SoC系統(tǒng)級芯片

SoC（System on Chip），即“片上系統(tǒng)”或“片上系統(tǒng)”，是指在單個芯片上集成微電子應用產(chǎn)品所需的所有功能的系統(tǒng)。SoC主要是集成處理機制、模型算法、軟件、芯片結(jié)構、各級電路和器件設計的單個芯片，通常是定制的。它主要分為硬件和軟件兩部分。它采用超深亞微米工藝技術和由第三方IP核實現(xiàn)的超大規(guī)模集成電路，并由操作系統(tǒng)和應用程序控制。SoC避免了芯片之間信號傳輸?shù)难舆t和電路板的信號串擾，在功耗、尺寸和成本方面都有了很大的進步。一般來說，與傳統(tǒng)電路系統(tǒng)相比，SoC具有高性能、小尺寸、低功耗和較短的研究周期等優(yōu)點。

SoC的出現(xiàn)不僅大大降低了制造成本，使先進電子產(chǎn)品的價格為普通消費者所接受，而且廣泛應用于通信、醫(yī)療、交通、工業(yè)控制、自動化、網(wǎng)絡和消費電子等眾多領域，成為21世紀集成電路技術的主流和具有國家戰(zhàn)略意義的實用技術。

SoC（System on Chip），即片上系統(tǒng)，是指高度集成的集成電路，將多個功能模塊集成到一個芯片上。與傳統(tǒng)的集成電路設計不同，SoC技術不再是對工藝流程的無休止追求，而是基于對系統(tǒng)的深入理解。其應用的基礎和核心是IP，結(jié)構基礎是嵌入式。IP核，即知識產(chǎn)權模塊，是指用于ASIC或FPG的預先設計的電路功能模塊。過去，與應用電子設計相關的技術人員工作的主要內(nèi)容是集成電路，而SoC將IP庫呈現(xiàn)給技術人員，每個設計環(huán)節(jié)都基于IP模塊，這使技術人員的角色從早期的系統(tǒng)設計人員轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷O計人員。SOC大多是定制的，不同復雜度的SOC應用于不同領域以滿足特定功能。

誕生

第一款真正的SoC產(chǎn)品誕生于1974年的Microma watch。此外，在1989年出版的TheArtofElectronics中，一些原理圖與SoC非常相似，包括步進電機控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行I/O、集成ROM、定時器和事件控制器。早期的芯片設計非常困難，大多數(shù)半導體公司都是集設計、制造和封裝測試于一體的IDM制造商。隨著行業(yè)的發(fā)展，芯片設計和制造的成本和難度急劇上升。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，SoC電子設計經(jīng)歷了三個階段:

20世紀70年代，計算機輔助設計通過使用系統(tǒng)的復制功能提高了布局設計的效率。

計算機輔助工程出現(xiàn)于20世紀80年代，以門陣列和標準單元布局為主要內(nèi)容。在臺積電的帶領下，半導體行業(yè)正朝著“無晶圓廠（設計）+晶圓代工（制造）+OSAT（封測）”的方向發(fā)展。

1990年，IP龍頭Arm誕生后，開創(chuàng)了IP核心授權模式。芯片的架構由Arm設計，ip核授權給Fabless供應商。由于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的逐步發(fā)展，集成電路（IC）正逐漸向集成系統(tǒng)（IS）轉(zhuǎn)變，集成電路的設計者傾向于將復雜的功能集成到單個硅片上，因此形成了SoC的概念。1994年摩托羅拉發(fā)布的FlexCore系統(tǒng)和1995年LSILogic為索尼設計的SoC可能是基于IP核的SoC設計的最早報道。。

1999年，全球SoC市場年銷售額達到3.45億。

20世紀90年代，電子設計自動化出現(xiàn)，提高了從原理圖輸入到行為描述的設計水平，進一步縮短了設計周期并提高了設計效率，手機小型化需求的不斷增加促進了SoC的出現(xiàn)。IP的興起為SoC的集成提供了可能。

發(fā)展

2000年6月，由加拿大政府和工業(yè)界資助的非營利組織加拿大微電子公司在加拿大大學建立了SoC研究基地，并在40多所大學的支持下建立了SoC研究網(wǎng)絡。

2000年12月，中國在“十五”國家“863計劃”中啟動了超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)芯片專項，并發(fā)布了該專項2000 ~2001年預啟動項目申請指南，其中包括關鍵電子信息產(chǎn)品核心芯片開發(fā)、超大規(guī)模集成電路ip核開發(fā)、系統(tǒng)芯片設計與制造關鍵技術研究、超大規(guī)模集成電路設計產(chǎn)業(yè)化環(huán)境建設等。，推動了中國SoC的發(fā)展。

2003年，搜狐報道稱，哈工大微電子中心成功研發(fā)出中國第一顆SoC芯片。SoC在工業(yè)中的應用日益頻繁，在加速工業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎上，為信息技術提供了良好的“進入”條件。2021年，僅中國智能手機SoC市場就售出了3.14億片SoC。SoC技術也是近年來中國集成電路設計過程中使用的主要技術之一，包括機器的其他功能設計。

軟硬件協(xié)同設計技術：傳統(tǒng)的集成電路設計基本上屬于硬件設計的范疇，而SoC由于采用平臺化的設計方法，涉及算法、軟件和硬件三個方面。軟硬件協(xié)同設計的理論體系包括系統(tǒng)任務描述、軟硬件劃分、軟硬件協(xié)同設計、軟硬件協(xié)同驗證以及與系統(tǒng)設計相關的低壓低功耗設計、可測性設計等。

一般的軟硬件協(xié)同設計方法是在系統(tǒng)結(jié)構確定、軟硬件劃分后，通過行為模型、RTI（邏輯綜合）級硬件語言描述和數(shù)據(jù)通道綜合等手段完成硬件設計，通過手工匯編和編譯實現(xiàn)軟件。通過軟硬件協(xié)同仿真得到了系統(tǒng)的重要參數(shù)。

軟硬件協(xié)同設計大大降低了硬件設計的風險，縮短了嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試時間。在協(xié)同驗證環(huán)境中，可以發(fā)現(xiàn)硬件和軟件中的關鍵問題，從而避免在最終的集成測試階段重新調(diào)整硬件和軟件。

IP核生成和復用技術：IP核有三種類型:軟核，主要是功能描述；實心，主要用于結(jié)構設計；硬核，基于工藝的物理設計，與工藝相關。其中，硬核的使用價值最高。

IP重用，即從IP供應商處購買現(xiàn)有的IP核，并對其進行排列、連接、檢查和驗證。IP復用是快速設計技術先進、功能強大的產(chǎn)品的關鍵，其使用幾乎涵蓋了集成電路設計的所有經(jīng)典主題，如測試、驗證、仿真和低功耗。IP核可重用性的研究重點是開發(fā)適應各種總線接口的規(guī)范和可測試性的集成，以盡可能少的外包和測試向量達到重用的目的。。

IP核的生成可以基于國際上廣泛使用的總線結(jié)構或自研的片上總線。IP核模塊的選擇需要評估IP核的質(zhì)量、集成的便利性、可重用性以及IP核提供商提供的技術支持。

超深亞微米集成電路設計技術：在超深亞微米IC設計技術的研究中，IC設計人員不得不克服特征尺寸縮小帶來的信號延遲、工作頻率提高帶來的信號完整性、傳統(tǒng)連接延遲等諸多問題，不斷推出超深亞微米SoC設計工具的新技術和新工藝。

SoC設計采用“自頂向下”和分層設計方法。從系統(tǒng)設計入手，在頂層進行系統(tǒng)的功能劃分和結(jié)構設計。設計師需要同時考慮高層的功能問題、結(jié)構問題和低層的布局和布線問題。如果發(fā)現(xiàn)問題，可以進行局部修改。由于物理綜合過程與前端邏輯綜合緊密相連，邏輯綜合是在版圖和布線的基礎上進行的，因此設計迭代較少。

設計原理：SoC所遵循的設計思想的核心是集成整個系統(tǒng)固件，以便用戶可以根據(jù)自己的需要添加、刪除或調(diào)整嵌入式結(jié)構和模塊，然后可以實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設計。它不僅可以優(yōu)化固件特性，還可以節(jié)省開發(fā)定制電路所需的時間并降低設計難度。

SoC系統(tǒng)級芯片

設計法：SoC芯片的設計分為硬件和軟件兩部分。SoC的設計是一種自頂向下和自底向上相結(jié)合的設計方法，同時考慮物理設計和性能，并通過軟硬件協(xié)同開發(fā)相互交織和迭代。由于SoC的設計過程一直在變化和迭代，本文介紹了一種軟硬件協(xié)同的SoC設計方法:

需求分析和產(chǎn)品定義:確定系統(tǒng)的功能需求和性能需求，提取設計約束，進而得到系統(tǒng)的功能組成。

SoC軟硬件協(xié)同合成:根據(jù)需求分析階段確定的系統(tǒng)功能組成，綜合評估和權衡各項性能指標的約束條件，從IP核和軟件構件庫中提取相應的IP核和軟件構件，找出系統(tǒng)的最優(yōu)軟硬件劃分，進而得到SoC設計的目標結(jié)構。

SoC的軟硬件協(xié)同驗證:根據(jù)SoC軟硬件協(xié)同綜合階段得到的SoC設計結(jié)構，按照IP核、軟件組件和用戶自定義邏輯模塊的組成建立評估模型，驗證設計結(jié)構的邏輯功能和性能指標是否滿足用戶要求。如果有，將進入系統(tǒng)開發(fā)階段，否則將回到SoC的軟硬件協(xié)同綜合階段。

系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn):從IP核和軟件構件庫中提取使用過的核，實現(xiàn)IP核、軟件構件和自定義邏輯模塊的連接和集成，得到待測片上系統(tǒng)SoC。

SoC測試:對開發(fā)的SoC進行測試，并采用有效的測試調(diào)度策略，進一步降低測試所需的時間成本。

SoC測試:對開發(fā)的SoC進行測試，并采用有效的測試調(diào)度策略，進一步降低測試所需的時間成本。

優(yōu)勢

自SoC出現(xiàn)以來，盡管其設計變得越來越復雜，但設計驗證也變得越來越復雜，僅這一環(huán)節(jié)就消耗了總設計時間的70%。然而，除了對設計驗證的高要求之外，總體而言，SoC的優(yōu)勢更加顯著。

增加的功能:SoC是一個高度集成的硬件平臺，功能復雜，速度快，功耗低，由許多軟件支持，其最大的優(yōu)勢是功能多樣。

體積縮小:SoC正在向智能化、自動化和小型化方向發(fā)展。

節(jié)省時間:SoC系統(tǒng)更新更快，節(jié)省了大量時間。同時，其軟硬件雙管齊下的模式提高了工作效率，縮短了電子產(chǎn)品的上市時間。

降低成本:與傳統(tǒng)的集成電路制造工藝相比，系統(tǒng)芯片在制造過程中采用了復用設計理念，在設計中采用了靜態(tài)時序驗證方法，節(jié)省了設計和生產(chǎn)成本。

靈活性強:在SoC的設計中，您可以從豐富的IP核心資源中進行選擇，并且整個系統(tǒng)可以更快地更新，這也縮短了供需之間的差距，并對不同的設計應用具有更強的適應性。

劣勢

系統(tǒng)規(guī)模大:SoC一般由幾百萬到幾億個組件組成，電路結(jié)構包括CPU、RFmodule、DSP、DAC等模塊。其更復雜的電路使得驗證和仿真更加困難。

工藝要求高:由于集成電路的發(fā)展、芯片面積的縮小和超深亞微米技術的使用，電路之間的距離越來越近，增加了信號的耦合效應。同時，由于時序的復雜性，電路的仿真和測試更加困難。

芯片功能復雜:芯片系統(tǒng)中集成了很多模塊，要實現(xiàn)的功能非常復雜，并且需要區(qū)分硬件和軟件，因此在設計時需要考慮更多的問題。

處理器芯片應用廣泛，SoC的應用主要集中在兩大領域:消費電子和智能IOT。包括消費電子產(chǎn)品，如手機、平板電腦、掃地機器人、無人機，以及各種類型的工業(yè)應用，如安全、商業(yè)顯示和工業(yè)。SoC需求的增長有兩個維度，一是出貨量的增長，二是性能的不斷升級。

智能手機全球出貨量近14億臺，是目前SoC最大的市場，也是技術更新迭代最快的賽道。隨著消費水平的提高，汽車逐漸成為生活中的“第三空間”，成為SoC的新發(fā)展點，SoC一般應用于高級駕駛輔助系統(tǒng)和自動駕駛。到2022年，高通是第一個進入該市場的公司，并且是該行業(yè)的主要供應商。瑞芯微、陳靜和全志等國內(nèi)制造商正積極切入這一市場。機頂盒和智能電視合計全球?qū)oC處理器芯片的需求接近6億顆。此外，智能手表、VR、AR、ALOT等生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展也逐漸增加了對SoC的需求。

高端SOC集中在手機、平板電腦、服務器市場等。，而且大部分都是一個超大核加多個中核和小核的設計。次高端SOC多用于安防、智能音頻、物聯(lián)網(wǎng)等領域，對算力的要求略低于智能手機，而專用SOC則用于TWS耳機、智能手表等領域，針對特定場景開發(fā)，更接近MCU領域的應用。