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片上系統(tǒng)的基本介紹

SoC集成了手機上許多最關(guān)鍵的組件，如CPU、GPU和內(nèi)存。也就是說，雖然它以芯片的形式存在于主板上，但它是由許多元件組成的。比如我們通常所說的高通801、泰格拉4、A6等。都只是系統(tǒng)組件封裝（SoC）之后的通稱。

狹義的片上系統(tǒng)是以芯片集成為核心的信息系統(tǒng)，即系統(tǒng)的關(guān)鍵部件集成在一個芯片上；廣義的SoC是一個微型系統(tǒng)。如果中央處理器（CPU）是大腦，那么片上系統(tǒng)就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向于將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核、以及存儲器（或片外存儲控制接口）集成在一塊芯片上。通常是客戶定制或用于特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

SoC芯片

片上系統(tǒng)定義的基本內(nèi)容主要在兩個方面：一是它的組成，二是它的形成過程。片上系統(tǒng)的組成可以是片上系統(tǒng)控制邏輯模塊，微處理器/微控制器CPU核心模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入式存儲器模塊、與外界通信的接口模塊、包含模擬前端模塊、電源、電源管理模塊的ADC/DAC。對于一個無線SoC，還有射頻前端模塊，用戶自定義邏輯（可以通過FPGA或ASIC實現(xiàn)），以及一個微機電模塊。更重要的是，SoC芯片嵌入了基本的軟件（RDOS或COS和其他應(yīng)用軟件）模塊或可加載的用戶軟件等。

在芯片形成或生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)包括以下三個方面：

1）基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計與驗證；

2) 有效提高邏輯區(qū)技術(shù)的使用率和生產(chǎn)能力的再利用率，即IP核生成和再利用技術(shù)的開發(fā)和研究，特別是嵌入式大容量存儲模塊的重復(fù)應(yīng)用；

3 )超深亞微米及奈米設(shè)計理論與技術(shù)。

片上系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)：SoC關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)、SoC驗證技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、超深亞微米電路實現(xiàn)技術(shù)等。還包括嵌入式軟件的移植和開發(fā)研究，是一個新興的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域。

一個電子系統(tǒng)的功能可以在一個芯片上完成，而這個系統(tǒng)過去需要一個或多個電路板，以及板上的各種電子器件、芯片和互連。SoC可以看作是城鎮(zhèn)建筑物的集成。賓館、飯店、商場、超市、醫(yī)院、學(xué)校、公交車站，以及大量的住宅集中在一起。它構(gòu)成了一個小城鎮(zhèn)的功能，滿足了人們吃、住、行的基本需求。SoC更多的是處理器（包括CPU、DSP）、存儲器、各種接口控制模塊，以及各種互連總線的集成。SoC的典型代表是手機芯片。SoC還沒有達到單芯片實現(xiàn)傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的水平?？梢哉f，SoC只實現(xiàn)了一個小鎮(zhèn)的功能，卻無法實現(xiàn)一個城市的功能。

SOC集成電路

SoC有兩個顯著的特點：一是硬件規(guī)模大，通?；贗P設(shè)計模式；二是軟件所占比重大，需要軟硬件協(xié)同設(shè)計?？梢员茸鞒鞘邢鄬τ谵r(nóng)村的明顯優(yōu)勢：設(shè)施齊全，交通便利，效率高。SoC也有類似的特點：在單個芯片上集成了更多的支持電路，節(jié)省了集成電路的面積，也節(jié)約了成本。片上互連相當(dāng)于城市高速公路，具有高速、低功耗的特點。原本分布在電路板上的各種設(shè)備之間傳輸?shù)馁Y料集中在同一個芯片上，相當(dāng)于一個只有長途客車才能到達的地方。它已經(jīng)搬到了城市，并乘坐地鐵。城市的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)達，競爭力更強，SoC上的軟件相當(dāng)于城市的服務(wù)業(yè)。不僅硬件好，軟件也好。

同一套硬件，今天可以用來做一件事，明天可以用來做另一件事，類似于城市中整個社會的資源分配和調(diào)度利用的增加。由此可見，SoC在性能、成本、功耗、可靠性、生存周期和應(yīng)用范圍等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是集成電路設(shè)計發(fā)展的必然趨勢。在性能和功耗敏感的終端芯片領(lǐng)域，SoC已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，其應(yīng)用范圍正在向更廣泛的領(lǐng)域擴展。在單芯片上實現(xiàn)完整的電子系統(tǒng)是未來集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

二技術(shù)發(fā)展

這已有40年的歷史。它一直按照摩爾定律向前發(fā)展，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，以微細加工（集成電路的特征尺寸不斷縮小）為主要特征，發(fā)展多種工藝集成技術(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片。作為產(chǎn)業(yè)進入超深亞微米甚至納米加工時代，一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，如手機芯片、數(shù)字電視芯片，以及DVD芯片，可以在一個單一的未來幾年內(nèi)，數(shù)以億計的并且預(yù)計在一個芯片上實現(xiàn)數(shù)千萬個邏輯門。系統(tǒng)芯片設(shè)計技術(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，集成電路設(shè)計人員可以在單個硅片上集成越來越多的復(fù)雜功能。SoC正是在集成電路（IC）向集成系統(tǒng)（IS）的大方向下發(fā)展的。Motorola在1994年發(fā)布的FlexCore系統(tǒng)（用于制造基于68000和PowerPC的定制微處理器）和LSILogic在1995年為Sony設(shè)計的SoC可能是基于IP（intellectual property）內(nèi)核的SoC設(shè)計的最早報道。由于SoC能夠充分利用現(xiàn)有的設(shè)計積累，顯著提高專用集成電路的設(shè)計能力，因此發(fā)展非常迅速，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，是技術(shù)發(fā)展的必然，是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的未來。

Ⅲ存在的問題

當(dāng)前芯片設(shè)計行業(yè)面臨著一系列的挑戰(zhàn)。片上系統(tǒng)已經(jīng)成為集成電路設(shè)計界關(guān)注的焦點。SoC性能越來越強，越來越大。SoC芯片的規(guī)模一般比普通ASIC大得多。同時，由于深亞微米工藝帶來的設(shè)計困難，大大增加了SoC設(shè)計的復(fù)雜性。在SoC設(shè)計中，仿真和驗證是SoC設(shè)計過程中最復(fù)雜、最耗時的環(huán)節(jié)，約占整個芯片開發(fā)周期的50%至80%。采用先進的設(shè)計和仿真驗證方法已成為SoC設(shè)計成功的關(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)計是一種面向集成的設(shè)計方法，可以最大限度地實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)用。共享IP核開發(fā)和系統(tǒng)集成的成果，不斷重組價值鏈。延時和功耗的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)向良率、可靠性、電磁干擾（EMI）的噪音、成本、易用性等。都使系統(tǒng)級集成能力的快速發(fā)展成為可能。所謂的SoC技術(shù)是一種高度集成的、基于固件的系統(tǒng)集成技術(shù)。采用SoC技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的核心思想是將整個應(yīng)用電子系統(tǒng)集成到一個芯片上。采用SoC技術(shù)設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時，除了那些不能集成的外部電路或機械部分外，所有的系統(tǒng)電路都集成在一起。

Ⅳ片上系統(tǒng)芯片技術(shù)

1.核心技術(shù)

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)計中，需要根據(jù)設(shè)計所需的功能模塊對整個系統(tǒng)進行綜合，即根據(jù)設(shè)計所要求的功能，找到相應(yīng)的集成電路，然后根據(jù)設(shè)計參數(shù)所要求的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計連接形式和所選電路。本設(shè)計的結(jié)果是基于功能集成電路的分布式應(yīng)用電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計結(jié)果能否滿足設(shè)計要求，不僅取決于電路芯片的技術(shù)參數(shù)還取決于整個系統(tǒng)PCB版圖的電磁兼容特性。同時，對于需要數(shù)字化的系統(tǒng)，往往需要微控制器，因此還必須考慮分布式系統(tǒng)對電路固件特性的影響。顯然，傳統(tǒng)的應(yīng)用電子系統(tǒng)的實現(xiàn)采用了分布式功能的集成技術(shù)。

對于SoC來說，應(yīng)用電子系統(tǒng)的設(shè)計也是基于功能和參數(shù)的要求，但與傳統(tǒng)的方法有著本質(zhì)的區(qū)別。SoC不是一種基于功能電路的分布式系統(tǒng)綜合技術(shù)。它是基于功能IP的系統(tǒng)固件和電路綜合技術(shù)。首先，功能的實現(xiàn)不再是針對功能電路的集成，而是針對系統(tǒng)整體固件實現(xiàn)的電路綜合，即利用IP技術(shù)進行整個系統(tǒng)的電路集成。其次，電路設(shè)計的最終結(jié)果與IP功能模塊和固件特性有關(guān)，而與電路的PCB劃分方式和布線技術(shù)基本無關(guān)。因此，大大提高了設(shè)計結(jié)果的電磁兼容特性。換句話說，設(shè)計的結(jié)果非常接近理想的設(shè)計目標(biāo)。

SoC設(shè)計的關(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)計技術(shù)、SoC驗證技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、超深亞微米電路實現(xiàn)技術(shù)等。

2.設(shè)計思路

固件集成是SoC的基本設(shè)計思想

在傳統(tǒng)的分布式集成設(shè)計技術(shù)中，系統(tǒng)的固件特性往往難以達到最優(yōu)。究其原因，是利用了集成技術(shù)的分布函數(shù)?？偟膩碚f，為了滿足盡可能多的使用領(lǐng)域，功能集成電路必須考慮兩個設(shè)計目標(biāo)：一是滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的功能控制要求；二是考慮滿足更廣泛的應(yīng)用功能和技術(shù)指標(biāo)。因此，功能集成電路（即定制集成電路）必須在I/O和控制上增加若干電路，才能讓一般用戶獲得盡可能多的開發(fā)性能。然而，要實現(xiàn)定制電路設(shè)計的最佳應(yīng)用電子系統(tǒng)，并不是一件容易的事。

對于SoC，從SoC的核心技術(shù)可以看出，利用SoC技術(shù)設(shè)計和應(yīng)用電子系統(tǒng)的基本設(shè)計思想是實現(xiàn)全系統(tǒng)的固件集成。戶只需要根據(jù)自己的需要選擇和改進模塊和嵌入式結(jié)構(gòu)的各個部分，就可以實現(xiàn)完全優(yōu)化的固件功能，而不必花時間去熟悉定制電路的開發(fā)技術(shù)。固件基礎(chǔ)突然出現(xiàn)的優(yōu)勢是，系統(tǒng)可以更接近理想系統(tǒng)，更容易達到設(shè)計要求。

3.基本結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是SoC的基本結(jié)構(gòu)

采用片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)設(shè)計的應(yīng)用電子系統(tǒng)中，可以非常方便地實現(xiàn)嵌入式結(jié)構(gòu)。各種嵌入式結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)非常簡單，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)計要求選擇匹配的IP模塊，就可以完成整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。別是當(dāng)采用智能電路合成技術(shù)時，整個系統(tǒng)的固件特性可以得到更充分的實現(xiàn)，使得系統(tǒng)更接近理想的設(shè)計要求。必須指出的是，這種片上系統(tǒng)的嵌入式結(jié)構(gòu)可以大大縮短應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)周期。

4.設(shè)計基礎(chǔ)

IP是SoC設(shè)計的基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的應(yīng)用電子設(shè)計工程師面對的是各種定制集成電路，而采用SoC技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計工程師面對的是龐大的IP庫，所有的設(shè)計工作都是基于IP模塊進行的。SoC技術(shù)將一個應(yīng)用型電子系統(tǒng)設(shè)計工程師轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驊?yīng)用的電子設(shè)備設(shè)計工程師。由此可見，SoC是一種基于IP模塊的設(shè)計技術(shù)，IP是SoC應(yīng)用的基礎(chǔ)。

5.設(shè)計過程

SoC技術(shù)的不同階段

在功能設(shè)計階段，設(shè)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全面的功能設(shè)計。當(dāng)功能設(shè)計完成后，就可以進入IP綜合階段。IP合成階段的任務(wù)使用功能強大的IP庫來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。IP組合完成后，首先進行功能仿真，檢查是否實現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計功能要求。功能仿真通過后，就可以進行電路仿真了。目的是檢查由IP模塊組成的電路能否實現(xiàn)設(shè)計功能，達到相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計的最后階段是對制造出來的SoC產(chǎn)品進行相應(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)。