文 章 導(dǎo) 讀

在本公眾號(hào)前面一期的文章中，本文作者首次提出一個(gè)新的概念：Si3P，用于加深對(duì)SiP含義的理解，其目的是為了使讀者更為深入，更為全面、更為系統(tǒng)化地理解SiP中包含的相關(guān)技術(shù)。在這篇文章中，作者就Si3P中的intelligence做詳細(xì)解讀，是為深入解讀Si3P的第三篇文章。

前面兩期文章，關(guān)于Si3P中的 integration?和interconnection做了詳細(xì)的解讀，文章受到了許多讀者的歡迎和肯定，這里，我們對(duì)Si3P中的intelligence做詳細(xì)解讀。intelligence中文翻譯為智能、智慧。智能，通常認(rèn)為是智力和能力的總稱。從感覺-->思維-->記憶這一過程，稱為智力，智力結(jié)果產(chǎn)生了行為和語(yǔ)言，將行為和語(yǔ)言的表達(dá)過程稱為能力，兩者合稱智能。將感覺、思維、記憶、行為、語(yǔ)言的整個(gè)過程稱為智能過程，它是智力和能力的表現(xiàn)。參看下面兩張圖，我們可以將智能（智力 能力）和“智能系統(tǒng)”做對(duì)應(yīng)的理解。從智力所包含的感覺、思維、記憶來說，可對(duì)應(yīng)與智能系統(tǒng)的傳感器、處理器、存儲(chǔ)器。能力包含的行為和語(yǔ)言對(duì)應(yīng)智能系統(tǒng)的“硬件執(zhí)行”和“軟件執(zhí)行”，簡(jiǎn)稱為硬件和軟件。

從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來描述：智力更強(qiáng)調(diào)【輸入 運(yùn)算 存儲(chǔ)】，而能力則強(qiáng)調(diào)【執(zhí)行 輸出】。對(duì)于實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)平臺(tái)的SiP來說，一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的系統(tǒng)，一個(gè)工作可靠的系統(tǒng)，一個(gè)功能完備的系統(tǒng)是我們?cè)O(shè)計(jì)的目的。
對(duì)于一款SiP，結(jié)構(gòu)合理可以從integration（2D、3D）著手，工作可靠則重點(diǎn)關(guān)注interconnection（電磁、熱、力），而功能完備性是我們現(xiàn)在需要討論的智能化intelligence 。
我們分四個(gè)方面對(duì)SiP的功能完備性、智能性（intelligence）進(jìn)行討論：

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系統(tǒng)功能定義

（Function definition of System）

• 輸入 運(yùn)算 存儲(chǔ)；執(zhí)行 輸出

前面我們了解過，對(duì)于智能系統(tǒng)來說，需要包含輸入、運(yùn)算、存儲(chǔ)、執(zhí)行、輸出。SiP可以作為獨(dú)立的智能系統(tǒng)，或者作為智能系統(tǒng)的一部分。很多情況下，并非我們?cè)O(shè)計(jì)的SiP本身就成為一個(gè)完整的智能系統(tǒng)，而是需要和其它系統(tǒng)一起協(xié)作而最終成為完備的智能系統(tǒng)。

SiP作為智能系統(tǒng)的一部分，隨著系統(tǒng)對(duì)智能化的要越來越高，SiP也需要具備智能化的元素，從智能化的角度去考慮SiP的研發(fā)和設(shè)計(jì)。如果一個(gè)SiP要成為一個(gè)完整的智能系統(tǒng)，則需要包含輸入、運(yùn)算、存儲(chǔ)、執(zhí)行、輸出等單元。這樣的SiP就需要配備有傳感器、CPU、存儲(chǔ)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸出接口等，以及相配套的軟件，才能成為真正的智能系統(tǒng)。

• 功能的合理裁剪

如果是多顆SiP配合工作形成完整的智能系統(tǒng)，例如有封裝了多種傳感器的SiP，配合封裝了CPU 存儲(chǔ)器的SiP，配合封裝了視頻、音頻輸出單元的SiP等，可以組合形成相對(duì)完備的智能系統(tǒng)?，F(xiàn)在的智能手機(jī)里面集成了多顆SiP，它們相互配合，并和其它的單元一起成為智能系統(tǒng)。SiP通常不會(huì)和最終客戶直接打交道，所以，SiP的智能性主要體現(xiàn)在作為智能單元，并成為智能系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。在設(shè)計(jì)一顆SiP的時(shí)候，根據(jù)其實(shí)際的使用情況，對(duì)其功能進(jìn)行合理的裁剪，既要考慮其功能的完備性、智能性，同時(shí)也要考慮系統(tǒng)過于復(fù)雜后帶來的風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)其功能進(jìn)行合理的裁剪，多顆SiP一起構(gòu)成完備的智能系統(tǒng)。

• 解決兼容性問題

兼容性是在SiP設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的，從處理器型號(hào)的選擇到封裝引腳功能的定義，以及封裝類型的選擇，都需要考慮兼容性問題，因?yàn)镾iP作為智能系統(tǒng)的組成部分，需要和其它單元一起配合工作。此外，兼容性好的SiP也會(huì)使其使用者工作效率更高，也更容易為市場(chǎng)所接受。
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產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景

（Product application scenarios）

在SiP產(chǎn)品研發(fā)中，要充分考慮產(chǎn)品最終應(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用環(huán)境的需要，并在設(shè)計(jì)中采用相應(yīng)的策略。

例如，應(yīng)用在深空探測(cè)的宇宙飛船或者衛(wèi)星中的SiP，需要考慮空間環(huán)境中工作的可靠性，除了采用輻照性能好的芯片，還需要在設(shè)計(jì)中采用諸如三模冗余等設(shè)計(jì)方法。此外，由于深空探測(cè)距離遠(yuǎn)，無法及時(shí)和地球進(jìn)行通信，需要其系統(tǒng)的處理能力足夠強(qiáng)，遇到緊急情況可自主決策，如果SiP是作為主控計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)則需要有足夠強(qiáng)大的處理器來進(jìn)行自主決策。

如果一顆SiP是應(yīng)用在智能手機(jī)中，其設(shè)計(jì)思路則會(huì)完全不同，除了功能強(qiáng)大以滿足智能手機(jī)的各種APP需求外，還需要考慮低功耗設(shè)計(jì)，使手機(jī)有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

如果一顆SiP是應(yīng)用在智能汽車中，其要求又會(huì)有所不同，因此，設(shè)計(jì)師同的設(shè)計(jì)思路同樣需要相應(yīng)的調(diào)整。

......

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測(cè)試和調(diào)試

（Testing and Debugging）

一般情況下，測(cè)試是去發(fā)現(xiàn)可能潛在的問題，調(diào)試是想辦法解決已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題。

一顆SiP，其測(cè)試和調(diào)試時(shí)間可能需要占其研發(fā)時(shí)間的一半以上。

測(cè)試的種類很多，包括功能測(cè)試、性能測(cè)試，以及機(jī)械強(qiáng)度、熱沖擊、掃頻震動(dòng)、恒定加速度等測(cè)試，還包括老練試驗(yàn)、ESD試驗(yàn)、抗輻照試驗(yàn)等，主要根據(jù)前面提到的產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景來合理安排相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目。調(diào)試則通過模擬實(shí)際的工作環(huán)境，并通過軟硬件配置和工作狀態(tài)的改變來解決或者確認(rèn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)于無法通過調(diào)試解決的問題，則需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。在定義SiP和外界通信的通道時(shí)，除了滿足正常工作時(shí)的功能需求，還需要滿足測(cè)試、調(diào)試以及問題分析的需求。在SiP封裝引腳的定義上，需要專門為測(cè)試和調(diào)試留有通道，這樣就便于發(fā)現(xiàn)潛藏的問題和后續(xù)問題分析。對(duì)于SiP的功能測(cè)試和性能測(cè)試，通常分為機(jī)臺(tái)測(cè)試和板級(jí)測(cè)試兩部分。
機(jī)臺(tái)測(cè)試：機(jī)臺(tái)測(cè)試一般是測(cè)試SiP在不同工作狀態(tài)下，即滿足不同功能需求情況下的電參數(shù)，例如不同網(wǎng)絡(luò)在不同工作模式下的的電流值和電壓值，通常包括常溫測(cè)試（25°C），低溫測(cè)試（-40°C，-55°C）高溫測(cè)試（85°C，125°C），根據(jù)使用環(huán)境的不同定義不同的低溫和高溫。

板級(jí)測(cè)試：板級(jí)測(cè)試通過模擬SiP的實(shí)際工作情況，對(duì)SiP的各種功能和性能進(jìn)行測(cè)試。為了測(cè)試充分，需要編寫相應(yīng)的測(cè)試案例，同時(shí)也需要在常溫、低溫和高溫下進(jìn)行測(cè)試。

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軟件及算法

（Software and Algorithm）

軟件和硬件是一個(gè)電子系統(tǒng)互相依存的兩大部分，在SiP系統(tǒng)中兩者缺一不可，軟件和硬件的關(guān)系主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。?

⑴ 軟件和硬件互相依存，硬件是軟件賴以工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件的正常工作是硬件發(fā)揮作用的途徑。⑵ 硬件和軟件無嚴(yán)格界線，在許多情況，系統(tǒng)的某些功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件來實(shí)現(xiàn)。因此，軟件與硬件在一定意義上說沒有絕對(duì)嚴(yán)格的界限。?⑶ 硬件和軟件協(xié)同發(fā)展，軟件隨硬件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，而軟件的不斷發(fā)展與完善又促進(jìn)硬件的更新，兩者交織發(fā)展，缺一不可。

從上面軟件和硬件的關(guān)系和可以看出軟件對(duì)于系統(tǒng)的重要性，如果沒有軟件，SiP的不能實(shí)現(xiàn)其正常功能，其智能化更是空中樓閣。
通常，和SiP研發(fā)過程及產(chǎn)品應(yīng)用相關(guān)的軟件包括以下類型的軟件：

1）測(cè)試軟件
機(jī)臺(tái)測(cè)試軟件通過Verilog或者VHDL語(yǔ)言編寫測(cè)試激勵(lì)和器件模型，然后通過仿真工具轉(zhuǎn)成.vcd等格式的文件（波形文件），在測(cè)試機(jī)臺(tái)中導(dǎo)入成為測(cè)試向量。測(cè)試向量（test vector）是每個(gè)時(shí)鐘周期作用于器件管腳的用于測(cè)試或者操作的邏輯1和邏輯0數(shù)據(jù)，其中邏輯1和邏輯0是由帶定時(shí)特性和電平特性的波形代表的，與波形形狀、脈沖寬度、脈沖邊緣或斜率以及上升沿 和下降沿的位置都有關(guān)系。依據(jù)被測(cè)器件(DUT)特點(diǎn)和功能，通過機(jī)臺(tái)提供測(cè)試向量，包括輸入給DUT測(cè)試激勵(lì)和預(yù)期響應(yīng)，測(cè)量DUT輸出響應(yīng)與預(yù)期響應(yīng)做比較，從而判斷DUT是否符合格。下圖機(jī)臺(tái)測(cè)試的基本原理，通過機(jī)臺(tái)模擬被測(cè)器件DUT的實(shí)際工作狀態(tài)，輸入一系列有序的測(cè)試波形，以電路規(guī)定的速率作用于被測(cè)器件，再在電路輸出端檢測(cè)輸出信號(hào)是否與預(yù)期圖形相符，以此判別DUT功能是否正常。

板級(jí)測(cè)試軟件：板級(jí)測(cè)試軟件和SiP的實(shí)際工作狀態(tài)相關(guān)，是通過模擬SiP的實(shí)際工作情況，對(duì)SiP的各種功能和性能進(jìn)行測(cè)試。為了測(cè)試充分，需要編寫相應(yīng)的測(cè)試案例，同時(shí)也需要在常溫、低溫和高溫下進(jìn)行各種功能的測(cè)試。為了提高測(cè)試效率，板級(jí)測(cè)試軟件需要能同時(shí)測(cè)量多顆SiP，這一點(diǎn)，和SiP實(shí)際工作狀態(tài)會(huì)有所區(qū)別。

2）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是指控制和協(xié)調(diào)SiP系統(tǒng)及外部設(shè)備，支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行的系統(tǒng)，是無需用戶干預(yù)，能調(diào)度，監(jiān)控和維護(hù)整個(gè)SiP系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)管理SiP系統(tǒng)中各種獨(dú)立的模塊，使之可以協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)軟件使用戶將SiP當(dāng)作一個(gè)整體而不需要顧及到底層每個(gè)硬件單元是如何工作的。

例如，電腦上的Windows操作系統(tǒng)，手機(jī)上的iOS，Android操作系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)中的VX works操作系統(tǒng)都屬于系統(tǒng)軟件。

3）應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是為了解決不同問題，滿足不同應(yīng)用需求的軟件。它可以拓展SiP系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，放大硬件的功能。應(yīng)用軟件是可以使用的多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫的應(yīng)用程序的集合，是專門針對(duì)解決某類問題而設(shè)計(jì)的程序。例如電腦中的Office辦公軟件，EDA設(shè)計(jì)軟件、仿真軟件，圖像圖形處理軟件等，手機(jī)中的各種APP如微信，地圖，音樂，新聞，支付寶等都屬于應(yīng)用軟件。

應(yīng)用軟件通常根據(jù)特定的任務(wù)需求而研發(fā)，例如需要監(jiān)測(cè)某個(gè)傳感器傳遞來的信號(hào)進(jìn)行分析，并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，例如步數(shù)監(jiān)測(cè)，心率監(jiān)測(cè)等。系統(tǒng)的智能化（intelligence）需要通過各種各樣的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)并和用戶進(jìn)行交互。

4）算法

算法就是軟件的靈魂，一個(gè)需要實(shí)現(xiàn)特定功能的軟件，實(shí)現(xiàn)它的算法可以有很多種，算法的優(yōu)劣決定著軟件的好壞。例如在EDA工具中的自動(dòng)布線器就有不同種算法，設(shè)計(jì)師在使用時(shí)可以選擇不同的算法從而得到不同的布線結(jié)果。好的算法可以提高布通率，同時(shí)能提升布線效果，保證信號(hào)傳輸質(zhì)量的同時(shí)也更美觀。對(duì)于仿真軟件來說，同一個(gè)問題，不同的軟件采用不同的算法會(huì)得到不同的結(jié)果，算法的優(yōu)劣性會(huì)影響到仿真速度、仿真精度等。

所以，好的算法，不僅會(huì)影響軟件的運(yùn)行結(jié)果，也會(huì)整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效果。

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總 結(jié)

（in a nut shell)

本文中，我們從1.系統(tǒng)功能定義，2.產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)景，3.測(cè)試和調(diào)試，4.軟件和算法，四個(gè)方面對(duì)SiP的智能性intelligence進(jìn)行了闡述，每個(gè)方面又進(jìn)行了分類說明，請(qǐng)參看下圖：

最后，我想說的是，智能性intelligence是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最終目的，SiP也同樣不會(huì)例外！

一定要讀的相關(guān)文章：

• 概念深入：從SiP到Si3P

• Si3P 之 integration

• Si3P?之interconnection

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