系統(tǒng)級芯片(SoC)的技術演進與未來發(fā)展趨勢

本文作者為Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)產品營銷經理Asem Elshimi，旨在說明系統(tǒng)級芯片(SoC)的技術演進與未來發(fā)展趨勢。隨著SoC在支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)實現(xiàn)連接和計算功能方面發(fā)揮無可爭議的作用，該術語已成為行業(yè)流行用語，以至于難以將SoC與其他類型的集成電路(IC)區(qū)分開來。與電源管理芯片等單功能芯片相比，SoC在單芯片上集成了多種電子功能，而高質量的SoC則是由在微型芯片上運行的緊密結合的軟、硬件功能所組成。

其他半導體產品可以根據(jù)它們在一個芯片上集成的晶體管數(shù)量來判定是否合格;然而，這種判定方法無法準確反映SoC上集成功能的質量和復雜性。事實上，要使用更少的晶體管在SoC上構建同等數(shù)量的功能實際上是超高集成能力的體現(xiàn)。

少有人知的SoC發(fā)展史

SoC少有人知的發(fā)展史可能會讓某些業(yè)內人士感到驚訝，實際上SoC產品在正式推出之前已有部分與SoC相關的產品問世。計算機歷史博物館聲稱，第一個真正的SoC產品出現(xiàn)在1974年的Microma手表中。此外，快速瀏覽1989年出版的The Art of Electronics，會發(fā)現(xiàn)一些示意圖看起來很像SoC，其具有步進電機控制、模擬數(shù)字轉換器、串行I/O、集成ROM、定時器和事件控制器。這些早期的SoC有另一個表明它們功能而非它們架構的名稱：專用標準產品(ASSP)。

在SoC的發(fā)展歷史中，大部分時間它都處于大眾視野之外。由于是由具競爭力的科技公司所開發(fā)，SoC的大部分早期概念都掩藏在知識產權法的保密和保護之下。然而，技術經濟上的顯著進展不僅讓SoC得以實現(xiàn)，還成為必要的產品。

在1990年代后期，手機革命推動了在單芯片上集成多功能的發(fā)展。還記得以前的手機有多笨重嗎?舊手機至少包含十幾個執(zhí)行各種功能的芯片：一個中央處理器(CPU)處理網(wǎng)絡配置、用戶界面和所有高級功能;與CPU相關的RAM和Flash;一個基帶數(shù)字信號處理器，執(zhí)行物理信道和語音編碼的數(shù)學密集型運算;以及一個管理射頻(RF)收發(fā)器的混合信號IC。為持續(xù)提升手機的功能并使其更能吸引消費者，制造商在不斷尋求進一步的集成和小型化。

半導體知識產權(IP)的興起開啟了這種集成的可能性。IP核和IP塊是硅層面的設計(而不是物理芯片)，可以集成到其他芯片的設計中，成為更大型系統(tǒng)的構建模塊。IP塊可以是存儲、I/O或處理器內核。半導體公司已開始在他們的芯片設計中添加處理器內核和存儲單元。當半導體IP公司將多模塊的設計當作“黑匣子”出售時，多模塊的集成已然成形，進而開啟了SoC的時代。

SoC能將手機上的芯片數(shù)量減少至少10倍。將分立元件集成在單芯片上顯著提升了效率，縮短了互連時間，使SoC設計人員可以進行系統(tǒng)級優(yōu)化，從而大幅降低功耗。其帶來的結果是，手機越變越小，性能顯著提升，且電池壽命更長。

在過去的二十年里，隨著進一步集成和精心優(yōu)化的實現(xiàn)，傳統(tǒng)手機已演變成為智能手機。一代又一代的SoC設計和優(yōu)化，為技術精進提供了載體，從早期的手機時代開始，一直引領我們走到了今天。

作為物聯(lián)網(wǎng)構建模塊繼續(xù)崛起

SoC發(fā)展的另一個重要催化劑是物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。利用微型、節(jié)能芯片將所有事物連上網(wǎng)絡的可能性意味著我們需要將越來越多的功能集成到單芯片上。對構建更快、可互操作的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的興趣也促成了無線SoC的興起，其集成了射頻收發(fā)器、通用微控制器(MCU)、眾多高性能外圍設備(放大器、ADC、DAC)，以及非易失性存儲器，以執(zhí)行應用處理和網(wǎng)絡協(xié)議棧，同時為無線網(wǎng)絡提供射頻連接。

無線SoC由多個硬件功能單元組成，包括運行軟件代碼的微處理器，以及在這些功能模塊之間用于連接、控制、引導和接口的通信子系統(tǒng)。SoC包含許多必須經常來回發(fā)送數(shù)據(jù)和指令的執(zhí)行單元，這意味著除了最普通的SoC之外，所有的SoC都需要通信子系統(tǒng)。最初，與其他微型計算機技術一樣，SoC使用的是數(shù)據(jù)總線架構，但現(xiàn)在許多設計已改用更簡潔的互通網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點產品需要小型化和功耗優(yōu)化。如果物聯(lián)網(wǎng)旨在將電子設備連接到所有東西上，那么電子設備必須很小，并且在小型電池上盡可能保持長時間供電。這可能需要犧牲SoC的處理能力才能實現(xiàn)。

個人計算機和智能手機可以在其相對可擴展的內存存儲上集成通用的、可互操作的操作系統(tǒng)，但SoC為了小型化和降低功耗就需要犧牲其處理能力和存儲容量。幸運的是，由于無線物聯(lián)網(wǎng)SoC的特殊性，它們的軟件可以針對各種特定的應用場景進行優(yōu)化。雖然這可以實現(xiàn)更小、更高效率的器件，但它增加了SoC軟件的復雜性。位于更大系統(tǒng)中的SoC可能需要接口軟件才能在較大的系統(tǒng)中正常運行。對于在物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點運行的獨立SoC，對軟件棧的要求條件變得非常復雜。公平地說，無線SoC由兩個主要的、相互依賴的子系統(tǒng)組成：軟件和芯片。

在無線SoC中，另一個極其重要的子系統(tǒng)是安全性。雖然安全性與硬件和軟件息息相關，但是值得將其本身視為單獨的子系統(tǒng)，是因為SoC的安全性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。物聯(lián)網(wǎng)設備可能會遇到各種層面的威脅，因此需要在各個層面進行安全防護，包括固件、網(wǎng)絡和用戶身份驗證等層面。

邁向邊緣計算

據(jù)估計，到2025年，全球聯(lián)網(wǎng)設備的凈值將增長到519億(來源：Omdia)。物聯(lián)網(wǎng)中最受期待的發(fā)展之一是在邊緣設備中加入人工智能和機器學習。邊緣智能是指，針對捕獲的數(shù)據(jù)，在其附近的邊緣網(wǎng)絡上進行數(shù)據(jù)收集和分析，并提供具洞察力的見解。這些過程使物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡能夠在本地作出決策，而無須將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，然后再接收返回的決策。由于無線SoC中最耗能的操作之一是射頻傳輸，邊緣智能在節(jié)能方面大有裨益。除了節(jié)能之外，在邊緣網(wǎng)絡上部署機器學習甚至無須將物聯(lián)網(wǎng)設備生成的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，這種數(shù)據(jù)傳輸不但非常耗時、成本高昂，而且會導致數(shù)據(jù)隱私問題。

隨著人工智能和機器學習進一步集成到邊緣設備中，SoC將持續(xù)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。得益于更好、更高效率的半導體制造和設計技術，我們預期未來一代又一代的SoC將會擁有更強大的計算能力。

審核編輯：湯梓紅