SOC技术及应用

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1、SOC 技术及应用当前，在微电子及其应用领域正在发生一场前所未有的变革，这场变革是由片上系统 (SoC)技术研究应用和发展引起的。 从技术层面看， SoC 技术是超大规模集成电路发展的必然趋势和主流，它以超深亚微米VDSM (Ve rYDeep Submicron)工艺和知识产权 IP核复用技术为支撑。下面我介绍一下SoC 技术的发展史、现在的状况以及将来发展面临的挑战。在应用方面就一个简单的SoC 在军事中的应用来说明。SoC 是20世纪90年代出现的概念。随着时间的不断推移， SoC 技术的不断完善，SoC 的定义也在不断的发展和完善。 DataqUest定义SOC 为 “an integ

2、rated circuit that contains acompute engine， memory and logicon a single chip”，即SoC 为包含处理器、 存储器和片上逻辑的集成电路。 这大致反映了 l995 年左右 SoC设计的基本情况。随着 RF 电路模块和数模混合信号模块集成在单一芯片中，SoC的定义在不断的完善，现在的SoC 中包含一个或多个处理器、存储器、模拟电路模块、数模混合信号模块以及片上可编程逻辑。因此，SoC 定义的发展和完善过程，也大致反映 SoC 技术在近 l5 年的发展趋势。从应用开发的角度来看， SoC 的主要含义是在单芯片上集成微电子应用

3、产品所需的所有功能系统。 SoC 技术研究内容包括：开发工具、IP及其复用技术、可编程系统芯片、 信息产品核心芯片开发和应用、SoC 设计技术与方法、 SoC 制造技术和工艺等。从使用角度来看， SoC 有三种类型：专用集成电路 ASIC(Application Specific IC) ，可编程 SoC(System on Programmable Chip) 和0EM (Originaleq U iPmentManufacturer)型SoC 。国际上 SoC 应用设计逐渐从 ASIC方向向可编程 SoC方向发展。 ASIC设计的典型实例主要包括：l 9 9 4 年Motolola 的Fl

4、exCore 系统是基于定制的 68000和PowerPC 微处理器； l995 年LSI Logic 为Sony公司开发的 SoC ，它包括一个 lMIPS的微处理器，存储器和 Sony Logic ，这已经被广泛应用于 Sony Playstation视频游戏中；1996年IBM 公司制造了它的第一款 S0CASIC ，该系统包括PowerPC 401 微处理器、 SRAM 存储器、高速的模拟存储器接口和私有的客户逻辑。随着 SoC 应用的不断普及，市场需要更加广泛的SoC 设计。 SoC 提供商不仅必须拓展系统内部设计能力，而且要直接开发和交付SoC 设计套件和方法给客户。因此， SoC

5、 设计逐渐向可编程 SoC 方向发展。中国在高新技术研究发展 863计划中，把SoC 作为微电子重大专项列入了20002001年度信息技术领域的重大专项预启动项目，并在 IP核的开发、软硬件协同设计、 IP复用、VDSM 设计、新工艺新器件等方面布置了预研性课题， 其中IP核的设计和制造是 SoC 技术中最为关键的部分。在中国最适应 SoC 技术应用开发的 SoC 类型是可编程 SoC 技术。可编程SoC 是在一块现场可编程芯片上提供产品所需的系统级集成。多家IC提供商已经在可编程 SoC的实现方面迈出了可喜的步伐。 这些新的器件所提供的系统功能包括处理器、存储器和可编程逻辑，从而解决了与AS

6、IC相关的 NRE( 非经常性工程 ) 费用高或制造周期太长的问题。可编程SOC 提供了 ASIC 的高集成度 (低功率、小尺寸，低成本)及FPGA 的低风险、灵活性和上市快的特性。这也是SoC 技术在微电子行业受欢迎的最根本的原因。目前，已有几家IC提供商提供这种类型的可编程SoC 。其中比较著名的三个公司是： Atmel、Xilinx和Altera 。SoC SoPC 明显的技术优势，决定了其在军事装备上有广阔的应用空间。无论是对现役装备的“嵌入式”改造，还是新装备的研发，SoC 技术的应用都将成为一个战斗力的“倍增因子”。作为嵌人式电子技术之一，SoC 技术可以应用在作战武器、 测试检测

7、设备、 模拟训练器材等。 就如便携式火控系统中央处理单元，先进的便携式火控系统要求中央处理单元的体积小、功耗低，但要具有较强的处理能力、抗电子干扰能力和可靠性。SoC 技术可以很好地满足设计要求。采用ARM9TDMI(32 位) 微处理内核为控制核心， 它以2 1mm2 的核面积和 150mW 的功耗，实现200MIPS 的处理速度；采用 ucos开放源代码实时操作系统，软件开发掌握自主知识产权； DSP 核用以完成所有复杂计算， 采用基于最 d“- 乘法原理的曲线拟合算法外推目标轨迹，实现“记忆跟踪”，应用第三假定求解射击诸元；大容量的ROM 存储射表及所有相关数据；角度传感器输出角度的编码

8、脉冲，脉冲转换模块处理理 API、数据传输 API、中断查询 API、12C 操作API和直接控制 API。其中数据传输 API是最重要、最常用的一组函数，它提供了多种数据传输模式；直接控制API是用于 CH371 直接输入输出信号， 包括设置、输入和输出三部分组成。 SoC追求功耗、体积、开发周期的最小化和性能、可靠性、自主知识产权的最优化，是实现嵌入式电子系统的理想方式。按照摩尔定律，芯片的集成度每3年增加 4倍，SoC 将是大势所趋。同样SoC 在汽车嵌入式 SoC 系统中也得到广泛的应用。 汽车嵌入式 SoC 系统是嵌入式系统向实时多任务管理、 网络耦合与通信的高端应用过渡的产物大大提

9、高了汽车电子系统的实时性、 可靠性和智能化程度。 除了具备普通嵌入式系统的共有特性之外它还具有以下几个优点：1、对实时多任务处理有很强的支持能力。2、具有很强的存储区保护功能。3、在嵌入式实时操作系统的支持下能合理进行任务调度充分利用系统资源。4、硬件结构和软件功能都有很强的扩展能力，系统集成度大大提高降低了成本。5、超低功耗汽车静态功耗为毫瓦级。6、系统硬件抗干扰能力增强适应高温、潮湿、振动和电磁辐射等各种工作环境。7、实时操作系统支持软件多线程结构增强了系统的软件抗干扰性。8、提供强大的网络通信功能。除了上面列出的两种应用外， SoC 设计技术还用在生活的方方面面，在这里就不予，一一列出。

10、下面我们来说说SoC 设计技术现阶段所面临的挑战。SoC 设计虽然在过去的十几年中已经取得了显著的发展，但是它所面临的挑战也是不容忽视的。作为基于IP核的设计， SoC 设计主要向两个方向发展，一是以可重用 IP核为基础的系统级设计， 这主要关心的是 IP核间的互连性， 同时也是SoC 设计面临的挑战之一。二是以设计可重用IP核为目的的 IP核设计，这主要关心的是 IP核的可重用性，同时也是 SoC 设计面临的又一个挑战。对于第一个挑战， 现在通常采用片上总线结构来解决IP核之间的互连性， 即核与核之间并非直接相连而是通过片上总线进行互连。使用片上总线结构虽然可以解决 IP核间的互连问题， 但

11、这同时又出现了另外一个问题。由于不同厂商使用不同的总线结构，例如ARM 的AMBA 总线， MIPS 的EC 总线， IBM 的CoreConnect总线，因此不同厂商 IP核之间的互连几乎是不可能的。 建立一种通用的片上总线结构是VSIA fVirtual Socket InterfaceAssociation)一直努力的目标。最近，提出一种基于片上网络的互连结构， 即IP核之间通过网络结构来实现数据的传输。这种结构虽然可解决通用总线的问题，但建立一个高效的路由算法是非常必要的。对于第二个挑战，要设计一个可重用的IP核应该具有以下的特征：1、可读性。这是针对软核和固核来说的，即使用者对 IP

12、核的功能和算法有比较详细的了解后， 才能正确使用和充分发挥 IP核的优点。这就要求 IP核的提供商采用一种恰当的方法描述设计，使用户可以方便正确的使用IP核。同时还要采取措施，保护其知识产权不受侵犯。2、设计的延展性和工艺适应性。IP核是经过精心设计、验证并且优化的，一经定型就要求其具有一定的应用范围，即针对不同的设计应用具有一定的适应性。3、可测性。IP核必须是经过测试验证的，当用于具体的设计中时，并非一点改变都没有。 因此，IP核的功能和性能还应该被使用方测试，不仅能对其进行单独的测试并且能在系统的应用环境中进行测试。4、端口定义标准化。即 IP核的湍 El要有一个统一的定义。5、版权保护

13、。6、交付的数据资料完整，方便芯片的集成过程。除了以上的挑战之外， 伴随着 VLSI技术时钟频率超过 22GHz 以及晶体管的特征尺寸缩小到小于 013 nm，对传统的 VLSI设计者来说， SoC 设计还将面临着下面的一些挑战：1、由于连接延时的不确定性，在时钟频率为l 0GHz集成了上亿晶体管的VLSI(Very Large Scale Integration)芯片上，时钟同步是一个关键问题，必须通过解决时钟抖动和减少摆率的技术来减少时序的混乱，一个全局异步局部同步的时钟策略是绝对必须的。 为解决时钟摆率带来的问题， 推荐采用网状树组合结构，而且，分布式 PLL也变得很有可能。2、由于高集

14、成度和频率，在将来的生产过程中信号完整性问题将变得更加严重。3、在将来的生产过程中，过程变量成为影响时序确定性的潜在因素，因为要控制已经减小的特征尺寸是非常困难的。4、功耗问题仍然是限制 SoC 设计的因素。上面说的是 SoC 技术面临的一些挑战，世间万物都有它的不足的一面，但是只要我们能扬长避短，任何东西都有它可用的一面，SoC 技术也是这样。下面我来说说 SoC 的发展前景。半导体工业的主导已经从过去的面向商务和政府应用转移到面向个人的消费电子应用上来， 美国半导体产业协会显示传统的周期是24个月，但是消费电子产品则是少于 12个月。 生产和研发的成本在持续的上涨， 价格还在不断创造新低，

15、一个方面我们要用最高精尖的技术去做市场化的消费电子产品，另外一个方面我们要面对更短的产品周期、 更高的成本， 挑战是巨大的。 展望未来面向消费电子的SoC 设计，我们将面临着一个日益复杂的电子系统，就像今天我们打开笔记本电脑，不管我们用什么东西， 反正我们要把操作系统安装上，然后在上面运行应用软件。我们面临这样的系统就是在微软、英特尔之间不断把资源堆积起来，这是一个资源高度浪费的系统。 这样系统的复杂度不断的上升， 今天推广计算机最大的障碍是什么 ?不是成本，而是知识，因为许多人不知道如何使用和维护计算机。计算机装机运行还可能会带来病毒的泛滥和盗版的盛行。今天，基于硬件芯片、BICls 、驱动

16、程序、操作系统、网络和应用架构的电子系统有四大毒瘤一资源浪费，维护困难，病毒泛滥和盗版盛行。很多人认为没有办法解决，如果换一个思路，我们设计有这样的系统；一个包含SoC 的芯片的最小硬件系统、一个非常小的操作系统和一个下载的应用接口，当我们有了这样的系统， 在应用的过程当中可能需要用到某些特定的软件就下载下去，如果不需要我们就扔掉， 这样软件的安排是按需选择， 它的维护变得的简单， 也并不需要太多的资源。 因为应用软件是从专门的服务器下载的，所以没有病毒， 因此也没有盗版。 这是一种有意义的探索，伴随半导体制造工艺从65nm 向32nm 发展，未来软件的作用在芯片设计和销售中的比重将越来越大， 未来的设计不仅包含了硬件， 还要包含很大规模的软件，传统的软、硬件划分准则不再生效，芯片销售将包括驱动程序，控程序和标准的应用接口， 还可能包括一个简单的嵌入式操作系统。软件的增值会给设计公司很大的收入，设计思路会发生很大的变化。因为我们今天是soC的时代，因此软件是我们发展当中不可避免的，是重要的一个部分。看看过去的几十年Mcrosoft 和英特尔的关系，软件和硬件的互动发展是