[转载]SoC引领嵌入式系统发展

renbagshoes

2004年9月9日  ※ 来源：internet ※

    未来，电子整机的功能将集成到一块芯片中。从分立元件到集成电路，再到SoC，将是微电子领域的一场革命，也将带来新的信息技术革命。它对传统产业的影响重大而深远。
     
     
    半个多世纪以来，集成电路 (IC)产业不断发展壮大。从20世纪70年代开始，半导体工艺设备和ICCAD设备成为一个独立的产业；到了80年代，工艺设备生产能力相当强大，而且费用也十分昂贵，从而与设计环节分开，成为两个独立的产业；到了90年代，测试也成为独立产业分离出去；目前IC设计产业中的系统设计和IP设计逐渐开始分工，形成了以SoC(System on a Chip)技术为主的chipless设计方式，它对IC产业的影响将不亚于80年代Fabless与Foundry的分工。
     
     
    在IC工艺能力快速提高（遵循摩尔定律）的同时，IC的设计能力也在不断提高，但其提高的速度低于工艺能力, 由于新的EDA工具不断出现，使得IC设计能力大约每10年出现一次阶跃式的提高。20世纪70年代以版图编辑系统为特征；80年代以门阵列、标准单元布局布线为主要特征；90年代以综合(synthesis)系统为特征，把设计水平从原理图输入提高到行为描述；21世纪以SoC集成技术为特征。正是在此背景下，借助IC分业发展（材料、Foundry工艺线、设计、封装、测试及EDA设计验证工具）的逐渐成熟，将缩小IC工艺能力与设计能力二者之间的剪刀差。从分立元件到集成电路，再到SoC，将是一场微电子领域的革命，也将带来新的信息技术革命。
     
     
    SoC引发IC变革
     
     
    SoC设计技术始于20世纪90年代中期，随着半导体工艺技术的发展，IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，SoC正是在集成电路（IC）向集成系统（IS）转变的大方向下产生的。1994年Motorola发布的Flex Core系统（用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器）和1995年LSI Logic公司为Sony公司设计的SoC，可能是基于IP（Intellectual Property）核完成SoC设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累，显著地提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅速，引起了工业界和学术界的关注。
     
     
    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。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是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有很多优势：能极大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，有利于板卡的性能改善（由于片内连线缩短），降低风冷要求，减少系统开发成本，尤其适合数字化产品开发，如手持设备、信息家电等。
     
     
    当前无论在国外还是国内，在SoC设计领域已展开激烈的竞争。SoC按指令集来划分，主要分x86系列（如SiS550）、ARM 系列（如OMAP）、MIPS系列（如Au1500）和类指令系列（如M*Core）等几类，每一类都各有千秋。国内研制开发者主要基于后两者，如中科院计算所中科SoC(基于龙芯核，兼容MIPSⅢ指令集)、北大众志（定义少许特殊指令）、方舟2号（自定义指令集）、国信C*Core（继承M*Core）等。开发拥有自主知识产权的处理器核、核心IP和总线架构，又保证兼容性（集成第三方IP），将使我国SoC发展具有更强的竞争力，从而带动国内IC产业往深度、广度方向发展。
     
     
    SoC设计更重应用需求
     
     
    SoC设计准入的最大门槛是专门技术、IP库、SoC总线架构和嵌入式软件（包括BIOS、OS）支持，需要广泛的多功能IP核和将客户逻辑与之集成在一起的设计艺术，以满足客户产品开发的需求。同时许多第三方IP核供应商由此可以得到快速发展，它们的成功要么是具有独一无二的且极具价值的IP核，要么是具有良好声誉的IP库。SoC设计者通过重用经过证明了的IP，不仅利用了最新工艺技术优势，而且减少了开发周期和风险。
     
     
    SoC的发展离不开应用领域的需求牵引。根据需求进行片上系统设计时，不仅要考虑SoC本身，而且还要考虑SoC应用产品的需求，重点关注特定IP获取和系统总体结构（性能、功耗、成本、可靠性、适用性）的评估上。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本，用户采用SoC总线（芯片内部）、芯片间总线（如SPI、I2C、UART、并行总线）、板卡间总线（ISA、PCI、VME）、设备间总线（USB、1394、RS232）等。不同的是，SoC总线为用户提供了一个堪称“理想”的环境：片上系统模块间避免了干扰、匹配等传统问题，但是片上系统的时序要求却异常严格。
     
     
    在实施过程中，SoC设计者的核心工作不再是某个新功能的设计实现，而是如何去评估、验证和集成多个已经存在的软硬件模块，重视软硬件划分、IP核重用、嵌入式软件开发、多层次软硬件协同验证等方面。由于OpenCore和其他致力于开放知识产权（Open Intellectual Property）组织的大力推广（开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块），用户在片上系统总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化的方案。
     
     
    目前总线架构有很多种，如IBM公司的CoreConnect、ARM的AMBA、Silicore公司的Wishbone、MIPS技术公司的SOC-it和CoreFram等。可喜的是国内也有许多自主知识产权的总线架构，如L*BUS（龙芯）、C*BUS（国信）等。应该说每一种总线架构都是在满足特定应用领域发展起来的，各有优势。SoC的发展离不开功耗、性能、成本、可测性、可靠性、IP可复用性、平台技术支持性和软硬件协同开发性等方面的平衡。
     
     
    SoC的出现使集成电路发展重点转向系统集成，计算机发展也将从真空管(1代)、晶体管(2代)、集成电路(3代)、微处理器(4代)，进入以SoC(5代)为主，整个电子整机的功能将可以集成到一块芯片中。在不久的将来，集成电路与电子整机之间的界限将被彻底打破。
     
     
    SoC关注8大技术
     
     
    SoC设计方法学主要研究总线架构技术、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等，此外还要做嵌入式软件移植、开发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。
     
     
    总线架构技术 总线架构及互连技术直接影响芯片的总体性能，对于单一应用领域，可选用成熟的总线架构；对于系列化或综合性能要求很高的，可进行深入的体系结构研究，构建颇具特色的总架构，做精做强，不受制于第三方，且更具竞争力。目前SoC主要开发研制基于平台、基于核、基于合成及自主构建的总体架构。
     
     
    IP可复用技术 IP核一般分为硬核、软核和固核三种，硬核是指经过预先布局且不能由系统设计者修改的IP；软核通常以HDL语言形式提交；固核由RTL的描述和可综合的网表组成；IP核应有良好的开发文档和参考手册，包括数据手册、用户使用指南、仿真和重用模型等。
     
     
    软硬件协同设计技术 软硬件协同说明、协同分析、协同设计、协同模拟和协同验证，可大大减少硬件设计风险，缩短嵌入式软件的开发调试时间，同时在协同验证环境中能够及时发现软硬件中所存在的致命问题，避免在最后集成测试阶段重新进行软硬件的调整。
     
     
    SoC验证技术 主要分IP核验证和系统级验证，如设计概念验证、设计实现验证、设计性能验证、故障模拟、芯片测试等；从验证类型分，有兼容性测试、边角测试、随机测试、真实码测试、Regression测试等，由于芯片愈来愈复杂，软件仿真开销大，因此硬件仿真验证是一种重要的验证手段，整个验证工作约占整个设计工作的70%。
     
     
    可测性设计技术 主要研究解决批生产可测性问题和在线可调试性问题，实施技术包括DFT、SCAN、BIST、Iddq、JTAG/eJTAG等，更重要的是要考虑测试平行化，降低芯片测试占用的时间。
     
     
    低功耗设计技术 低功耗已经成为与面积和性能同等重要的设计目标，同时也面临精确评估功耗的问题。芯片功耗主要由跳变功耗、短路功耗和泄漏功耗组成，研究多电压技术、功耗管理技术以及软件（算法）低功耗利用。
     
     
    超深亚微米电路实现技术 由于晶体管数急剧增加，芯片尺寸日益变小，密度不断增大，IP可重用频度高，低电压、高频率、新工艺/新设计技术层出不穷，可测性高，封装难度大，要不断研究新工艺、新工具，研究关键电路架构、时序收敛性、信号完整性、天线效应等问题。
     
     
    嵌入式软件移植、开发 主要研究开发SoC的BIOS和嵌入式操作系统移植/开发，要支持多任务，使应用程序被分解成多个任务，程序开发变得更加容易，系统的稳定性、可靠性会得到提高，也便于维护，易读易懂，具有安全性好、健壮性强、代码执行效率高等特点。如对SoC片内进行嵌入式Linux操作系统代码的植入研究，可减轻系统开发者对BSP开发的难度要求，同时提高开发效率，缩短开发周期。
     
     
    提高系统集成度是SoC发展重点
     
     
    SoC技术的一大发展趋势是基于SoC开发平台，分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI噪声、成本、易用性等转移，使系统级集成能力快速发展。
     
     
    SoC将引领新一代嵌入式处理器的技术发展，以嵌入式系统应用为核心，集软、硬件于一体，并在系统集成中追求产品系统最大包容性，能成功实现多学科的协作与融合。SoC设计技术为计算机专业人才介入IC设计领域提供了一个机会。不仅在SoC芯片设计上需要较强的计算机体系结构背景知识，而且SoC突出了软件开发的比重，需要计算机专业人士的介入，需要提供良好的开发平台和嵌入式操作系统。
     
     
    SoC在中低端方面主要面向嵌入式应用，将不断满足日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理等需求。SoC需具备各种各样的接口，如LCD、USB、CAN、MAC/WLAN或IrDA通信接口等，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，甚至浏览器，如HTML、WML等，不断满足新领域的发展需求。
     
     
    SoC在中高端方面将取代传统意义上的CPU，向系统性能更好、功耗更小、成本更低、可靠性更高、开发更容易方向发展，将满足人们以GUI屏幕为中心的多媒体界面与信息终端交互需求，如手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件、传送彩色图形/图像及语言同声翻译等。SoC将具有32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP等增强处理能力，同时支持嵌入式RTOS发展，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保障软件质量，缩短开发周期。
     
     
    2007年SoC将占据IC 20%的市场
     
     
    根据多种资讯分析，SoC将在3C整合产业发展中占据重要地位，也是21世纪全世界关注的关键核心技术，SoC产品将是IC产品的发展主流。
     
    为了更好地把握市场趋势，我们先观察IC的市场，从1994年到2003年，IC年出货量从400亿片发展到800亿片，到2007年年出货量，将达到1302亿片，年增长10.6%；2003年IC年销售额为133亿美元，到2007年年销售额将达到1695亿美元，年增长7.1%。IC的强劲增长为SoC市场的发展奠定了坚实基础。
     
     
    SoC的主要应用领域有计算机类、通信类、消费类、工控类、交通运输类，按照前述所定义的SoC来归类，下图表示SoC在不同应用领域所占的销售百分比。计算机类如图像、硬盘驱动、打印机、个人助理等；通信类如有线网、无线网、手机、可视设备、通信基站等；工控类如控制/处理、测试仪表、医疗设备、监控系统等；交通运输类如引擎控制、仪表装置、安全系统等。右上表是SoC 2002年在各应用领域的销售情况及对2007年的销售预测。
     
     
    另据Dataquest最新统计资料，广泛应用了SoC技术且近年来销售排名靠前的产品有：手机、视频游戏机、存储器、宽带远程访问设备、DVD播放器、数字机顶盒、数码相机、个人计算机、移动通信网、局域/广域网等。
     
     
    根据Dataquest预测，在信息、通信、消费类电子等三个应用领域中，SoC的发展以消费类电子产品的增长最为稳健；信息领域的应用在2002年以前比较缓慢，但是在2003年以后增长力度也渐趋稳定；占SoC市场最大比例的通信应用，在近几年的增长起伏不定，主要是受到手机市场剧烈震荡的影响，整体市场中所占比例在随后几年将会有所下滑。
     
     
    在过去5年中，SoC得到了快速发展。据预测，SoC销售额从2002年的136亿美元，将增长到2007年的347亿美元，年增长率超过20%，伴随后PC时代的到来，信息家电(IA)会迅猛发展起来，对芯片会不断提出更高的要求。
     
     
    SoC为IC设计超越提供机遇
     
     
    世界芯片复杂度的年增长58%，而IC设计能力的年增长仅为20%，由此看出，世界集成电路设计能力的增长远远跟不上芯片复杂度增长的速度，这为集成电路设计产业提供了难得的发展机会。面对集成电路向SoC的转型，我国实现集成电路设计业跨越的一个历史机遇正在来临。许多专家建议，我国应优先发展芯片设计业，特别重视SoC提供的发展机会。
     
     
    相信在3～5年内，高端嵌入式处理器将以SoC的发展为代表，成为各相关学科的交汇点。在SoC相关学科领域中，势必吸收与培养其他学科领域人才，如光、机、电等学科，不断改善SoC研究队伍组织结构，加强跨学科的SoC综合技术研讨，积极沟通观念、信息与技术，以培养SoC的跨学科高级人才。
     
     
    只有通过跨学科的相互交融，从战略高度培养SoC复合型人才，才能促使SoC设计技术产生质的飞跃。我国IC设计人员通过近几年的积极努力，SoC开发/研究基础已完全具备，面向国内大市场，只要整合好资源优势，我国芯片产业的发展水平不仅可向世界看齐，而且有可能引领高端芯片设计的发展方向。
     
     
    SoC必将导致又一次以系统芯片为特色的信息技术革命，21世纪初期将是SoC技术真正快速发展的时期。