IC进入SoC时代

       随着半导体工艺技术的发展,IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上。SoC(片上系统)正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的。从狭义角度讲,它是信息系统的芯片集成,是将系统集成在一块芯片上;从广义角度讲,SoC就是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。SOC的出现使集成电路发展成为集成系统,整个电子整机的功能将可以集成到一块芯片中。在不久的将来,集成电路与电子整机之间的界限将被彻底打破。

       SoC就是将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上。它通常是客户定制的(CSIC),或是面向特定用途的标准产品(ASSP)。

        SoC是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片,因而具有很多优势:能极大改善功耗开销,可减少印制板上部件数和管脚数,减少板卡失效的可能性,有利于板卡的性能改善(由于片内连线缩短),降低风冷要求,减少系统开发商成本,尤其适合数字化产品开发,如手持设备、信息家电等。

     从分立元件到集成电路再到片上系统,这是微电子领域的几次革命。21世纪,集成电路将进入SoC时代。

SoC发展中的焦点技术

       SoC设计准入的最大门槛是专门技术、IP库和SoC总线架构支持,需要广泛的多功能IP和将客户逻辑与之集成在一起的设计艺术,以满足客户产品开发的需求。由此许多第三方IP供应商得到快速发展,它们的成功要么具有独一无二的且极具价值的IP,要么具有良好声誉的库。SoC设计者通过重用证明了的IP,不仅利用了最新工艺技术优势,而且减少了开发周期和风险。

       SoC的发展离不开应用领域的需求牵引。进行片上系统设计时,首先要考虑的问题是系统的体系结构。为了提高开发模块的重复利用率,降低开发成本,用户采用了SoC(芯片内部)总线、芯片间总线(如SPI、I2C、UART、并行总线)、板卡间总线(ISA、PCI、VME)、设备间总线(USB、1394、RS232)。SoC总线为用户提供了一个堪称“理想”的环境:片上系统模块间不会面临干扰、匹配等传统问题;但是片上系统的时序要求却异常严格。

       由于OpenCore和其他致力于开放知识产权(Open Intellectual Property)组织的大力推广(开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块),用户在片上系统总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化的方案。目前总线架构有很多种,包括IBM公司的CoreConnect、ARM的AMBA、Silicore公司的Wishbone、MIPS技术公司的SoC-it以及CoreFram等。

SoC的发展重点主要包括: 

总线结构及互连技术,直接影响芯片总体性能发挥;
软、硬件的协同设计技术,主要解决硬件开发和软件开发同步进行问题; 
IP可重用技术,如何对其进行测试和验证;
低功耗设计技术,主要研究多电压技术、功耗管理技术以及软件低功耗利用技术等; 
可测性设计方法学,研究eJTAG设计技术、批量生产测试问题;
超深亚微米实现技术,研究时序收敛、信号完整性、天线效应等。

SoC引领嵌入式处理器的发展

        SoC将引领新一代嵌入式处理器的技术发展,它是以嵌入式系统为核心,集软、硬件于一体,并在系统集成中追求产品系统最大包容性,能成功实现多学科的协作与融合。SoC设计技术为计算机专业人才介入IC设计领域提供了一个机会。不仅在SoC芯片设计上需要较强的计算机体系结构背景知识,而且SoC突出了软件开发的比重,需要计算机专业人士的介入,需要提供良好的开发平台和嵌入式操作系统。

       SoC的发展将不断满足日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用、多媒体的信息处理等需求。SoC需具备LCD、USB、CAN、MAC/WLAN或IrDA通信接口等,同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件,甚至浏览器。

       SoC将满足人们以GUI屏幕为中心的多媒体界面与信息终端交互需求,如手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件、传送彩色图形/图像及语言同声翻译等。SoC将具有32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP等增强处理能力,同时支持嵌入式RTOS发展,采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性,简化应用程序设计,保障软件质量,缩短开发周期。 

SoC是实现跨越式发展的桥梁

       在过去5年中,SoC得到了快速发展。据预测,SoC销售额将从2002年的136亿美元,增长到2007年的347亿美元,年增长率超过20%。另外,世界芯片复杂度的年增长率为58%,但设计能力的增长仅为20%。由此看出,世界集成电路设计能力的增长远远跟不上芯片复杂度增长的速度,这为集成电路设计产业提供了难得的发展机会。面对集成电路向SoC的转型,我国实现集成电路设计业跨越的一个历史机遇已经来临。许多专家建议,我国应优先发展芯片设计业,特别重视 SoC提供的发展机会。

       国内很多研究单位都十分重视SoC设计技术与研究,中科院计算所、北京大学、方舟科技公司和苏州国芯等,均拥用自主产权的CPU芯核、总线规范及各种IP,走独立自主发展的道路,将领导我国嵌入式处理器技术的发展方向。

       同时,“863”计划超常规地支持集成电路发展。在“十五”期间的12个国家重大专项中,集成电路与软件位列第一,国家将投入20亿元。国家“863”计划专项支持了全国七个集成电路产业化基地的建设,这些产业化基地就是集成电路设计企业的孵化器。

注意跨学科的交流与人才培养

        相信在3~5年内,高端嵌入式处理器将以SOC的发展为代表,成为各相关学科的交汇点。在SoC相关学科领域中,应注意吸收与培养其他学科领域人才,如光、机、电等学科,不断改善SOC研究队伍组织结构,加强跨学科的SoC综合技术研讨,积极沟通观念、信息与技术,以培养SoC的跨学科高级人才。

      只有通过跨学科的相互交融,才能促使SoC设计技术产生质的飞跃。SoC必将导致又一次以片上系统为特色的信息技术革命,21世纪初期将是SoC技术真正快速发展的时期。