转——软核与硬核的优缺点比较

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转——软核与硬核的优缺点比较　

# Q# |1 @& N+ H/ W) r* z效能
) \) x8 w9 @. f　　由于软核并未完成建置（Implement），故比硬核在功能与建置方面拥有更高的弹性。另一方面，因为这些核心会被应用在许多设计方案中，所以硬核研发业者能花更多的时间针对其建置作业进行最佳化。因此一般人都有硬核能提供较高效能的成见。

　　事实上，针对大多数先进制程所设计的完全客制化高阶硬核，的确提供比软核更优越的效能。由运用latch（拴锁）型开关电路、动态逻辑、三相讯号、客制化内存等组件，完全客制化可达到超越完全静态合成设计方案的效能。对于需要超越现有制程与研发技术效能极限的SoC而言，完全客制化的硬核较能满足其需求。

　　但若效能目标落在软核的支持范围内，则硬核的优势就无关紧要。SoC研发团队可利用软核先天俱有的弹性满足其效能目标（随着制程技术持续改进，软核的最高频率亦会随之提高，让它们成为更多SoC设计方案的理想选择。）

! T" M1 o; A& \! {; F7 \# A　　即使在较低的频率频率下，硬核亦能提供硅组件空间上的优势。但这种优势并非永远存在。通常硬核运用ASIC型态的设计技术进行硬型化（hardened），这种流程无法在速度上产生优势。在其它方面，完全客制化的核心无法针对每个制程世代重新进行最佳化调校，因而消弭在频率与尺寸上的优势。

8 q7 [7 W0 C9 N　　制程技术独立性与移植弹性
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　　软核的其中一项优点就是制程技术独立性。高阶的Verilog或VHDL程序不需要运用某一特定的制程技术或标准的单元库（cell library）。这意谓同一套IP核心可重复应用在多种设计，或是未来新世代的设计方案中。（部份软核IP供货商开发出针对特定制程的方案，让其核心不具制程技术的独立性，但这种模式的优点尚不明确）。
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　　另一方面，硬核则具有相当高的制程技术特定性。事实上，若晶圆厂商变更其制程参数或单元库变量（cell library factor），硬核有可能就无法正常运作。因为IP供货商在制程参数改变后，须重新检验硬核，所以这种特性即衍生出运用上的风险。
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　　硬核可移植到新的制程技术，但须投入相当可观的心力与成本来重新进行最佳化调校。对于某些先进的微处理器核心而言，须耗费两年甚至更长的时间。因此，硬核的尺寸通常会针对新制程等比例缩小。这种方法虽简单且迅速，但可能减低研发团队针对最初制程进行的最佳客制化效益。

8 E( ]. W1 P# F7 g8 c! G, }5 e* z　　此外，光学等比例缩小的作法会衍生额外的风险，因为它仅保证新设计能符合设计规则，但不保证正确的时序或功能。由于光学比例缩小是超快捷方式式的设计模式，故业者在重新检验这类IP核心时会面临很大的困难。
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事实上，软核可能是针对单一制程技术与单元库为设计依据，设计本身与此一技术无关。针对制程技术与单元库提供最佳的效能，类似的技术可能达到接近最佳化的成效，但是差异性较大的技术（例如搭配速度较慢的RAM）可能就无法达到相同的结果。此种现象并非绝对重要，所以软核在最佳化的弹性方面优于等比例光学缩小的硬核。

　　速度╱尺寸╱功耗最佳化调校

. e9 [/ J+ V; K* N6 O- S& q$ w+ @　　硬核在IP供货商进行建置时已做了一次最佳化。因核心仅进行一次最佳化，故IP供货商可投入较多的资源。因此，硬核的速度通常高于采用相同建置技术的软核。即使运用单一技术，硬核仅是锁定一个最佳化目标。若希望在合理的效能下降低芯片使用面积，则进行大幅效能最佳化的硬核，其面积可能过大。
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　　相反的，软核能进行「应用最佳化」的调校。时序、尺寸以及功耗率目标可机动的调整，以配合特定的嵌入式SoC设计方案。例如，若SoC运用200MHz的频率，则原本为250MHz的IP软核应将运作频率调整为200MHz。这种作法能减少使用面积与功耗，同时也符合相关的设计要求。
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# R! }, `6 N9 v1 \8 ^/ O) a　　低层级的I/O时序部份也可针对应用做
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最佳化的调整。软核的I/O速度可配合核心所处的环境进行调整。反之，若硬核的输出讯号较为迟缓，SoC研发人员就没有太多可以改善这类时序问题的方法。　　若SoC的速度、尺寸以及功耗率即为最初硬核的目标，则这套硬核就能具备竞争力。但是对大多数的设计而言，软核较能针对特殊SoC进行最佳化调校。

! O  z3 x3 M; n: k　　客制化弹性
% z  M* j5 q- ?% s7 E2 I: r; F　　软核另一项超越硬核的优势就是：编译当时才做客制化，在建置之前，可自行选择许多设计选项。
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; D; k% z" v* f3 b8 }　　高速缓存大小是编译时常见的一种客制化项目。软核处理器让使用者选择其特定嵌入式系统所需的快取记忆容量。而硬核则无法进行这种客制化设定。
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( J. J' o# Q' Y. N3 _2 ~9 A9 Y　　许多软核具有的另一种客制化设计就是自行定义指令集，也就是自行支持特定指令的功能。例如若SoC有特殊需要，可使用外部协同处理器，有些系统或许需要运用具有压缩功能的指令码，但若系统不需要这些功能时，这些多余硬件就可从软核中移除，以节省芯片面积与功耗。

( m( W( L6 t7 F; J　　软核同时也有一些建置组态参数，这些特殊的客制化参数能使软核进一步融入SoC团队所进行的设计环境。例如，微处理器核心通常运用逻辑闸频率电路进行建置，但这种频率可能无法搭配部份频率路由工具。若处理器核心有提供编译时的设定功能，能将所有逻辑闸频率变更成等效的再流通MUX（多任务）组件，就能减少SoC团队建置过程中所遇到的困难。

. O* ?) U" M7 S　　整合的难易度
　　除非硬核由内部研发小组所建置，否则软核通常比较容易整合至作业流程。其原因是SoC研发团队将在获得授权的IP核心周围加入各种RTL模块。此时核心就如同SoC中的其它模块，亦能采用相同的建置处理方式。

; Q9 U# y: i2 d( R( ~　　硬核比较像一个黑箱RAM组件（black-box RAM），尤其是采用全客制化技术所建置的核心。这代表硬核供货商须提供更多的黑箱式核心模型，让SoC研发业者能针对这些处理器设计其模块。这种流程应用难度原本就高于软核。例如，一套全客制化的硬核可能没有逻辑闸层级的电路清单（netlist）。这是因为设计工作是在晶体管层级中进行，并未涉及逻辑闸。但设计团队可能需要做含有回馈（back-annotated）时序机制的逻辑闸层级功能仿真测试，此时若缺乏逻辑闸层级的电路图就很难进行这种模拟。

' Q+ T- s* h4 w6 Q 软核通常以可综合的HDL提供，因此具有较高的灵活性，并与具体的实现工艺无关，其主要缺点是缺乏对时序、面积和功耗的预见性。由于软核是以源代码的形式提供，尽管源代码可以采用加密方法，但其知识产权保护问题不容忽视。硬核则以经过完全的布局布线的网表形式提供，这种硬核既具有可预见性，同时还可以针对特定工艺或购买商进行功耗和尺寸上的优化。尽管硬核由于缺乏灵活性而可移植性差，但由于无须提供寄存器转移级(RTL)文件，因而更易于实现IP保护。                                                               
    固核则是软核和硬核的折衷。大多数应用于FPGA的IP内核均为软核，软核有助于用户调节参数并增强可复用性。软核通常以加密形式提供，这样实际的RTL对用户是不可见的，但布局和布线灵活。在这些加密的软核中，如果对内核进行了参数化，那么用户就可通过头文件或图形用户接口(GUI)方便地对参数进行操作。对于那些对时序要求严格的内核(如PCI接口内核)，可预布线特定信号或分配特定的布线资源，以满足时序要求。这些内核可归类为固核，由于内核是预先设计的代码模块，因此这有可能影响包含该内核的整体设计。由于内核的建立(setup)、保持时间和握手信号都可能是固定的，因此其它电路的设计时都必须考虑与该内核进行正确地接口。如果内核具有固定布局或部分固定的布局，那么这还将影响其它电路的布局。

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