和高性能计算（HPC）等领域。

另一个需要考虑的因素是，SoC包含硬件与软件组件的复杂融合，二者紧密结合以实现高性能、高效率和高灵活性。而硬件-软件接口（HSI）的物理载体，正是位于IP模块中的控制与状态寄存器（CSR）。

IP模块、SoC、芯粒及多芯片系统中CSR的数量，会根据规模和功能的不同而存在巨大差异，如一款高端SoC的CSR数量可能在20万个到500万个以上，每个CSR都包含多个字段和位。

所有这些元素的集成管理，都得益于协调且高度自动化的设计流程。随着设计复杂性的提升，对工具的需求也随之增加。这些工具需能精准对齐硬件与软件、确保一致性，并在整个系统开发过程中降低出错风险。

集成自动化挑战

用于构建SoC的大部分软IP，通常来自可信的第三方IP供应商。同样，用于搭建多芯片系统的硬IP或芯粒，则由专业厂商提供。设计团队一般会自主开发一个或多个定制化IP，这些内部设计的零件有助于让SoC或多芯片系统在竞品中形成差异化优势。

过去，IP供应商和设计团队往往会采用各自的格式、文档风格及接口定义，来呈现与IP相关的端口和寄存器数据。这些数据被存储在人工可读的文档和电子表格中，导致整个过程耗时费力、容易出错，且无法为集成自动化提供支持。

为应对集成来自多厂商及内部来源IP这一日益严峻的挑战，SPIRIT联盟在21世纪初就制定了IP-XACT标准。该联盟由ARM、楷登电子（Cadence）、西门子EDA、新思科技（Synopsys）等主流半导体与EDA企业组成。他们制定了一套基于可扩展标记语言（XML）的标准，能够以机器可读、工具无关的格式描述IP元数据，涵盖接口、内存映射、总线协议、参数及寄存器组等内容。

IP-XACT通过标准化IP描述解决了电子行业工具专有格式不兼容的问题，提升了复杂系统在多处理器、总线架构下的调试效率。

如今，该标准已被广泛用于推动集成自动化的实现。目前IP-XACT由Accellera系统计划（Accellera Systems Initiative）负责维护，该组织已吸纳SPIRIT联盟，并与电气和电子工程师协会（IEEE）及EDA供应商紧密合作，对标准进行维护与升级。

IP-XACT 2009、2014与2022版本

与所有标准一样，IP-XACT也在不断发展，其主要版本分别发布于2009年、2014年和2022年。不同的IP供应商和设计团队已采用过这些版本，部分团队至今可能仍在使用旧版本。

相较于2009版和2014版，IP-XACT 2022版则提供了更简洁直观且更完整的架构，以支持当今复杂的IP和SoC设计。作为参考，表1列出了其与2009版的高层级对比，表2则呈现了其与2014版的高层级对比。

表1：2022版与2009版的高层级对比

表2：2022版与2014版的高层级对比

不同抽象层级下的IP-XACT

“IP”一词的应用范围广泛，既可以指构成单片SoC一部分的软IP模块，也可以指由多个软IP组成的更大子系统；既可能指代芯粒形式的硬IP，甚至还可以指完整的SoC或多芯片系统。

为覆盖这一广泛范围，IP-XACT可用于构建单个IP、多IP子系统、芯粒及整个SoC的模型。以下从高层级视角，介绍其在不同抽象层级的应用方式：

IP层级：

IP-XACT最初的设计目的，是采用标准化、工具可互操作的格式来描述单个 IP模块。

该格式定义了接口、寄存器、内存映射、端口及参数。

子系统与芯粒层级：

IP-XACT可用于描述由多个相互连接的IP构成的子系统和芯粒。

能够捕捉总线定义、地址映射、互连结构及组件层级关系。

SoC 与多管芯系统层级：

SoC或多芯片系统可被描述为一个顶层组件，通过层级结构聚合低层级组件。

该格式支持在整个系统范围内定义完整的互连结构与总线。

可实现对整个设备的地址空间定义。

可包含内存映射外设的寄存器级描述。

支持多种抽象层级，如行为级视图或寄存器传输级（RTL）视图。

推动集成自动化发展

当前，全球对人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的需求持续攀升且供不应求。对此，电子行业的应对之策是研发精密复杂的SoC芯片和多芯片系统，这类产品的计算能力与性能不断提升，但相应地，其复杂程度也显著增加。

构建与单个IP及“由多个IP组成的子系统”相关的IP-XACT模型，有助于推动集成自动化进程，并加快高层级系统的验证与组装速度。

在AI与HPC需求推动下，SoC与多芯片系统的复杂度不断提升，IP集成效率成为行业突破关键。面对设计团队“短时间集成多功能”的压力，以及多来源IP格式不统一、CSR数量庞大等挑战，IP-XACT标准从2009年迭代至2022年，以标准化、机器可读的XML格式解决了IP描述兼容难题，还能覆盖IP、子系统、SoC等多抽象层级。未来，依托IP-XACT模型构建与自动化工具应用，将进一步加速复杂系统验证与组装，助力电子行业应对高复杂度设计挑战。

来源：王树一一点号