物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的SoC發(fā)展和演變過程

作者：陳春章

鵬城實(shí)驗(yàn)室，(浙江大學(xué)/國科大兼職教授)

摘 要

基于同一個技術(shù)平臺的片上系統(tǒng)芯片(System-on-Chip, SoC)設(shè)計(jì)概念在20世紀(jì)末期提出。當(dāng)人們將CPU，GPU，存儲器等集成到同一塊芯片，并成功地用于廣受歡迎的消費(fèi)電子產(chǎn)品時，SoC設(shè)計(jì)從架構(gòu)、設(shè)計(jì)方法到產(chǎn)品成了集成電路產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品之一。隨著2010前后物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)技術(shù)應(yīng)用的推廣，包括隨后4G/5G技術(shù)的成熟，SoC產(chǎn)品的微處理控制器(micro-controller unit, MCU)成為熱門。用于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的類腦芯片(neurol processing unit, NPU)出現(xiàn)后，多個或若干個CPU/GPU等，多核異構(gòu)設(shè)計(jì)將SoC設(shè)計(jì)不斷向先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)推進(jìn)，并幾乎到達(dá)了CMOS集成電路的技術(shù)極限。本文側(cè)重IoT的應(yīng)用，簡要介紹SoC的發(fā)展和演變過程。

關(guān)鍵詞：System-on-Chip, ASIC, SoC, CPU, IoT, MCU, NPU, IIoT, AIoT

產(chǎn)業(yè)發(fā)展

基于RFID標(biāo)簽(tag)的應(yīng)用，Kevin Ashton于1999年首次提出通過英特網(wǎng)連接器件，即物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的概念。IoT名詞在21世紀(jì)初期得到廣泛傳播，首次國際IoT會議于2008年在瑞士舉行，有23個國家參加。會議討論了RFID與短程無線通信，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)細(xì)節(jié)。據(jù)此，思科公司2011年提出未來通過IoT實(shí)現(xiàn)的無線連接器件每人達(dá)到多個，見表1[1]。

物聯(lián)網(wǎng)IoT的應(yīng)用大大地推動了集成電路，尤其是片上系統(tǒng)芯片SoC的設(shè)計(jì)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。SoC設(shè)計(jì)是由專用集成電路(application-specific integrated circuit, ASIC)設(shè)計(jì)演變而來:通常，ASIC專為獨(dú)家用戶設(shè)計(jì)使用；當(dāng)ASIC產(chǎn)品成為多家或若干用戶使用時，人們將其稱作專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(application-specific standard product, ASSP)。

以往的ASIC和ASSP設(shè)計(jì)中常常使用的模塊稱作客戶自有模塊(custom-owned tooling, COT)；這些設(shè)計(jì)也可以不使用處理器。當(dāng)ASIC和ASSP設(shè)計(jì)集成了處理器時，這時，人們就習(xí)慣將這一類的設(shè)計(jì)稱為SoC設(shè)計(jì)了[2]。

IoT的SoC設(shè)計(jì)與應(yīng)用

SoC設(shè)計(jì)起初與IP復(fù)用(re-use)需求相關(guān)， Henry Chang等于1999年的著作中聲稱，SoC的變革來了，提醒人們加以關(guān)注[3]。2007年，蘋果公司發(fā)布了iPhone手機(jī)，其基帶芯片設(shè)計(jì)帶動了SoC設(shè)計(jì)熱潮。

由于過去10年來IoT市場的迅速發(fā)展，以(micro-controller unit, MCU)為核心的設(shè)計(jì)得到了極大關(guān)注。人們定義SoC所包括的內(nèi)容有處理器，存儲器和IP模塊以及客戶自有模塊COT[4]; MCU除了包含SoC的設(shè)計(jì)內(nèi)容，還包括傳感器，無線等多種接口和輸入輸出信號控制等多種IP模塊，廣義地說，MCU也是一種SoC設(shè)計(jì)[4]。時至今日，數(shù)百家IP廠商已經(jīng)設(shè)計(jì)出上萬種IP模塊，因此，COT模塊已經(jīng)逐步由標(biāo)準(zhǔn)化的IP模塊所取代，人們甚至逐漸淡忘了COT模塊過去的歷史角色。

早期的ASIC設(shè)計(jì)或SoC設(shè)計(jì)通常僅有單個CPU(單核)。當(dāng)更多類型的IP模塊集成到SoC中，這時的SoC設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)聚焦于芯片的可靠性及其解決方案，例如，對各種IP模塊的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，數(shù)字電路部分的可測試性等等。

對用于IoT的SoC設(shè)計(jì)，更多地集成了模擬和射頻電路。雖然芯片規(guī)模比以數(shù)字電路為主的傳統(tǒng)的SoC要小一些，這類的SoC設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)還要聚焦于數(shù)?；旌显O(shè)計(jì)，仿真和驗(yàn)證等。

按照采用的 CPU不同，MCU設(shè)計(jì)主要有８位、16位、32位、64位等不同系列，最常見的有以8051為代表的早期8位處理器MCU以及以ARM Cortex-M系列為代表的 32位處理器MCU。MCU的特點(diǎn)是自成一體的小型計(jì)算與無線控制系統(tǒng)，處理能力不同的CPU，提供不同的計(jì)算處理性能和運(yùn)算頻率。

根據(jù)IoT的應(yīng)用場景來看，基于MCU的SoC設(shè)計(jì)功能大致可分為以下幾類。1）普適IoT應(yīng)用：例如，電子游戲，智能穿戴（手表、耳機(jī)），智能家居家電等。2）工業(yè)IoT應(yīng)用(Industry IoT, IIoT)與汽車電子：例如，生產(chǎn)線運(yùn)行和物流運(yùn)輸?shù)?，汽車電子控制單?electronic control unit, ECU)中的MCU。3）人工智能IoT(AI IoT, AIoT)：例如，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智慧城市，視頻監(jiān)控等。

IoT的原初定義是，電子器件通過無線(或有線)與英特網(wǎng)互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，達(dá)到信息交換、控制運(yùn)行的目的。以上IoT, IIoT和AIoT三種應(yīng)用場景所需求的SoC設(shè)計(jì)則都可以包括在內(nèi)。因此，廣義來看，用于IoT的SoC設(shè)計(jì)， IIoT和AIoT與IoT緊密相連，并將集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝方法推往極限。

展 望

2005-2006年，AMD/Intel相繼發(fā)布了第一個雙核(dual core)處理器；2008-2009年，相繼發(fā)布了第一個4核(quad core)處理器；2017年，分別發(fā)布了用于臺式電腦的16核處理器(Ryzen/Core-i9)。當(dāng)雙核，4核，8核等多核(multiple cores)SoC設(shè)計(jì)技術(shù)成功之后，含有數(shù)十個以致數(shù)百個CPU眾核(many cores)的用于AIoT的SoC設(shè)計(jì)則接踵而來。這些AIoT設(shè)計(jì)，即用于計(jì)算和通信的SoC設(shè)計(jì)規(guī)模正將CMOS工藝技術(shù)和制造從當(dāng)前量產(chǎn)的10/7/5nm推向2/1nm的極限。另一方面，用于IoT的SoC/MCU設(shè)計(jì)內(nèi)容和IP模塊多樣，在工藝制造方面受成本控制，以180nm為主流，一些先進(jìn)設(shè)計(jì)達(dá)到28nm。因此，還有極大的工藝空間可以施展。在比較流行的ARM為主的CPU選擇上， RISC-V在MCU的設(shè)計(jì)中，也正在成為新秀。

MCU產(chǎn)品的應(yīng)用市場廣闊、種類繁多。由于技術(shù)起點(diǎn)相對較低，國內(nèi)已有近百家MCU設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。當(dāng)前聚焦4位MCU的設(shè)計(jì)比較少見；８位和16位的MCU較多；32位和64位MCU的設(shè)計(jì)將是更重要的發(fā)展方向。順便指出，無論哪一類SoC設(shè)計(jì)，它們都將繼續(xù)依賴于EDA工具和流程方法[5]。

原文標(biāo)題：物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的片上系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)計(jì)

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