SoC集成了手機上許多最關(guān)鍵的組件，如CPU、GPU和內存。也就是說(shuō)，雖然它以芯片的形式存在于主板上，但它是由許多元件組成的。比如我們通常所說(shuō)的高通801、泰格拉4、A6等。都只是系統組件封裝（SoC）之后的通稱(chēng)。

狹義的片上系統是以芯片集成為核心的信息系統，即系統的關(guān)鍵部件集成在一個(gè)芯片上；廣義的SoC是一個(gè)微型系統。如果中央處理器（CPU）是大腦，那么片上系統就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學(xué)術(shù)界一般傾向于將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核、以及存儲器（或片外存儲控制接口）集成在一塊芯片上。通常是客戶(hù)定制或用于特定用途的標準產(chǎn)品。

SoC芯片

片上系統定義的基本內容主要在兩個(gè)方面：一是它的組成，二是它的形成過(guò)程。片上系統的組成可以是片上系統控制邏輯模塊，微處理器/微控制器CPU核心模塊、數字信號處理器DSP模塊、嵌入式存儲器模塊、與外界通信的接口模塊、包含模擬前端模塊、電源、電源管理模塊的ADC/DAC。對于一個(gè)無(wú)線(xiàn)SoC，還有射頻前端模塊，用戶(hù)自定義邏輯（可以通過(guò)FPGA或ASIC實(shí)現），以及一個(gè)微機電模塊。更重要的是，SoC芯片嵌入了基本的軟件（RDOS或COS和其他應用軟件）模塊或可加載的用戶(hù)軟件等。

在芯片形成或生產(chǎn)過(guò)程中的系統包括以下三個(gè)方面：

1）基于單片集成系統的軟硬件協(xié)同設計與驗證；

2) 有效提高邏輯區技術(shù)的使用率和生產(chǎn)能力的再利用率，即IP核生成和再利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究，特別是嵌入式大容量存儲模塊的重復應用；

3 )超深亞微米及奈米設計理論與技術(shù)。

片上系統設計的關(guān)鍵技術(shù)：SoC關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線(xiàn)架構技術(shù)、IP核復用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設計技術(shù)、SoC驗證技術(shù)、可測性設計技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現技術(shù)等。還包括嵌入式軟件的移植和開(kāi)發(fā)研究，是一個(gè)新興的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域。

一個(gè)電子系統的功能可以在一個(gè)芯片上完成，而這個(gè)系統過(guò)去需要一個(gè)或多個(gè)電路板，以及板上的各種電子器件、芯片和互連。SoC可以看作是城鎮建筑物的集成。賓館、飯店、商場(chǎng)、超市、醫院、學(xué)校、公交車(chē)站，以及大量的住宅集中在一起。它構成了一個(gè)小城鎮的功能，滿(mǎn)足了人們吃、住、行的基本需求。SoC更多的是處理器（包括CPU、DSP）、存儲器、各種接口控制模塊，以及各種互連總線(xiàn)的集成。SoC的典型代表是手機芯片。SoC還沒(méi)有達到單芯片實(shí)現傳統電子產(chǎn)品的水平?？梢哉f(shuō)，SoC只實(shí)現了一個(gè)小鎮的功能，卻無(wú)法實(shí)現一個(gè)城市的功能。

SOC集成電路

SoC有兩個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)：一是硬件規模大，通?；贗P設計模式；二是軟件所占比重大，需要軟硬件協(xié)同設計?？梢员茸鞒鞘邢鄬τ谵r村的明顯優(yōu)勢：設施齊全，交通便利，效率高。SoC也有類(lèi)似的特點(diǎn)：在單個(gè)芯片上集成了更多的支持電路，節省了集成電路的面積，也節約了成本。片上互連相當于城市高速公路，具有高速、低功耗的特點(diǎn)。原本分布在電路板上的各種設備之間傳輸的資料集中在同一個(gè)芯片上，相當于一個(gè)只有長(cháng)途客車(chē)才能到達的地方。它已經(jīng)搬到了城市，并乘坐地鐵。城市的第三產(chǎn)業(yè)發(fā)達，競爭力更強，SoC上的軟件相當于城市的服務(wù)業(yè)。不僅硬件好，軟件也好。

同一套硬件，今天可以用來(lái)做一件事，明天可以用來(lái)做另一件事，類(lèi)似于城市中整個(gè)社會(huì )的資源分配和調度利用的增加。由此可見(jiàn)，SoC在性能、成本、功耗、可靠性、生存周期和應用范圍等方面都具有明顯的優(yōu)勢，是集成電路設計發(fā)展的必然趨勢。在性能和功耗敏感的終端芯片領(lǐng)域，SoC已經(jīng)占據了主導地位，其應用范圍正在向更廣泛的領(lǐng)域擴展。在單芯片上實(shí)現完整的電子系統是未來(lái)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

二技術(shù)發(fā)展

這已有40年的歷史。它一直按照摩爾定律向前發(fā)展，現已進(jìn)入深亞微米階段。由于信息市場(chǎng)的需求和微電子自身的發(fā)展，以微細加工（集成電路的特征尺寸不斷縮?。橹饕卣?，發(fā)展多種工藝集成技術(shù)和面向應用的系統級芯片。作為產(chǎn)業(yè)進(jìn)入超深亞微米甚至納米加工時(shí)代，一個(gè)復雜的電子系統，如手機芯片、數字電視芯片，以及DVD芯片，可以在一個(gè)單一的 未來(lái)幾年內，數以?xún)|計的并且預計在一個(gè)芯片上實(shí)現數千萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)。系統芯片設計技術(shù)始于20世紀90年代中期。隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)的發(fā)展，集成電路設計人員可以在單個(gè)硅片上集成越來(lái)越多的復雜功能。SoC正是在集成電路（IC）向集成系統（IS）的大方向下發(fā)展的。Motorola在1994年發(fā)布的FlexCore系統（用于制造基于68000和PowerPC的定制微處理器）和LSILogic在1995年為Sony設計的SoC可能是基于IP（intellectual property）內核的SoC設計的最早報道。由于SoC能夠充分利用現有的設計積累，顯著(zhù)提高專(zhuān)用集成電路的設計能力，因此發(fā)展非常迅速，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(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，是集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的未來(lái)。

Ⅲ存在的問(wèn)題

當前芯片設計行業(yè)面臨著(zhù)一系列的挑戰。片上系統已經(jīng)成為集成電路設計界關(guān)注的焦點(diǎn)。SoC性能越來(lái)越強，越來(lái)越大。SoC芯片的規模一般比普通ASIC大得多。同時(shí)，由于深亞微米工藝帶來(lái)的設計困難，大大增加了SoC設計的復雜性。在SoC設計中，仿真和驗證是SoC設計過(guò)程中最復雜、最耗時(shí)的環(huán)節，約占整個(gè)芯片開(kāi)發(fā)周期的50%至80%。采用先進(jìn)的設計和仿真驗證方法已成為SoC設計成功的關(guān)鍵。SoC技術(shù)的發(fā)展趨勢是基于SoC開(kāi)發(fā)平臺?；谄脚_的設計是一種面向集成的設計方法，可以最大限度地實(shí)現系統復用。共享IP核開(kāi)發(fā)和系統集成的成果，不斷重組價(jià)值鏈。延時(shí)和功耗的基礎上，轉向良率、可靠性、電磁干擾（EMI）的噪音、成本、易用性等。都使系統級集成能力的快速發(fā)展成為可能。所謂的SoC技術(shù)是一種高度集成的、基于固件的系統集成技術(shù)。采用SoC技術(shù)設計系統的核心思想是將整個(gè)應用電子系統集成到一個(gè)芯片上。采用SoC技術(shù)設計應用系統時(shí)，除了那些不能集成的外部電路或機械部分外，所有的系統電路都集成在一起。

Ⅳ片上系統芯片技術(shù)

1.核心技術(shù)

系統功能集成是SoC的核心技術(shù)

在傳統的應用電子系統設計中，需要根據設計所需的功能模塊對整個(gè)系統進(jìn)行綜合，即根據設計所要求的功能，找到相應的集成電路，然后根據設計參數所要求的技術(shù)指標設計連接形式和所選電路。本設計的結果是基于功能集成電路的分布式應用電子系統結構。設計結果能否滿(mǎn)足設計要求，不僅取決于電路芯片的技術(shù)參數還取決于整個(gè)系統PCB版圖的電磁兼容特性。同時(shí)，對于需要數字化的系統，往往需要微控制器，因此還必須考慮分布式系統對電路固件特性的影響。顯然，傳統的應用電子系統的實(shí)現采用了分布式功能的集成技術(shù)。

對于SoC來(lái)說(shuō)，應用電子系統的設計也是基于功能和參數的要求，但與傳統的方法有著(zhù)本質(zhì)的區別。SoC不是一種基于功能電路的分布式系統綜合技術(shù)。它是基于功能IP的系統固件和電路綜合技術(shù)。首先，功能的實(shí)現不再是針對功能電路的集成，而是針對系統整體固件實(shí)現的電路綜合，即利用IP技術(shù)進(jìn)行整個(gè)系統的電路集成。其次，電路設計的最終結果與IP功能模塊和固件特性有關(guān)，而與電路的PCB劃分方式和布線(xiàn)技術(shù)基本無(wú)關(guān)。因此，大大提高了設計結果的電磁兼容特性。換句話(huà)說(shuō)，設計的結果非常接近理想的設計目標。

SoC設計的關(guān)鍵技術(shù)主要包括總線(xiàn)架構技術(shù)、IP核可復用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設計技術(shù)、SoC驗證技術(shù)、可測性設計技術(shù)、低功耗設計技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現技術(shù)等。

2.設計思路

固件集成是SoC的基本設計思想

在傳統的分布式集成設計技術(shù)中，系統的固件特性往往難以達到最優(yōu)。究其原因，是利用了集成技術(shù)的分布函數?？偟膩?lái)說(shuō)，為了滿(mǎn)足盡可能多的使用領(lǐng)域，功能集成電路必須考慮兩個(gè)設計目標：一是滿(mǎn)足多種應用領(lǐng)域的功能控制要求；二是考慮滿(mǎn)足更廣泛的應用功能和技術(shù)指標。因此，功能集成電路（即定制集成電路）必須在I/O和控制上增加若干電路，才能讓一般用戶(hù)獲得盡可能多的開(kāi)發(fā)性能。然而，要實(shí)現定制電路設計的最佳應用電子系統，并不是一件容易的事。

對于SoC，從SoC的核心技術(shù)可以看出，利用SoC技術(shù)設計和應用電子系統的基本設計思想是實(shí)現全系統的固件集成。戶(hù)只需要根據自己的需要選擇和改進(jìn)模塊和嵌入式結構的各個(gè)部分，就可以實(shí)現完全優(yōu)化的固件功能，而不必花時(shí)間去熟悉定制電路的開(kāi)發(fā)技術(shù)。固件基礎突然出現的優(yōu)勢是，系統可以更接近理想系統，更容易達到設計要求。

3.基本結構

嵌入式系統是SoC的基本結構

采用片上系統（SoC）技術(shù)設計的應用電子系統中，可以非常方便地實(shí)現嵌入式結構。各種嵌入式結構的實(shí)現非常簡(jiǎn)單，只要根據系統需要選擇相應的內核，再根據設計要求選擇匹配的IP模塊，就可以完成整個(gè)系統的硬件結構。別是當采用智能電路合成技術(shù)時(shí)，整個(gè)系統的固件特性可以得到更充分的實(shí)現，使得系統更接近理想的設計要求。必須指出的是，這種片上系統的嵌入式結構可以大大縮短應用系統的設計和開(kāi)發(fā)周期。

4.設計基礎

IP是SoC設計的基礎

傳統的應用電子設計工程師面對的是各種定制集成電路，而采用SoC技術(shù)的電子系統設計工程師面對的是龐大的IP庫，所有的設計工作都是基于IP模塊進(jìn)行的。SoC技術(shù)將一個(gè)應用型電子系統設計工程師轉變?yōu)槊嫦驊玫碾娮釉O備設計工程師。由此可見(jiàn)，SoC是一種基于IP模塊的設計技術(shù)，IP是SoC應用的基礎。

5.設計過(guò)程

SoC技術(shù)的不同階段

在功能設計階段，設計者必須充分考慮系統的固件特性，并利用固件特性進(jìn)行全面的功能設計。當功能設計完成后，就可以進(jìn)入IP綜合階段。IP合成階段的任務(wù)使用功能強大的IP庫來(lái)實(shí)現系統的功能。IP組合完成后，首先進(jìn)行功能仿真，檢查是否實(shí)現了系統的設計功能要求。功能仿真通過(guò)后，就可以進(jìn)行電路仿真了。目的是檢查由IP模塊組成的電路能否實(shí)現設計功能，達到相應的設計技術(shù)指標。設計的最后階段是對制造出來(lái)的SoC產(chǎn)品進(jìn)行相應的測試，以便調整各種技術(shù)參數，確定應用參數。