一文讀懂SOC芯片

來源：造芯師

一、SOC芯片是什么？

SOC的定義多種多樣，由于其內(nèi)涵豐富、應(yīng)用范圍廣，很難給出準確定義。一般說來，SOC系統(tǒng)級芯片，也有稱片上系統(tǒng)，意指它是一個產(chǎn)品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術(shù)，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。

從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SOC是一個微小型系統(tǒng)，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)OC定義為將微處理器、模擬IP（Intellectual Property）核、數(shù)字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產(chǎn)品。1、SOC的芯片的構(gòu)成是系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊，對于一個無線SOC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現(xiàn))以及微電子機械模塊，更重要的是一個SOC芯片內(nèi)嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應(yīng)用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。

2、SOC的形成過程

（1）基于單片集成系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計和驗證;

（2）再利用邏輯面積技術(shù)使用和產(chǎn)能占有比例有效提高即開發(fā)和研究IP核生成及復(fù)用技術(shù)，特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復(fù)應(yīng)用等；IP核復(fù)用技術(shù)在SOC芯片設(shè)計中被廣泛采用。先進工藝條件下，SoC系統(tǒng)級芯片設(shè)計規(guī)模越來越大，芯片上所集成的IP種類和數(shù)量也隨之暴增。IP數(shù)據(jù)如何高效管理和追蹤變得尤為重要。

（3） 超深亞微米(VDSM) 、納米集成電路的設(shè)計理論和技術(shù)。

3、SOC設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)SOC關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)、SOC驗證技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、超深亞微米電路實現(xiàn)技術(shù)，并且包含做嵌入式軟件移植、開發(fā)研究，是一門跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。

二、SOC芯片的優(yōu)缺點

優(yōu)點

1. 芯片尺寸小。受益于MOS技術(shù)，SOC片可實現(xiàn)功能增加的同時，芯片尺寸大大減小。
2. 低功耗。SOC的低功耗性能，可提高電子設(shè)備 (如手機)的整體使用時間
3. 可再編程。開發(fā)人員可對SOC芯片再編程，重復(fù)使用IP。
4. 可靠性強。SOC芯片提高電路安全性并降低設(shè)計復(fù)雜性；
5. 成本效益高。SOC相比其他電子器件，具有更少的物理組件和可再次設(shè)計；

更快的運行速度；

缺點

1. 生產(chǎn)周期長。SOC芯片從設(shè)計到制造出貨整個過程在6個月到1年左右；
2. 設(shè)計驗證時間長。SOC芯片的設(shè)計驗證環(huán)節(jié)約占總周期的70%；
3. IP核的授權(quán)和兼容情況大大影響產(chǎn)品上市時間；
4. 制造成本指數(shù)型增長；

對于小批量的產(chǎn)品，SOC不是最好的選擇；

三、SOC芯片設(shè)計流程

1．功能設(shè)計階段
設(shè)計人員產(chǎn)品的應(yīng)用場合，設(shè)定一些諸如功能、操作速度、接口規(guī)格、環(huán)境溫度及消耗功率等規(guī)格，以做為將來電路設(shè)計時的依據(jù)。更可進一步規(guī)劃軟件模塊及硬件模塊該如何劃分，哪些功能該整合于SOC 內(nèi)，哪些功能可以設(shè)計在電路板上。

2．設(shè)計描述和行為級驗證功能設(shè)計完成后，可以依據(jù)功能將SOC 劃分為若干功能模塊，并決定實現(xiàn)這些功能將要使用的IP 核。此階段間接影響了SOC 內(nèi)部的架構(gòu)及各模塊間互動的訊號，及未來產(chǎn)品的可靠性。決定模塊之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述語言實現(xiàn)各模塊的設(shè)計。接著，利用VHDL 或Verilog 的電路仿真器，對設(shè)計進行功能驗證（functionsimulation，或行為驗證 behavioral simulation）。注意，這種功能仿真沒有考慮電路實際的延遲，但無法獲得精確的結(jié)果。

3．邏輯綜合確定設(shè)計描述正確后，可以使用邏輯綜合工具（synthesizer）進行綜合。綜合過程中，需要選擇適當?shù)倪壿嬈骷欤?a href="http://wenjunhu.com/tags/Cirrus logic/" target="_blank">logic cell library），作為合成邏輯電路時的參考依據(jù)。硬件語言設(shè)計描述文件的編寫風(fēng)格是決定綜合工具執(zhí)行效率的一個重要因素。事實上，綜合工具支持的HDL 語法均是有限的，一些過于抽象的語法只適于做為系統(tǒng)評估時的仿真模型，而不能被綜合工具接受。邏輯綜合得到門級網(wǎng)表。

4．門級驗證（Gate-Level Netlist Verification）門級功能驗證是寄存器傳輸級驗證。主要的工作是要確認經(jīng)綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門電路級驗證工具完成。注意，此階段仿真需要考慮門電路的延遲。5．布局和布線布局指將設(shè)計好的功能模塊合理地安排在芯片上，規(guī)劃好它們的位置。布線則指完成各模塊之間互連的連線。注意，各模塊之間的連線通常比較長，因此，產(chǎn)生的延遲會嚴重影響SOC的性能，尤其在0.25 微米制程以上，這種現(xiàn)象更為顯著。
集成電路的發(fā)展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規(guī)律推進，現(xiàn)已進入深亞微米階段。由于信息市場的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細加工（集成電路特征尺寸不斷縮?。橹饕卣鞯亩喾N工藝集成技術(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機芯片、數(shù)字電視芯片、DVD 芯片等。在未來幾年內(nèi)，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現(xiàn)。SOC(System - on - Chip)設(shè)計技術(shù)始于20世紀90年代中期，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，IC設(shè)計者能夠?qū)⒂鷣碛鷱?fù)雜的功能集成到單硅片上，SOC正是在集成電路( IC)向集成系統(tǒng)( IS)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。1994年Motorola發(fā)布的FlexCore系統(tǒng)(用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器)和1995年LSILogic公司為Sony公司設(shè)計的SOC，可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SOC設(shè)計的最早報導(dǎo)。由于SOC可以充分利用已有的設(shè)計積累，顯著地提高了ASIC的設(shè)計能力，因此發(fā)展非常迅速，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，是技術(shù)發(fā)展的必然，也是IC 產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展。