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(guān)鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個(gè)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(xué)術(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成,其二是它形成過程。系統(tǒng)級芯片的構(gòu)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(jìn)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(gè)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(shí)現(xiàn))以及微電子機(jī)械模塊,更重要的是一個(gè)SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應(yīng)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(gè)方面:

　　1) 基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證;

　　2) 再利用邏輯面積技術(shù)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(fù)用技術(shù),特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等;

　　3) 超深亞微米(VDSM) 、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)。

　　SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

　　具體地說, SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等,此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究,是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

　　技術(shù)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(jìn)，現(xiàn)已進(jìn)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(xì)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(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超深亞微米乃至納米加工時(shí)代，在單一集成電路芯片上就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機(jī)芯片、數(shù)字電視芯片、DVD 芯片等。在未來幾年內(nèi)，上億個(gè)晶體管、幾千萬個(gè)邏輯門都可望在單一芯片上實(shí)現(xiàn)。 SoC (System - on - Chip)設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期,隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展,IC設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒂鷣碛鷱?fù)雜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(shè)計(jì)的SoC,可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SoC設(shè)計(jì)的最早報(bào)導(dǎo)。由于SoC可以充分利用已有的設(shè)計(jì)積累,顯著地提高了ASIC的設(shè)計(jì)能力,因此發(fā)展非常迅速,引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

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

　　技術(shù)特點(diǎn)

　　半導(dǎo)體工藝技術(shù)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(jià)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

　　具體地說, SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)等,此外還要做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究,是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

　　發(fā)展趨勢及存在問題

　　當(dāng)前芯片設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)業(yè)界的焦點(diǎn), SoC性能越來越強(qiáng),規(guī)模越來越大。SoC芯片的規(guī)模一般遠(yuǎn)大于普通的ASIC,同時(shí)由于深亞微米工藝帶來的設(shè)計(jì)困難等,使得SoC設(shè)計(jì)的復(fù)雜度大大提高。在SoC設(shè)計(jì)中,仿真與驗(yàn)證是SoC設(shè)計(jì)流程中最復(fù)雜、最耗時(shí)的環(huán)節(jié),約占整個(gè)芯片開發(fā)周期的50%～80% ,采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為SoC設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢是基于SoC開發(fā)平臺,基于平臺的設(shè)計(jì)是一種可以達(dá)到最大程度系統(tǒng)重用的面向集成的設(shè)計(jì)方法,分享IP核開發(fā)與系統(tǒng)集成成果,不斷重整價(jià)值鏈,在關(guān)注面積、延遲、功耗的基礎(chǔ)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(shù)，是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù)。使用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心思想，就是要把整個(gè)應(yīng)用電子系統(tǒng)全部集成在一個(gè)芯片中。在使用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，除了那些無法集成的外部電路或機(jī)械部分以外，其他所有的系統(tǒng)電路全部集成在一起。

　　應(yīng)用概念

　　1.系統(tǒng)功能集成是SoC的核心技術(shù)

　　在傳統(tǒng)的應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求的功能模塊對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合，即 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的功能，尋找相應(yīng)的集成電路，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)所選電路的連 接形式和參數(shù)。這種設(shè)計(jì)的結(jié)果是一個(gè)以功能集成電路為基礎(chǔ)，器件分布式的應(yīng)用電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)結(jié)果能否滿足設(shè)計(jì)要求不僅取決于電路芯片的技術(shù)參數(shù)，而且與整個(gè)系統(tǒng)PCB版圖的電磁兼容特性有關(guān)。同時(shí)， 對于需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的系統(tǒng)，往往還需要有單片機(jī)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(yīng)用電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，采用的是分布功能綜合技術(shù)。

　　對于SoC來說，應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是根據(jù)功能和參數(shù)要求設(shè)計(jì)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(chǔ)的分布式系統(tǒng)綜合技術(shù)。而是以功能IP為基礎(chǔ)的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。首先，功能的實(shí)現(xiàn)不再針對功能電路進(jìn)行綜合，而是針對系統(tǒng)整體固件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行電路綜合，也就是利用IP技術(shù)對系統(tǒng)整體進(jìn)行電路結(jié)合。其次，電路設(shè)計(jì)的最終結(jié)果與IP功能模塊和固件特性有關(guān)，而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術(shù)基本無關(guān)。因此，使設(shè)計(jì)結(jié)果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設(shè)計(jì)的結(jié)果十分接近理想設(shè)計(jì)目標(biāo)。

　　2.固件集成是SoC的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)思想

　　在傳統(tǒng)分布式綜合設(shè)計(jì)技術(shù)中，系統(tǒng)的固件特性往往難以達(dá)到最優(yōu)，原因是所使用的是分布式功能綜合技術(shù)。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(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：一個(gè)是能滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的功能控制要求目標(biāo);另一個(gè)是要考慮滿足較大范圍應(yīng)用功能和技術(shù)指標(biāo)。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(shè)計(jì)的應(yīng)用電子系統(tǒng)不易達(dá)到最佳，特別是固件特性更是具有相當(dāng)大的分散性。

　　對于SoC來說，從SoC的核心技術(shù)可以看出，使用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用電子系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想就是實(shí)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(jìn)各部分模塊和嵌入結(jié)構(gòu)，就能實(shí)現(xiàn)充分優(yōu)化的固件特性，而不必花時(shí)間熟悉定制電路的開發(fā)技術(shù)。固件基礎(chǔ)的突發(fā)優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)能更接近理想系統(tǒng)，更容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

　　3.嵌入式系統(tǒng)是SoC的基本結(jié)構(gòu)

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

　　4.IP是SoC的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

　　傳統(tǒng)應(yīng)用電子設(shè)計(jì)工程師面對的是各種定制式集成電路，而使用SoC技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師所面對的是一個(gè)巨大的IP庫，所有設(shè)計(jì)工作都是以IP模塊為基礎(chǔ)。SoC技術(shù)使應(yīng)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師變成了一個(gè)面向應(yīng)用的電子器件設(shè)計(jì)工程師西叉歐。由此可見，SoC是以IP模塊為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)技術(shù)，IP是SoC應(yīng)用的基礎(chǔ)。

　　5.SoC技術(shù)中的不同階段

　　用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用電子系統(tǒng)的幾個(gè)階段如圖1所示。在功能設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者必須充分考慮系統(tǒng)的固件特性，并利用固件特性進(jìn)行綜合功能設(shè)計(jì)。當(dāng)功能設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)入IP綜合階段。IP綜合階段的任務(wù)利用強(qiáng)大的IP庫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能I。P結(jié)合結(jié)束后，首先進(jìn)行功能仿真，以檢查是否實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能并達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)的最后階段是對制造好的SoC產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的測試，以便調(diào)整各種技術(shù)參數(shù)，確定應(yīng)用參數(shù)。