系統(tǒng)芯片技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

蘇紀(jì)娟 孟祥玲 朱慶明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

優(yōu)秀論文

系統(tǒng)芯片技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

蘇紀(jì)娟 孟祥玲 朱慶明

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

系統(tǒng)芯片（SoC）是將信息處理的算法、邏輯電路的結(jié)構(gòu)，以及各個(gè)層次的電路以器件方式集成在1塊芯片上，實(shí)現(xiàn)完整系統(tǒng)的功能的芯片產(chǎn)品。SoC的性能直接決定著高端武器裝備上核心電子設(shè)備的體積、重量及綜合性能，將成為戰(zhàn)斗力的倍增因子。因此，SoC在近幾年受到了國(guó)內(nèi)外軍民兩用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。從SoC技術(shù)的概念出發(fā)，研究了SoC的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，希望為我國(guó)發(fā)展軍民兩用的SoC提供參考和借鑒。

SoC，系統(tǒng)芯片，可編程SoC

1 引 言

集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)是自20世紀(jì)80年代特別是90年代后期飛速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)產(chǎn)業(yè)。IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了航空技術(shù)、遙測(cè)傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及家用電器產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，已成為世界各國(guó)極為重視的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，基于專(zhuān)用IC的板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已不能滿足系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性等要求，因此，20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)了系統(tǒng)芯片（System on Chip，簡(jiǎn)稱(chēng)“SoC”，又稱(chēng)“片上系統(tǒng)”）的概念。

2 SoC技術(shù)概述

SoC最初的英文定義為“an integrated circuit that contains a computer engine，memory and logic on a single chip”，也就是說(shuō)，SoC是包含處理器、存儲(chǔ)器和片上邏輯電路的集成電路。隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)品集成度的日益提高，SoC的定義也在不斷地發(fā)展和完善。目前，SoC是指集成有數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、微控制器（MCU）、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路模塊（如圖1）的單芯片，可以直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理等功能。因此，SoC技術(shù)是一種非常復(fù)雜的技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括總線架構(gòu)技術(shù)、IP（網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議）核可復(fù)用技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、SoC驗(yàn)證技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、超深亞微米電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以及嵌入式軟件移植和開(kāi)發(fā)等技術(shù)。

圖1 SoC的基本結(jié)構(gòu)

SoC技術(shù)與傳統(tǒng)的印制電路板（PCB）和系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP）技術(shù)相比，具有高可靠性、高性能、低功耗、小體積、高系統(tǒng)集成度、低成本等優(yōu)勢(shì)。其與傳統(tǒng)芯片有很多不同之處，如：系統(tǒng)規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；頻率高，時(shí)鐘結(jié)構(gòu)復(fù)雜；工藝水平要求高；芯片功能復(fù)雜等。

3 國(guó)內(nèi)外SoC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

SoC是一種新型的集成化芯片，在對(duì)芯片性能、體積、重量等要求較高的航空、航天等領(lǐng)域具有重要的用途，其性能直接決定著導(dǎo)彈、衛(wèi)星、雷達(dá)等先進(jìn)裝備上核心電子設(shè)備的體積、重量、功能及綜合性能，其發(fā)展是研發(fā)先進(jìn)武器裝備的關(guān)鍵，在武器裝備中可發(fā)揮重要作用，將成為武器裝備戰(zhàn)斗力的倍增因子。因此，SoC技術(shù)在近幾年獲得了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，特別是航天領(lǐng)域。

3.1 國(guó)外SoC技術(shù)的發(fā)展概況及趨勢(shì)

3.1.1 國(guó)外SoC發(fā)展概況

國(guó)外對(duì)電子設(shè)備的小型化及核心微處理器的研究起步較早，SoC技術(shù)發(fā)展十分迅速，已取得了多項(xiàng)成熟的研究成果。美國(guó)、歐洲都在積極開(kāi)展SoC技術(shù)研究并取得了一定進(jìn)展，例如：美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、歐空局（ESA）、美國(guó)LSI Logic公司等。下面簡(jiǎn)單介紹國(guó)外SoC技術(shù)的發(fā)展概況：

（1）美國(guó)

NASA根據(jù)未來(lái)航天任務(wù)需求，組織多家公司開(kāi)展了多項(xiàng)有關(guān)SoC/ASIC（特定用途集成電路）技術(shù)的研究。其中，NASA火星探測(cè)器的機(jī)械手采用了基于RAD6000的SoC處理器。同樣，NASA火星探測(cè)器也采用基于RAD6000的SoC芯片研制的單板控制計(jì)算機(jī)及雙模/三模冗余控制器分系統(tǒng)。

美國(guó)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)還通過(guò)3D集成技術(shù)，將數(shù)字電路、模擬電路、存儲(chǔ)器、傳感器和射頻電路從下到上立體集成在1個(gè)硅片上，形成了3D SoC產(chǎn)品。該3D集成技術(shù)的應(yīng)用，可方便不同特性電路間的互連，減小串?dāng)_，并達(dá)到更高密度的集成。

美國(guó)LSI Logic公司是創(chuàng)新芯片系統(tǒng)和軟件技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商。該公司擁有3種系統(tǒng)級(jí)芯片技術(shù)，即平臺(tái)ASICs、標(biāo)準(zhǔn)單元ASICs、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，并于2010年推出了首款SoC標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品——Frue Store?SC9500，2011年推出了一種28nm SoC，加速了SoC解決方案的應(yīng)用進(jìn)程。該公司的主要產(chǎn)品包括RAID控制器、SSD控制器、定制ASIC等。

美國(guó)Xilinx公司是全球領(lǐng)先的可編程邏輯控制器（PLC）完整解決方案提供商，首創(chuàng)了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（FPLA）技術(shù)，代表產(chǎn)品包括Artix、Kintex、Virtex、Zynq等系列產(chǎn)品。其中，該公司2011年開(kāi)發(fā)的Zynq-7000系列產(chǎn)品是Xilinx公司推出的首款可擴(kuò)展式處理平臺(tái)（EPP），標(biāo)志著該公司進(jìn)入了SoC嵌入式處理器市場(chǎng)領(lǐng)域。

美國(guó)Altera公司是可編程SoC解決方案的倡導(dǎo)者，并在SoPC領(lǐng)域中處于前沿和領(lǐng)先地位。該公司的主要產(chǎn)品包括Cylone V、Arria V等。該公司2011年推出了基于ARM的SoC系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品將28nm Cylone V和Arria V FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）產(chǎn)品與ARM Cortex A9 MP核集成于一個(gè)單芯片中，命名為Cylone V和Arria V SoC FPGA。該產(chǎn)品在性能和功能方面代表著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展新方向。

（2）歐洲

目前，歐洲的IP庫(kù)建設(shè)和SoC技術(shù)已基本成熟，原理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)已完成，未來(lái)將進(jìn)一步開(kāi)展主要分系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證工作。在具體開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面，ESA成功推出了用于空間輻射環(huán)境的LEON系列微處理器、CAN總線控制器、HDL源代碼等可供SoC設(shè)計(jì)復(fù)用的IP核及片上總線的EV132，以及單片航天用控制器系統(tǒng)等。其中，LEON系列處理器已被多個(gè)星載計(jì)算機(jī)采用，獲得了大量的飛行數(shù)據(jù)。

法國(guó)海豚集成科技公司是專(zhuān)業(yè)的IP產(chǎn)品供貨商。該公司成立于1985年，總部位于法國(guó)格勒諾布爾市，分別在加拿大、德國(guó)、以色列設(shè)有分公司，長(zhǎng)期致力于微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，尤其是“混合信號(hào)片上系統(tǒng)”的研究開(kāi)發(fā)。

意法半導(dǎo)體（ST）集團(tuán)是世界SoC技術(shù)的領(lǐng)先者，是利用平臺(tái)式設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)復(fù)雜IC的開(kāi)拓者。全球戰(zhàn)略客戶的SoC項(xiàng)目均與該公司建立了重要的合作伙伴關(guān)系。該公司的產(chǎn)品類(lèi)型有SoC、定制與半定制IC及微控制器等。該公司2011年推出了全球先進(jìn)的STi7105芯片，該芯片是一款應(yīng)用廣泛的SoC，可用于有線高清數(shù)字電視機(jī)頂盒、衛(wèi)星高清數(shù)字電視機(jī)頂盒、IPTV機(jī)頂盒及多媒體手持設(shè)備等產(chǎn)品。

英國(guó)薩里衛(wèi)星技術(shù)公司開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可配置的單片計(jì)算機(jī)（RSC-BOC）。該RSC-BOC實(shí)際上是通過(guò)美國(guó)Xilinx公司的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)SoC的BOC，包括處理器IP核、EDAC引導(dǎo)裝入程序、網(wǎng)絡(luò)接口、IDE接口、浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器、HDLC控制器、CAN總線接口，以及外設(shè)總線接口等。

目前，國(guó)外SoC的應(yīng)用技術(shù)正處于熱點(diǎn)研發(fā)和向商用轉(zhuǎn)換的階段，并且越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)正積極投身于抗輻射SoC的研究和開(kāi)發(fā)工作之中。

3.1.2 國(guó)外SoC發(fā)展趨勢(shì)

隨著SoC技術(shù)應(yīng)用的不斷普及，市場(chǎng)對(duì)于先進(jìn)SoC設(shè)計(jì)的需求越來(lái)越高。SoC相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商不僅要拓展系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)能力，還要直接開(kāi)發(fā)和交付SoC設(shè)計(jì)套件和方法。因此，SoC設(shè)計(jì)逐漸向可編程SoC方向發(fā)展?？删幊蘏oC可在一塊現(xiàn)場(chǎng)可編程芯片上提供產(chǎn)品所需的系統(tǒng)級(jí)集成。

目前，國(guó)外多家IC供應(yīng)商已在可編程SoC的實(shí)現(xiàn)方面取得了可喜的成果。這些新器件所提供的系統(tǒng)功能包括處理器、存儲(chǔ)器和PLC，解決了與ASIC相關(guān)的NRE（非經(jīng)常性工程）存在的費(fèi)用高或制造周期太長(zhǎng)等問(wèn)題?？删幊蘏oC兼具ASIC的高集成度，以及FPGA的低風(fēng)險(xiǎn)、靈活性、上市快等特性。這也是可編程SoC技術(shù)在微電子行業(yè)受歡迎的重要原因之一。

綜上所述，SoC應(yīng)用設(shè)計(jì)正逐漸從ASIC方向向可編程SoC方向發(fā)展。目前，包括Atmel公司、Xilinx公司和Altera公司在內(nèi)的數(shù)家IC提供商已開(kāi)發(fā)并推出了多種類(lèi)型的可編程SoC產(chǎn)品。

3.2 我國(guó)SoC技術(shù)的發(fā)展概況及思考

3.2.1 我國(guó)SoC技術(shù)發(fā)展概況

隨著SoC技術(shù)應(yīng)用潛力的日益顯現(xiàn)，我國(guó)多家科研單位也已開(kāi)展了SoC技術(shù)研究工作，如北京控制工程研究所、北京航天自動(dòng)控制研究所、北京微電子技術(shù)研究所，以及中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所等，均開(kāi)發(fā)出了面向不同應(yīng)用領(lǐng)域的解決方案。目前，我國(guó)也有數(shù)家企業(yè)進(jìn)行了SoC的研發(fā)工作，如珠海歐比特控制工程股份有限公司、和芯星通科技有限公司、北京中科億芯信息技術(shù)有限公司、北京時(shí)代民芯科技有限公司、北京神州龍芯集成電路設(shè)計(jì)公司等。以下為國(guó)內(nèi)部分研究所及企業(yè)的SoC技術(shù)發(fā)展概況及相關(guān)產(chǎn)品：

（1）北京微電子技術(shù)研究所已研制出面向航天應(yīng)用的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SoC產(chǎn)品——抗輻照空間處理器飛行器測(cè)控SoC。

（2）北京控制工程研究所開(kāi)發(fā)出了大量適合星載電子設(shè)備的可復(fù)用、高可靠IP核，并建立起了面向空間應(yīng)用的IP庫(kù)。

（3）北京中科億芯信息技術(shù)有限公司是由中科院計(jì)算技術(shù)研究所、上海單豆工藝品有限公司共同發(fā)起成立的集成電路設(shè)計(jì)公司。該公司專(zhuān)注于高端通用化的SoC產(chǎn)品設(shè)計(jì)，精心打造“聚芯”SoC品牌。該公司的代表產(chǎn)品有EraSoC-100系列，包括EraSoC-100A、EraSoC-100B、EraSoC-100C、EraSoC-100D等。

（4）和芯星通科技有限公司研制了國(guó)際首款、國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多系統(tǒng)多頻率衛(wèi)星導(dǎo)航高性能SoC——和芯星通Nrbulas芯片，打破了國(guó)外在相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品領(lǐng)域的壟斷，推動(dòng)了我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的快速發(fā)展。

（5）歐比特公司是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式SoC芯片及系統(tǒng)供應(yīng)商，已開(kāi)發(fā)了多款基于SPARC架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的高可靠嵌入式SoC芯片，其“嵌入式SoC芯片+系統(tǒng)集成”產(chǎn)業(yè)構(gòu)架體現(xiàn)了該公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

另外，目前，我國(guó)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)上所使用的移動(dòng)通信和數(shù)字家電的核心芯片主要依賴(lài)于進(jìn)口。為了打破這種局面，國(guó)內(nèi)各大IC設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、企業(yè)紛紛投入人力、物力進(jìn)行SoC相關(guān)研發(fā)工作。國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信類(lèi)SoC的開(kāi)發(fā)主要集中在華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)等通信公司，數(shù)字家電類(lèi)SoC的開(kāi)發(fā)主要集中在海爾集團(tuán)、北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司、上海華虹集成電路有限責(zé)任公司等公司。

3.2.2 關(guān)于國(guó)內(nèi)SoC發(fā)展的思考

我國(guó)目前雖然在SoC理論和應(yīng)用研究方面已經(jīng)取得了一系列的成果，但是總體技術(shù)和應(yīng)用水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還存在一定的差距。因此，為了使國(guó)產(chǎn)SoC能夠健康、有序地發(fā)展，借鑒國(guó)外發(fā)展SoC技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，我國(guó)SoC技術(shù)發(fā)展應(yīng)當(dāng)走平臺(tái)化和系列化的道路，規(guī)劃出若干平臺(tái)進(jìn)行重點(diǎn)建設(shè)，圍繞這些平臺(tái)按類(lèi)別構(gòu)建IP庫(kù)，在同一平臺(tái)上利用不用的IP實(shí)現(xiàn)差異化設(shè)計(jì)，滿足最終應(yīng)用的需求。另外，SoC的發(fā)展在開(kāi)發(fā)模式上應(yīng)采取開(kāi)放式和合作型發(fā)展道路。

隨著我國(guó)微電子制造工藝水平的不斷提高，集成能力的不斷增強(qiáng)，以及SoC系統(tǒng)用戶需求更加多樣化，高度密集的功能集成和可編程SoC是未來(lái)SoC技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。SoC技術(shù)隨著目標(biāo)應(yīng)用的豐富也將不斷提高。未來(lái)SoC發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)、多系統(tǒng)SoC技術(shù)、3D組裝技術(shù)、抗輻照加固技術(shù)等。目前，我國(guó)需要深入發(fā)展的技術(shù)主要包括低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、可測(cè)性設(shè)計(jì)、IP集成設(shè)計(jì)技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)正處于由IC向SoC的轉(zhuǎn)型階段，SoC的發(fā)展已經(jīng)引起高度重視，但與國(guó)外相比，我國(guó)SoC研究在理論和應(yīng)用方面還存在一定差距，因此，國(guó)家應(yīng)該在人才培養(yǎng)、理論研究、引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)等方面提供相應(yīng)支持，使我國(guó)SoC技術(shù)迅速趕上國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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1009-8119（2015）07（1）-0053-03