浅谈SOC技术的应用与发展

研究生课程论文题目：浅谈SOC技术的应用与发展姓名：专业：学号：班级：导师：-2-序言微电子技术当前发展的一个标志性的特点就是系统级芯片（SOC）概念的出现，也被称为片上系统，即集成在一个芯片上的微电子系统。电子技术是信息社会的基石，实现信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机还是通讯电子装备，它们的基础都是集成电路。随着集成电路技术的发展、使整机、电路与元件、器件之间的明确界限被突跛，器件问题、电路问题和整机系统问题已经结合在一起。微电子技术与传统电子技术相比，其主要特征是器件和电路的微小型化，它把电路系统的设计和制造工艺紧密结合起来，适于进行大规模的批量生产，因而成本低和可靠性高。由于IC设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，大型集成电路的复杂程度越来越高，已经可以将整个硬件系统集成在一个芯片上。正是在市场需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个IC芯片上的系统级芯片的概念。其进一步发展中，已经可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器用来执行信息获取功，与信息处理系统集成在一起可以完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这就是一个更广意义上的系统集成芯片。随着集成电路设计技术的进步和半导体制造工艺的发展，越来越多的电路可以集成在一块芯片内，这大幅降低了系统的成本并提高了系统的可靠性。通过使用IP(IntellectualProperty)，在单个芯片上可能集成了微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、存储器、射频前端、数模和模数转换器等硬件以及完成特定功能所必需的嵌入式软件，这就是片上系统。SOC的主要特点就是包含微处理器以及完成特定功能所必需的嵌入式软件。SOC不仅指它的硬件平台，还包括了运行在其上的软件成分。一、SOC芯片技术的特征不断发展的信息市场推动技术的SOC发展。目前，很多具有中央处理器功能的消费性电子产品，如视频转换器(Set-topbox)、移动电话(mobilephones)和个人数字助理(PDA)等等，都可称之为SOC芯片。这类产品不仅在市场上占有重要地位，且其销售量还在不断的增长当中，已经越来越成为消费性电子的主流产品。这类产品对成本与市场价格相当敏感，因此，业者的竞争力便来自于谁能更好的控制成本。由于在一个芯片中集成了多种不同的功能模块，SOC技术的发展为-3-降低这类消费性电子产品的成本提供了机会。SOC不但集成度高，更重要的是具有应用领域的行为和功能特征，具有更多的应用专业知识含量，使整机成本和体积以及功耗都大大降低，加快了整机系统更新换代的速度，SOC推动了通信、电脑、电子设备和消费电子产品朝轻、薄、短和低功耗方向发展，带动电子信息产业的新变革。SOC与单功能芯片相比有如下特点：1．扩展了芯片功能，从单一功能增加到多种功能，如一般移动电话由RF/IF信号处理电路和基频信号处理电路两大部分组成，目前上市的移动电话用IC由2-4块组成，1998年日本富士通公司利用CMOS工艺推出单芯片移动电话用IC。这样，在单芯片上可实现天线切换、锁相回路(PLL)、本地振荡、解调变处理、调变处理和帧处理等功能。2．提高芯片性能指标，SOC是从整个系统的角度进行设计，在相同的工艺条件下可实现更高性能的系统指标，如利用0135E.w工艺，采用SOC设计方法，在相同的系统复杂性和处理速率下，相当于采用011Eun工艺制造的IC所实现的同样系统的性能。同时，采用SOC设计方法完成同样功能所需的晶体管数目可降低2-3个数量级。3．减少芯片体积，降低所占的印制电路板(PCB)空间，一个芯片集成一个系统，相当于一个部件或一部整机，势必减少整机的体积。如DVD用芯片，目前为第三代LSI芯片，由3块芯片组成，不久将推出第四代LSI芯片，由2块芯片组成，一块为前端电路，另一块为后端电路。4．降低芯片功耗，提高抗电磁干扰和系统可靠性。如日本日立公司HG73M系列SOC，它集成SH3型SPUCore、高速逻辑电路和高密度DRAM等，其数据传输速率比采用外部DRAM系统高10-100倍，其功能仅为原来的1/10-1/20。而且降低了芯片的综合成本，SOC要集成多种功能的IC，若靠一个公司从头做起，要花费很大的代价，浪费很多的时间，并且一个公司也不可能做好全部的事情，因为每个公司都有自己的关键技术，都有自己的知识产权(IP:Intellect让用户参与设计，这样设计出来的芯片上市最快、最受用户欢迎也最容易占领市场。5．SOC为实现许多复杂的信号处理和信息加工提供了新的思路和方法。SOC除了片内包含大量的电子系统电路资源、具有用户可编程的能力外，还具有将器件插在系统内或电路板上就能对其进行编程或再编程的能力。这种现场可编程和资-4-源重复配置技术为设计者进行电子系统设计和开发提供了可利用的最新手段。采用片内可再编程技术，使得片上系统内硬件的功能可以像软件一样通过编程来配置，从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发，甚至可以在系统运行过程中进行再配置，使相同的硬件可以按不同时段实现不同的功能，提高了系统的效率。这种全新的系统设计概念，使新一代的SOC具有极强的灵活性和适应性。它不仅使电子系统的设计和开发以及产品性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使电子系统具有适应多功能的能力。要缩短设计周期，必须向公司购买IP，可减少重复劳动，提高效率，节约开支，降低成本。由于采用SOC，可减少外围电路芯片，也降低了整机的成本。二、SOC芯片技术的发展趋势随着电子技术开发应用对集成电路IC需求量的扩大和半导体工艺水平的不断进步，超大规模集成电路VLSI技术迅猛发展。当前的半导体工艺水平己经达到了亚微米水平并正在向50nm以下发展，器件特征尺寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路可以集成在一个芯片上，芯片尺寸已从逻辑限制变为焊盘限制，我们必须找到与常规集成电路设计思想不同的设计方式，它就是新世纪IC设计的主流技术。SOC是微电子设计领域的一场革命，从整个系统的角度出发，把智能核、信息处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个或少数几个芯片上完成整个系统的功能，既我们可以把越来越多的电路设计在同一个芯片中，这里面可能包含有中央处理器(CPU)，嵌入式内存(Embeddedmemory)、数字信号处理器(DSP)、数字功能模块(Digitalfunction)、模拟功能模块(Analogfunction)、模拟数字转换器(A/DC,D/AC)以及各种外围配置(USB,MPEG)等等，这是新发展的SOC技术。SOC技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程碑。SOC能提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板.空间和更低的成本，带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、个人数字助理和手持电子产品、消费性电子产品等。SOC是21世纪电子系统开发应用的新平台。-5-从应用角度划分SOC有三种类型:专用集成电路型SOC、可编程SOC和OEM型SOC。目前己有几家供应商能够提供可编程SOC，其中最为著名的有Atmel.Xilinx和Altera三家公司。从全球市场发展趋势来看，从1995年开始，SOC在集成电路市场中所占比例正在稳步增长，到2007年将接近四分之一。SOC的增长速度也一直高于集成电路平均增长速度。SOC的应用市场，通信与消费类产品稳居前两位，随后依次为数据处理，和汽车电子。因此，如何根据市场的需求，从应用出发，推导出集成电路产品的设计规格，确定设计要求是我们需要解决的重要问题。三、SOC芯片技术的关键技术（一）SOC设计基础是IP核复用，有效地复用IP核成为SOC发展的关键技术之一。建立IP核标准及发布IP核的基础设施，使IP核获取渠道畅通。一个SOC芯片可能包含上百个IP核，没有一家公司或企业可以完全拥有所需要的IP，为适应上市时间的要求，从外界获得IP核已经成为当务之急，如果这样的渠道不畅通，IP核用户不能及时得到他所需要的IP，势必成为阻碍SOC工业发展的瓶颈。解决这一问题的办法就是建立IP核标准及发布IP核的基础设施。虚拟元件交易门户VCX(VirtualComponentExchange)、虚拟元件交易门户D&R(Design&Reuse)等是从事IP电子商务的组织，使IP核的交易在一种有效的、国际化、开放的市场基础设施内进行，从而提高IP的交易效率促进远程IP的采购与销售，并为IP的交易提供法律和业务方面的服务。（二）SOC对EDA提出更高的要求，建立可重构SOC创新开发平台与设计工具研究。随着微电子集成度的提高，SOC对EDA提出更高更苛刻的要求，从目前来说，满足SOC设计软件开发已经成为当前EDA行业的一个主要研究课题。这个问题不难理解，因为EDA技术是受需求驱动而发展的，总体来说，EDA产品总是要落后同一时代的尖端设计需求。随着信息技术的发展，EDA技术必然吸收信息技术的营养，从而突破设计上的时空限制，完善软、硬件协同设计技术SOC的设计流程比传统的IC设计复杂得多，需要的工具和语言也更加多样化。一个统一的多用途语言就可减少这种麻烦，在设计流程中一个部分的代码可在另一个部分复用，这就可以加速SOC的设计过程，并减少出错的可能。-6-3．SOC对算法和内部电路系统结构提出更高的要求。在新一代SOC设计领域，需要重点突破和创新的问题还包括实现系统功能的算法和内部电路系统结构二个方面。纵观微电子技术的发展史，每一种算法的提出都会引起一场变革。例如维特比算法、小波变换等技术都对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用。目前神经网络、模糊系统理论正在发展。利用新理论构造新的算法是今后片上系统SOC设计领域的重要研究课题之一。在电路系统结构方面，由于射频、存储器件加入到SOC，使得SOC的电路系统结构和工艺已经不是传统的结构。因此需要发展更灵巧的新型电路结构。为实现粘连逻辑，需要对新的逻辑阵列技术做系统、深入的研究。四、SOC芯片技术发展面临的问题近几年来，世界各国虽然推出多种SOC，但是SOC产业还是处于起步发展阶段，存在着若干需要解决的问题。虽然目前SOC存在上述这些需解决的问题，但是它毕竟是一颗含苞未放的花蕾，不久便会结出硕果。1．SOC制造商与用户的关系。芯片制造商在构思新品时就要让用户参与。在SOC设计时，要早期超前与用户共同商量和研究，这就涉及一个高度信任的问题，为了做好用户的保密工作，有的公司安排不同的设计组，并指定专人与用户接触，不得随意扩散。今天，芯片制造商之间的竞争不仅来自对手也将来自用户。因为用户已能自己设计并通过代加工得到所需的IC。2．缺乏复合型人才。SOC的设计实际上是一个系统的设计，要求设计者具有宽广和专门的知识，既要具有模拟电路专长，又要具有数字电路特长:要具有丰富软件知识。目前世界上各大半导体公司都深深感到设计SOC人才的匾乏，连IC发源地硅谷的各大公司也感到综合技术人才的严重短缺。3．EDA工具的能力。目前EDA工具还不够成熟，其处理能力己跟不上SOC工艺的发展，未能充分发挥SOC的性能。设计优化和高效率的IP表达法将是EDA产业未来应解决的问题。而面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论支撑软、硬件的协同设计，其中不同的系统涉及各种计算机系统、通信系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等4．IP兼容性与多样化。现行标准能否兼容以前设计的IP，如何使用其它公司开发的IP，能否制订出一个IP设计和再利用的国际标准等问题都有待于进一步解-7-决。另外，在综合不同来源的IP时，逻辑综合软件由于不能改变硬IP模块的内部逻辑与时序，使整个芯片的速度面积比及时序预算不能达到最佳值，最终影响芯片的整个性能。目前，IP处以紧缺状态，急需的IP核有：AD/DA类IP核；数字家电类IP核，如JPEG，MPEG2编解码器；移动通信类IP核，如卷积码、Turbo码编译码器、ReedSolomon编译码器、Bluetooth；信息处理类IP核，如高性能FFT0IFFT(快速傅里叶变换和反变换)、正变换