SoC(System on Chip)：片上系統(tǒng)

　　基本概念

　　從狹義角度講,它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成,是將系統(tǒng)關鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個微小型系統(tǒng),如果說中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國內(nèi)外學術界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶定制的,或是面向特定用途的標準產(chǎn)品。

　　SoC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面:其一是它的構成,其二是它形成過程。系統(tǒng)級芯片的構成可以是系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊,對于一個無線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現(xiàn))以及微電子機械模塊,更重要的是一個SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。系統(tǒng)級芯片形成或產(chǎn)生過程包含以下三個方面:

　　1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計和驗證;

　　2) 再利用邏輯面積技術使用和產(chǎn)能占有比例有效提高即開發(fā)和研究IP核生成及復用技術,特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等;

　　3) 超深亞微米(VDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術。

　　SoC設計的關鍵技術

　　具體地說, SoC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協(xié)同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現(xiàn)技術等,此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究,是一門跨學科的新興研究領域。

　　技術發(fā)展

　　集成電路的發(fā)展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進，現(xiàn)已進入深亞微米階段。由于信息市場的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細加工(集成電路特征尺寸不斷縮小)為主要特征的多種工藝集成技術和面向應用的系統(tǒng)級芯片的發(fā)展。隨著半導體產(chǎn)業(yè)進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現(xiàn)一個復雜的電子系統(tǒng)，諸如手機芯片、數(shù)字電視芯片、DVD 芯片等。在未來幾年內(nèi)，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現(xiàn)。 SoC (System - on - Chip)設計技術始于20世紀90年代中期,隨著半導體工藝技術的發(fā)展,IC設計者能夠?qū)⒂鷣碛鷱碗s的功能集成到單硅片上, SoC正是在集成電路( IC)向集成系統(tǒng)( IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。1994年Motorola發(fā)布的FlexCore系統(tǒng)(用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器)和1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SoC,可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SoC設計的最早報導。由于SoC可以充分利用已有的設計積累,顯著地提高了ASIC的設計能力,因此發(fā)展非常迅速,引起了工業(yè)界和學術界的關注。

　　SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，1. 技術發(fā)展的必然2. IC 產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。

　　技術特點

　　半導體工藝技術的系統(tǒng)集成

　　軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的集成

　　SoC具有以下幾方面的優(yōu)勢，因而創(chuàng)造其產(chǎn)品價值與市場需求：

　　降低耗電量、減少體積、增加系統(tǒng)功能、提高速度、節(jié)省成本設計的關鍵技術。

　　具體地說, SoC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協(xié)同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現(xiàn)技術等,此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究,是一門跨學科的新興研究領域。

　　發(fā)展趨勢及存在問題

　　當前芯片設計業(yè)正面臨著一系列的挑戰(zhàn),系統(tǒng)芯片SoC已經(jīng)成為IC設計業(yè)界的焦點, SoC性能越來越強,規(guī)模越來越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠大于普通的ASIC,同時由于深亞微米工藝帶來的設計困難等,使得SoC設計的復雜度大大提高。在SoC設計中,仿真與驗證是SoC設計流程中最復雜、最耗時的環(huán)節(jié),約占整個芯片開發(fā)周期的50%～80% ,采用先進的設計與仿真驗證方法成為SoC設計成功的關鍵。SoC技術的發(fā)展趨勢是基于SoC開發(fā)平臺,基于平臺的設計是一種可以達到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設計方法,分享IP核開發(fā)與系統(tǒng)集成成果,不斷重整價值鏈,在關注面積、延遲、功耗的基礎上,向成品率、可靠性、EMI 噪聲、成本、易用性等轉(zhuǎn)移,使系統(tǒng)級集成能力快速發(fā)展。 所謂SoC技術，是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術。使用SoC技術設計系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個應用電子系統(tǒng)全部集成在一個芯片中。在使用SoC技術設計應用系統(tǒng)，除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外，其他所有的系統(tǒng)電路全部集成在一起。

　　應用概念

　　1.系統(tǒng)功能集成是SoC的核心技術

　　在傳統(tǒng)的應用電子系統(tǒng)設計中，需要根據(jù)設計要求的功能模塊對整個系統(tǒng)進行綜合，即 根據(jù)設計要求的功能，尋找相應的集成電路，再根據(jù)設計要求的技術指標設計所選電路的連 接形式和參數(shù)。這種設計的結(jié)果是一個以功能集成電路為基礎，器件分布式的應用電子系統(tǒng)結(jié)構。設計結(jié)果能否滿足設計要求不僅取決于電路芯片的技術參數(shù)，而且與整個系統(tǒng)PCB版圖的電磁兼容特性有關。同時， 對于需要實現(xiàn)數(shù)字化的系統(tǒng)，往往還需要有單片機等參與，所以還必須考慮分布式系統(tǒng)對電路固件特性的影響。很明顯，傳統(tǒng)應用電子系統(tǒng)的實現(xiàn)，采用的是分布功能綜合技術。

　　對于SoC來說，應用電子系統(tǒng)的設計也是根據(jù)功能和參數(shù)要求設計系統(tǒng)，但與傳統(tǒng)方法有著本質(zhì)的差別。SoC不是以功能電路為基礎的分布式系統(tǒng)綜合技術。而是以功能IP為基礎的系統(tǒng)固件和電路綜合技術。首先，功能的實現(xiàn)不再針對功能電路進行綜合，而是針對系統(tǒng)整體固件實現(xiàn)進行電路綜合，也就是利用IP技術對系統(tǒng)整體進行電路結(jié)合。其次，電路設計的最終結(jié)果與IP功能模塊和固件特性有關，而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術基本無關。因此，使設計結(jié)果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設計的結(jié)果十分接近理想設計目標。

　　2.固件集成是SoC的基礎設計思想

　　在傳統(tǒng)分布式綜合設計技術中，系統(tǒng)的固件特性往往難以達到最優(yōu)，原因是所使用的是分布式功能綜合技術。一般情況下，功能集成電路為了滿足盡可能多的使用面，必須考慮兩個設計目標：一個是能滿足多種應用領域的功能控制要求目標;另一個是要考慮滿足較大范圍應用功能和技術指標。因此，功能集成電路(也就是定制式集成電路)必須在I/O和控制方面附加若干電路，以使一般用戶能得到盡可能多的開發(fā)性能。但是，定制式電路設計的應用電子系統(tǒng)不易達到最佳，特別是固件特性更是具有相當大的分散性。

　　對于SoC來說，從SoC的核心技術可以看出，使用SoC技術設計應用電子系統(tǒng)的基本設計思想就是實現(xiàn)全系統(tǒng)的固件集成。用戶只須根據(jù)需要選擇并改進各部分模塊和嵌入結(jié)構，就能實現(xiàn)充分優(yōu)化的固件特性，而不必花時間熟悉定制電路的開發(fā)技術。固件基礎的突發(fā)優(yōu)點就是系統(tǒng)能更接近理想系統(tǒng)，更容易實現(xiàn)設計要求。

　　3.嵌入式系統(tǒng)是SoC的基本結(jié)構

　　在使用SoC技術設計的應用電子系統(tǒng)中，可以十分方便地實現(xiàn)嵌入式結(jié)構。各種嵌入結(jié)構的實現(xiàn)十分簡單，只要根據(jù)系統(tǒng)需要選擇相應的內(nèi)核，再根據(jù)設計要求選擇之相配合的IP模塊，就可以完成整個系統(tǒng)硬件結(jié)構。尤其是采用智能化電路綜合技術時，可以更充分地實現(xiàn)整個系統(tǒng)的固件特性，使系統(tǒng)更加接近理想設計要求。必須指出，SoC的這種嵌入式結(jié)構可以大大地縮短應用系統(tǒng)設計開發(fā)周期。

　　4.IP是SoC的設計基礎

　　傳統(tǒng)應用電子設計工程師面對的是各種定制式集成電路，而使用SoC技術的電子系統(tǒng)設計工程師所面對的是一個巨大的IP庫，所有設計工作都是以IP模塊為基礎。SoC技術使應用電子系統(tǒng)設計工程師變成了一個面向應用的電子器件設計工程師西叉歐。由此可見，SoC是以IP模塊為基礎的設計技術，IP是SoC應用的基礎。

　　5.SoC技術中的不同階段

　　用SoC技術設計應用電子系統(tǒng)的幾個階段如圖1所示。在功能設計階段，設計者必須充分考慮系統(tǒng)的固件特性，并利用固件特性進行綜合功能設計。當功能設計完成后，就可以進入IP綜合階段。IP綜合階段的任務利用強大的IP庫實現(xiàn)系統(tǒng)的功能I。P結(jié)合結(jié)束后，首先進行功能仿真，以檢查是否實現(xiàn)了系統(tǒng)的設計功能要求。功能仿真通過后，就是電路仿真，目的是檢查IP模塊組成的電路能否實現(xiàn)設計功能并達到相應的設計技術指標。設計的最后階段是對制造好的SoC產(chǎn)品進行相應的測試，以便調(diào)整各種技術參數(shù)，確定應用參數(shù)。