SoC設計的關鍵技術

SoC技術的發(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一個復雜的電子系統(tǒng)，諸如手機芯片、數字電視芯片、DVD 芯片等。在未來幾年內，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現。 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設計者能夠將愈來愈復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)轉變的大方向下產生的。1994 年Motorola發(fā)布的Flex Core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 ( Intellectual Property)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 產業(yè)未來的發(fā)展。 

SoC基本概念 
SoC的定義多種多樣,由于其內涵豐富、應用范圍廣,很難給出準確定義。一般說來, SoC稱為系統(tǒng)級芯片,也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個產品,是一個有專用目標的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術,用以實現從確定系統(tǒng)功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設計的整個過程。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)。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數字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品。 

SoC定義的基本內容主要表現在兩方面: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 內核模塊、數字信號處理器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)以及微電子機械模塊,更重要的是一個SoC 芯片內嵌有基本軟件(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(UDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術。  
 
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。圖1是SoC設計流程的一個簡單示意圖。 

SoC的發(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、易用性等轉移,使系統(tǒng)級集成能力快速發(fā)展。 

當前無論在國外還是國內,在SoC設計領域已展開激烈的競爭。SoC按指令集來劃分,主要分x86系列(如SiS550) 、ARM 系列(如OMAP) 、M IPS系列(如Au1500 ) 和類指令系列(如M 3Core)等幾類,每一類都各有千秋。國內研制開發(fā)者主要基于后兩者,如中科院計算所中科SoC (基于龍芯核,兼容M IPSⅢ指令集) 、北大眾志(定義少許特殊指令) 、方舟2號(自定義指令集) 、國芯C3 Core (繼承M3 Core)等。開發(fā)擁有自主知識產權的處理器核、核心IP和總線架構,同時又保證兼容性(集成第三方IP) ,將使我國SoC發(fā)展具有更強的競爭力,從而帶動國內IC產業(yè)往深度、廣度方向發(fā)展。