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當前，在微電子及其應用領域正在發(fā)生一場前所未有的變革，這場變革是由片上系統(tǒng)（SoC）技術研究應用和發(fā)展引起的。從技術層面看，SoC技術是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的必然趨勢和主流，它以超深亞微米VDSM（Very Deep Submicron）工藝和知識產權IP核復用技術為支撐。
SoC的由來及其發(fā)展
SoC 是20世紀90年代出現(xiàn)的概念。隨著時間的不斷推移和SoC技術的不斷完善，SoC的定義也在不斷的發(fā)展和完善。Dataquest定義SoC為“an integrated circuit that contains a compute engine, memory and logic on a single chip”，即SoC為包含處理器、存儲器和片上邏輯的集成電路。這大致反映了1995年左右SoC設計的基本情況。隨著RF電路模塊和數(shù)模混合信號模塊集成在單一芯片中，SoC的定義在不斷的完善，現(xiàn)在的SoC中包含一個或多個處理器、存儲器、模擬電路模塊、數(shù)�；旌闲盘柲K以及片上可編程邏輯。因此， SoC定義的發(fā)展和完善過程，也大致反映SoC技術在近15年的發(fā)展趨勢。
國內外SoC技術的研究及應用現(xiàn)狀
從應用開發(fā)的角度來看，SoC 的主要含義是在單芯片上集成微電子應用產品所需的所有功能系統(tǒng)。SoC技術研究內容包括：開發(fā)工具、IP及其復用技術、可編程系統(tǒng)芯片、信息產品核心芯片開發(fā)和應用、SoC設計技術與方法、SoC制造技術和工藝等。從使用角度來看，SoC有三種類型：專用集成電路ASIC(Application Specific IC)，可編程SoC(System on Programmable Chip)和OEM(Original equipment Manufacturer)型SoC。
國際上SoC 應用設計逐漸從ASIC方向向可編程SoC方向發(fā)展。ASIC設計的典型實例主要包括：1994年Motolola的FlexCore系統(tǒng)是基于定制的 68000和PowerPC微處理器；1995年LSI Logic為Sony公司開發(fā)的SoC,它包括一個1MIPS的微處理器，存儲器和Sony Logic，這已經被廣泛應用于Sony Playstation視頻游戲中；1996年IBM公司制造了它的第一款SoC ASIC，該系統(tǒng)包括PowerPC 401微處理器、SRAM存儲器、高速的模擬存儲器接口和私有的客戶邏輯。
隨著SoC應用的不斷普及，市場需要更加廣泛的SoC設計。SoC提供商不僅必須拓展系統(tǒng)內部設計能力，而且要直接開發(fā)和交付SoC設計套件和方法給客戶。因此，SoC設計逐漸向可編程SoC方向發(fā)展。
中國在高新技術研究發(fā)展863 計劃中，把SoC作為微電子重大專項列入了2000～2001年度信息技術領域的重大專項預啟動項目，并在IP核的開發(fā)、軟硬件協(xié)同設計、IP復用、 VDSM設計、新工藝新器件等方面布置了預研性課題，其中IP核的設計和制造是SoC技術中最為關鍵的部分。在中國最適應SoC技術應用開發(fā)的SoC類型是可編程SoC技術。
可編程SoC 是在一塊現(xiàn)場可編程芯片上提供產品所需的系統(tǒng)級集成。多家IC提供商已經在可編程SoC的實現(xiàn)方面邁出了可喜的步伐。這些新的器件所提供的系統(tǒng)功能包括處理器、存儲器和可編程邏輯，從而解決了與ASIC相關的NRE（非經常性工程）費用高或制造周期太長的問題�？删幊蘏oC提供了ASIC的高集成度（低功率、小尺寸、低成本）及FPGA的低風險、靈活性和上市快的特性。這也是SoC技術在微電子行業(yè)受歡迎的最根本的原因。
目前，已有幾家IC 提供商提供這種類型的可編程SoC。其中比較著名的三個公司是：Atmel、Xilinx和Altera。Atmel公司1999年開發(fā)出首個基于 RISC的現(xiàn)場可編程SoC集成電路FPSLIC（Field Programmable System Level IC）——AT40KFPGA。Xilinx公司的SoC芯片型號為Spartan、SpartanII、Virtex、VirtexII、XC4000 和XC9500，Altera公司的SoC芯片型號為APEXEP20KE、Stratix、StratixII和Cyclone系列。
SoC設計技術面臨的挑戰(zhàn)
SoC 設計雖然在過去的十幾年中已經取得了顯著的發(fā)展，但是它所面臨的挑戰(zhàn)也是不容忽視的。作為基于IP核的設計，SoC設計主要向兩個方向發(fā)展，一是以可重用 IP核為基礎的系統(tǒng)級設計，這主要關心的是IP核間的互連性，同時也是SoC設計面臨的挑戰(zhàn)之一。二是以設計可重用IP核為目的的IP核設計，這主要關心的是IP核的可重用性，同時也是SoC設計面臨的又一個挑戰(zhàn)。對于第一個挑戰(zhàn)，現(xiàn)在通常采用片上總線結構來解決IP核之間的互連性，即核與核之間并非直接相連而是通過片上總線進行互連。典型的互連結構見圖1。使用片上總線結構雖然可以解決IP核間的互連問題，但這同時又出現(xiàn)了另外一個問題。由于不同廠商使用不同的總線結構，例如ARM的AMBA總線，MIPS的EC總線，IBM的CoreConnect總線，因此不同廠商IP核之間的互連幾乎是不可能的。建立一種通用的片上總線結構是VSIA（Virtual Socket Interface Association）一直努力的目標。
最近，提出一種基于片上網絡的互連結構，即IP核之間通過網絡結構來實現(xiàn)數(shù)據的傳輸。典型的互連結構見圖2。
這種結構雖然可解決通用總線的問題，但建立一個高效的路由算法是非常必要的。
對于第二個挑戰(zhàn)，要設計一個可重用的IP核應該具有以下的特征：
● 可讀性。這是針對軟核和固核來說的，即使用者對IP核的功能和算法有比較詳細的了解后，才能正確使用和充分發(fā)揮IP核的優(yōu)點。這就要求IP核的提供商采用一種恰當?shù)姆椒枋鲈O計，使用戶可以方便正確的使用IP核。同時還要采取措施，保護其知識產權不受侵犯。
● 設計的延展性和工藝適應性。IP核是經過精心設計、驗證并且優(yōu)化的，一經定型就要求其具有一定的應用范圍，即針對不同的設計應用具有一定的適應性。
● 可測性。IP核必須是經過測試驗證的，當用于具體的設計中時，并非一點改變都沒有。因此，IP核的功能和性能還應該被使用方測試，不僅能對其進行單獨的測試并且能在系統(tǒng)的應用環(huán)境中進行測試。
● 端口定義標準化。即IP核的端口要有一個統(tǒng)一的定義。
● 版權保護。
● 交付的數(shù)據資料完整，方便芯片的集成過程。
除了以上的挑戰(zhàn)之外，伴隨著VLSI技術時鐘頻率超過2.2GHz以及晶體管的特征尺寸縮小到小于0.13μm，對傳統(tǒng)的VLSI設計者來說，SoC設計還將面臨著下面的一些挑戰(zhàn)：
● 由于連接延時的不確定性，在時鐘頻率為10GHz 集成了上億晶體管的VLSI(Very Large Scale Integration)芯片上，時鐘同步是一個關鍵問題，必須通過解決時鐘抖動和減少擺率的技術來減少時序的混亂，一個全局異步局部同步的時鐘策略是絕對必須的。為解決時鐘擺率帶來的問題，推薦采用網狀樹組合結構，而且，分布式PLL也變得很有可能。
● 由于高集成度和頻率，在將來的生產過程中信號完整性問題將變得更加嚴重。
● 在將來的生產過程中，過程變量成為影響時序確定性的潛在因素，因為要控制已經減小的特征尺寸是非常困難的。
● 功耗問題仍然是限制SoC設計的因素。
66821730(技術支持)
