什么是SOC？一文了解系統(tǒng)級(jí)芯片的優(yōu)點(diǎn)與挑戰(zhàn)

將數(shù)個(gè)功能不同的芯片，整合成“一個(gè)”具有完整功能的芯片，再封裝成“一個(gè)”集成電路，稱為“系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC：System on a Chip）”。

例如：將處理器變成“CPU 單元”，北橋芯片變成“MCH 單元”，整合在同一個(gè)光罩上，制作成一個(gè)芯片，如下圖所示，目前 Intel公司就是朝向這個(gè)方向努力，以縮小筆記本電腦的體積。

SoC芯片的優(yōu)點(diǎn)

? 減小體積：以印刷電路板組合數(shù)個(gè)不同功能的集成電路，體積較大；如果整合成一個(gè) SoC 芯片，體積則被縮小。

? 減少成本：需要封裝測(cè)試多顆集成電路，成本較高；如果整合成一個(gè) SoC 芯片，只需要封裝測(cè)試一顆集成電路，成本較低。
? 降低耗電量同時(shí)提高運(yùn)算速度：以印刷電路板組合數(shù)個(gè)不同功能的集成電路，電信號(hào)必須在印刷電路板上傳送較長(zhǎng)的距離才能進(jìn)行運(yùn)算，耗電量較高，運(yùn)算速度較慢；如果整合成一個(gè) SoC 芯片，電信號(hào)在同一個(gè)集成電路內(nèi)傳送較短的距離就能進(jìn)行運(yùn)算，耗電量較低，運(yùn)算速度較快。

? 提升系統(tǒng)功能：將不同功能的集成電路整合成一個(gè) SoC 芯片，體積較小，可以整合更多的“功能單元”，形成功能更強(qiáng)大的芯片。

SoC芯片的挑戰(zhàn)

由于 SoC 芯片的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證必須與半導(dǎo)體制造技術(shù)配合，再加上必須具備完整的混合信號(hào)、數(shù)字與類比、低頻與高頻、存儲(chǔ)器等相關(guān)的智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)（IP）產(chǎn)業(yè)互相配合，因此系統(tǒng)單晶片的設(shè)計(jì)仍然有許多困難極待克服，系統(tǒng)單晶片的設(shè)計(jì)瓶頸包括：

? 制造瓶頸：不同功能單元的制程技術(shù)不同，要同時(shí)制作在硅芯片上非常困難，數(shù)字電路的整合比較容易，數(shù)字與模擬電路兩者要整合在一起就比較困難。? 封裝瓶頸：SoC 芯片功能強(qiáng)大，工作頻率增加，必定會(huì)造成線路的信號(hào)產(chǎn)生雜訊互相干擾，必須使用覆晶封裝、錫球封裝、 晶圓級(jí)封裝等技術(shù)加以克服。

? 測(cè)試瓶頸：測(cè)試機(jī)器必須同時(shí)具備多種數(shù)字與模擬信號(hào)的測(cè)試功能，因此必須發(fā)展多功能單一機(jī)型的測(cè)試機(jī)器，同時(shí)測(cè)試不同功能的 SoC 芯片。

為何需要SoC？智能手機(jī)的發(fā)展自 2007 年蘋果發(fā)表 iPhone 3G 后，到之后蘋果開始設(shè)計(jì)自己的 A 系列芯片，從 2010 的 A4 芯片，到現(xiàn)在 M2系列，性能的爆炸性增長(zhǎng)，同時(shí)卻能維持住省電，而在同一面積下能塞的晶體管還愈來(lái)愈多。當(dāng)然不能忽視的是這也是投入很多金錢即研究人員出來(lái)的成果，但可以證明 SoC 帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，是非同小可的。

物聯(lián)網(wǎng)的需求

物聯(lián)網(wǎng)也是 SoC 其中的推力之一。蘋果 Airpod具有藍(lán)牙、音樂(lè)播放功能，Apple Watch 有 Wifi、顯示以及聲音功能。但這卻很難利用同一顆 CPU 來(lái)完成這兩種截然不同的應(yīng)用，因此面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)多樣化的應(yīng)用需求，SoC 剛好就是很棒的解決方案。

透過(guò)整合不同的芯片，并針對(duì)不同的應(yīng)用設(shè)計(jì) SoC 芯片，再讓架構(gòu)師設(shè)計(jì)適合的微架構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化、測(cè)試，來(lái)解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求，如：更長(zhǎng)的使用時(shí)間搭配更棒的音質(zhì)效果、或者更棒的感測(cè)技術(shù)搭配無(wú)線功能等等。

人工智能的成長(zhǎng)

事實(shí)上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念很早就被提出，之所以近十年快速發(fā)展是因?yàn)?GPU 算力的突破性成長(zhǎng)，讓以前要花幾個(gè)禮拜訓(xùn)練的模型，如今在幾天甚至幾個(gè)小時(shí)就能完成，這也帶領(lǐng)世界走進(jìn)大數(shù)據(jù)時(shí)代。

通過(guò)CPU 與GPU的整合，同時(shí)也推動(dòng)著AI SoC 芯片的發(fā)展。

除此之外，市場(chǎng)需求、應(yīng)用層面的擴(kuò)張、額外的數(shù)據(jù)處理，也推動(dòng)了SoC 的需求增加。