一文读懂SoC的原理和技术应用

SoC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。一般说来， SoC称为系统级芯片，也有称片上系统,意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

System on Chip，简称Soc，也即片上系统。从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲, SoC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。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、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,或是面向特定用途的标准产品。

SoC定义的基本内容主要在两方面：其一是它的构成，其二是它形成过程。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块,对于一个无线SoC还有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块,更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面:

1) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;

2) 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等;

3) 超深亚微米(VDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。

SoC设计的关键技术

SoC关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术,

并且包含做嵌入式软件移植、开发研究,是一门跨学科的新兴研究领域

概念详解

SoC是System on Chip的缩写，直译是“芯片级系统”，通常简称“片上系统”。因为涉及到“Chip”，SoC身上也会体现出“集成电路”与“芯片”之间的联系和区别，其相关内容包括集成电路的设计、系统集成、芯片设计、生产、封装、测试等等。跟“芯片”的定义类似，SoC更强调的是一个整体，在集成电路领域，给它的定义为：由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件。

这意味着，在单个芯片上，就能完成一个电子系统的功能，而这个系统在以前往往需要一个或多个电路板，以及板上的各种电子器件、芯片和互连线共同配合来实现。前面我们说集成电路的时候提到过楼房对平房的集成，而SoC可以看作是城镇对楼房的集成；宾馆、饭店、商场、超市、医院、学校、汽车站和大量的住宅，集中在一起，构成了一个小镇的功能，满足人们吃住行的基本需求。目前SoC更多的是对处理器（包括CPU、DSP）、存储器、各种接口控制模块、各种互联总线的集成，其典型代表为手机芯片（参见术语“终端芯片”的介绍）。目前SoC还达不到单芯片实现一个传统的电子产品的程度，可以说现在SoC只是实现了一个小镇的功能，还不能实现一个城市的功能。

SOC集成电路

SoC有两个显著的特点：一是硬件规模庞大，通常基于IP设计模式；二是软件比重大，需要进行软硬件协同设计。城市相比农村的优势很明显：配套齐全、交通便利、效率高。

SoC也有类似特点：在单个芯片上集成了更多配套的电路，节省了集成电路的面积，也就节省了成本，相当于城市的能源利用率提高了；片上互联相当于城市的快速道路，高速、低耗，原来分布在电路板上的各器件之间的信息传输，集中到同一个芯片中，相当于本来要坐长途汽车才能到达的地方，现在已经挪到城里来了，坐一趟地铁或BRT就到了，这样明显速度快了很多；城市的第三产业发达，更具有竞争力，而SoC上的软件则相当于城市的服务业务，不单硬件好，软件也要好；同样一套硬件，今天可以用来做某件事，明天又可以用来做另一件事，类似于城市中整个社会的资源配置和调度、利用率方面的提高。

可见SoC在性能、成本、功耗、可靠性，以及生命周期与适用范围各方面都有明显的优势，因此它是集成电路设计发展的必然趋势。目前在性能和功耗敏感的终端芯片领域，SoC已占据主导地位；而且其应用正在扩展到更广的领域。单芯片实现完整的电子系统，是IC 产业未来的发展方向。