SoC（片上系统）设计的关键技术

　　SoC技术的发展

　　集成电路的发展已有40 年的历史,它一直遵循摩尔所指示的规律推进,现已进入深亚微米阶段。由于信息市场的需求和微电子自身的发展,引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代,在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统,诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等。在未来几年内,上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现。 SoC ( System - on - Chip)设计技术始于20世纪90年代中期,随着半导体工艺技术的发展, IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上, SoC正是在集成电路( IC)向集成系统( IS)转变的大方向下产生的。1994 年Motorola发布的Flex Core系统(用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器)和1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SoC,可能是基于IP ( Intellectual Property)核完成SoC设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累,显著地提高了ASIC的设计能力,因此发展非常迅速,引起了工业界和学术界的关注。

　　SOC是集成电路发展的必然趋势,1. 技术发展的必然2. IC 产业未来的发展。

　　SoC基本概念

　　SoC的定义多种多样,由于其内涵丰富、应用范围广,很难给出准确定义。一般说来, SoC称为系统级芯片,也有称片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术,用以实现从确定系统功能开始,到软/硬件划分,并完成设计的整个过程。从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲, SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的,或是面向特定用途的标准产品。
　　SoC定义的基本内容主要表现在两方面:其一是它的构成,其二是它形成过程。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块,对于一个无线SoC还有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块,更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面:

　　1) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;

　　2) 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等;

　　3) 超深亚微米(UDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。

　　具体地说, SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等,此外还要做嵌入式软件移植、开发研究,是一门跨学科的新兴研究领域。图1是SoC设计流程的一个简单示意图。

　　SoC的发展趋势及存在问题

　　当前芯片设计业正面临着一系列的挑战,系统芯片SoC已经成为IC设计业界的焦点, SoC性能越来越强,规模越来越大。SoC芯片的规模一般远大于普通的ASIC,同时由于深亚微米工艺带来的设计困难等,使得SoC设计的复杂度大大提高。在SoC设计中,仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节,约占整个芯片开发周期的50%～80% ,采用先进的设计与仿真验证方法成为SoC设计成功的关键。SoC技术的发展趋势是基于SoC开发平台,基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法,分享IP核开发与系统集成成果,不断重整价值链,在关注面积、延迟、功耗的基础上,向成品率、可靠性、EMI 噪声、成本、易用性等转移,使系统级集成能力快速发展。

　　当前无论在国外还是国内,在SoC设计领域已展开激烈的竞争。SoC按指令集来划分,主要分x86系列(如SiS550) 、ARM 系列(如OMAP) 、M IPS系列(如Au1500 ) 和类指令系列(如M 3Core)等几类,每一类都各有千秋。国内研制开发者主要基于后两者,如中科院计算所中科SoC (基于龙芯核,兼容M IPSⅢ指令集) 、北大众志(定义少许特殊指令) 、方舟2号(自定义指令集) 、国芯C3 Core (继承M3 Core)等。开发拥有自主知识产权的处理器核、核心IP和总线架构,同时又保证兼容性(集成第三方IP) ,将使我国SoC发展具有更强的竞争力,从而带动国内IC产业往深度、广度方向发展。