來源:造芯師

一、SOC芯片是什么？

SOC的定義多種多樣，由于其內涵豐富、應用范圍廣，很難給出準確定義。一般說來，SOC系統級芯片，也有稱片上系統，意指它是一個產品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。

從狹義角度講，它是信息系統核心的芯片集成，是將系統關鍵部件集成在一塊芯片上；

從廣義角度講，SOC是一個微小型系統，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SOC定義為將微處理器、模擬IP（Intellectual Property）核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標準產品。

1、SOC的芯片的構成

是系統級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內核模塊、數字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊，對于一個無線SOC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現)以及微電子機械模塊，更重要的是一個SOC芯片內嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。

2、SOC的形成過程

（1）基于單片集成系統的軟硬件協同設計和驗證;

（2）再利用邏輯面積技術使用和產能占有比例有效提高即開發和研究IP核生成及復用技術，特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等；IP核復用技術在SOC芯片設計中被廣泛采用。先進工藝條件下，SoC系統級芯片設計規模越來越大，芯片上所集成的IP種類和數量也隨之暴增。IP數據如何高效管理和追蹤變得尤為重要。

（3） 超深亞微米(VDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術。

3、SOC設計的關鍵技術

SOC關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SOC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術，并且包含做嵌入式軟件移植、開發研究，是一門跨學科的新興研究領域。

二、SOC芯片的優缺點

優點

芯片尺寸小。受益于MOS技術，SOC片可實現功能增加的同時，芯片尺寸大大減小。

低功耗。SOC的低功耗性能，可提高電子設備 (如手機)的整體使用時間

可再編程。開發人員可對SOC芯片再編程，重復使用IP。

可靠性強。SOC芯片提高電路安全性并降低設計復雜性；

成本效益高。SOC相比其他電子器件，具有更少的物理組件和可再次設計；

更快的運行速度；

缺點

生產周期長。SOC芯片從設計到制造出貨整個過程在6個月到1年左右；

設計驗證時間長。SOC芯片的設計驗證環節約占總周期的70%；

IP核的授權和兼容情況大大影響產品上市時間；

制造成本指數型增長；

對于小批量的產品，SOC不是最好的選擇；

三、SOC芯片設計流程

1．功能設計階段

設計人員產品的應用場合，設定一些諸如功能、操作速度、接口規格、環境溫度及消耗功率等規格，以做為將來電路設計時的依據。更可進一步規劃軟件模塊及硬件模塊該如何劃分，哪些功能該整合于SOC 內，哪些功能可以設計在電路板上。

2．設計描述和行為級驗證

功能設計完成后，可以依據功能將SOC 劃分為若干功能模塊，并決定實現這些功能將要使用的IP 核。此階段間接影響了SOC 內部的架構及各模塊間互動的訊號，及未來產品的可靠性。決定模塊之后，可以用VHDL 或Verilog 等硬件描述語言實現各模塊的設計。接著，利用VHDL 或Verilog 的電路仿真器，對設計進行功能驗證（functionsimulation，或行為驗證 behavioral simulation）。注意，這種功能仿真沒有考慮電路實際的延遲，但無法獲得精確的結果。

3．邏輯綜合

確定設計描述正確后，可以使用邏輯綜合工具（synthesizer）進行綜合。綜合過程中，需要選擇適當的邏輯器件庫（logic cell library），作為合成邏輯電路時的參考依據。硬件語言設計描述文件的編寫風格是決定綜合工具執行效率的一個重要因素。事實上，綜合工具支持的HDL 語法均是有限的，一些過于抽象的語法只適于做為系統評估時的仿真模型，而不能被綜合工具接受。邏輯綜合得到門級網表。

4．門級驗證（Gate-Level Netlist Verification）

門級功能驗證是寄存器傳輸級驗證。主要的工作是要確認經綜合后的電路是否符合功能需求，該工作一般利用門電路級驗證工具完成。注意，此階段仿真需要考慮門電路的延遲。

5．布局和布線

布局指將設計好的功能模塊合理地安排在芯片上，規劃好它們的位置。布線則指完成各模塊之間互連的連線。注意，各模塊之間的連線通常比較長，因此，產生的延遲會嚴重影響SOC的性能，尤其在0.25 微米制程以上，這種現象更為顯著。

集成電路的發展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規律推進，現已進入深亞微米階段。由于信息市場的需求和微電子自身的發展，引發了以微細加工（集成電路特征尺寸不斷縮小）為主要特征的多種工藝集成技術和面向應用的系統級芯片的發展。隨著半導體產業進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現一個復雜的電子系統，諸如手機芯片、數字電視芯片、DVD 芯片等。

在未來幾年內，上億個晶體管、幾千萬個邏輯門都可望在單一芯片上實現。SOC(System - on - Chip)設計技術始于20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的發展，IC設計者能夠將愈來愈復雜的功能集成到單硅片上，SOC正是在集成電路( IC)向集成系統( IS)轉變的大方向下產生的。1994年Motorola發布的FlexCore系統(用來制作基于68000和PowerPC的定制微處理器)和1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SOC，可能是基于IP( IntellectualProperty)核完成SOC設計的最早報導。由于SOC可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高了ASIC的設計能力，因此發展非常迅速，引起了工業界和學術界的關注。

SOC是集成電路發展的必然趨勢，是技術發展的必然，也是 IC 產業未來的發展。

審核編輯：湯梓紅