SoC（片上系統(tǒng)）設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

　　SoC技術(shù)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(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(jí)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(shè)計(jì)的SoC,可能是基于IP ( Intellectual Property)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(shì),1. 技術(shù)發(fā)展的必然2. IC 產(chǎn)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(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣,很難給出準(zhǔn)確定義。一般說來, SoC稱為系統(tǒng)級(jí)芯片,也有稱片上系統(tǒng),意指它是一個(gè)產(chǎn)品,是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路,其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù),用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)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(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(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)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(jí)芯片的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級(jí)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(hào)處理器DSP模塊、嵌入的存儲(chǔ)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(duì)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(jí)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(chǔ)模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等;

　　3) 超深亞微米(UDSM) 、納米集成電路的設(shè)計(jì)理論和技術(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(cè)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。圖1是SoC設(shè)計(jì)流程的一個(gè)簡單示意圖。

　　SoC的發(fā)展趨勢(shì)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(shì)是基于SoC開發(fā)平臺(tái),基于平臺(tái)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(jí)集成能力快速發(fā)展。

　　當(dāng)前無論在國外還是國內(nèi),在SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)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(nèi)研制開發(fā)者主要基于后兩者,如中科院計(jì)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(hào)(自定義指令集) 、國芯C3 Core (繼承M3 Core)等。開發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的處理器核、核心IP和總線架構(gòu),同時(shí)又保證兼容性(集成第三方IP) ,將使我國SoC發(fā)展具有更強(qiáng)的競爭力,從而帶動(dòng)國內(nèi)IC產(chǎn)業(yè)往深度、廣度方向發(fā)展。