SoC的未来之路

1、SoC 的未来之路SoC 的理想境界是具有普遍性且具高度定制性，在这种条件下， SoC 的技术越来越具有多样化。预计到 2011 年，全球消费类电子系统芯片产量将增长到 17.7 亿元，复合年成长率为 6.9% 。这一数据反映出消费 类 IC 市场正进入 “更加成熟的阶段” ，视频处理、 视频合成、 人工智能等技术的应用，将为该领域的成长提供核心动力。Gartner Dataquest 副总裁兼首席分析师 Bryan Lewis 指出，在历经数年摸索后， SoC 的架构已逐渐明朗，他称之为 第二代 SoC。 Bryan 表示，这一代的 SoC 已走向混合型的架 构，也就是除了功能的多样性外，也

2、尝试采用混合型的制程 技术。第二代 SoC 的另一项特征在于次系统的独立性与平行工作， 也就是一颗 SoC 中可以有多个次系统， 每个次系统中 犹如独立的微型计算机，不仅有个别的处理器核心，还可以 有自己的 OS、Firmware 和 API ，并采用平行运算的多任务、 多阶层架构。这又是电子技术的一大成就，将原属于服务器 工作站中的技术概念放入小如指尖的芯片当中，这些技术包 括平行运算、不停顿(redundant)和负载平衡(load balance)等架构。今日SoC中的处理器核心，可以是RISC，也可以是DSP,而同样是RISC,可以一边是ARM核心，另一边则 是MIPS核心。当采用So

3、C负载平衡管理软件时，就能将SoC运行的软件切割成多项任务，并自动完成多核心之间的负 载平衡及任务监视工作。向多处理器核心发展 不过，概念归概念，要实现起来则是另一回事，这不是家公司就能做到的，需要的是整个产业环节组成的生态体 系(eco-system)。在SoC开发的生态体系中，有几类公司是 举足轻重的。 TI 、 Philips 、IBM 等 SoC 制造商自然是居于核 心的位置，但它们仍需要和处理器核心、嵌入式软件、ESL/EDA 工具等厂商密切合作， 才能顺利发展其 SoC 产品。 这些软、硬件及工具厂商中，除了一些老牌子的大公司，如ARM 、Wind River 外，还有更多是市场上

4、的新面孔，不过在 这个崛起的市场中，往往创新技术比资本是更重要的成功条 件。普遍性且具有高度定制性的 SoC 是理想境界， 目前市场离这个目标还有很大的距离，尤其是 SoC 的处理器架构， 更是各有一套做法。可配置核心看来虽然理想，但仍需累积 更多的 design-win 实例来巩固市场的信心。各大厂商虽然普 遍拥抱 ARM 核心，但其 SoC 产品的架构仍有很大不同，有的采用单核心 ARM 来处理所有的工作，也有采用 ARM 和DSP双核心架构的，这以 TI的OMAP最为出名，强调两个 核心分别负责控制及信号处理的工作。有的SoC则是以ARM 为主处理器，针对特定功能加挂加速器，如 ST 的

5、 Nomadik ， 即 ARM9 外还加入专属的音频及视频加速器。阶层式软件架构在封闭式的嵌入式环境中，多采用专属的RTOS、驱动及应用程序。 SoC 也能采此种做法，不过，以大众市场的手 机来说，则倾向采用阶层式的架构。此架构基于硬件抽象(hardware abstraction)的接口做法，将系统分为三层，以手机应用 SoC 为例，最上层为使用者应用层，中间层为通信、多媒体架构、安全性及操作系统，最底层则是与 LCD 控制器、影像传感器或照相机等一般性应用外围的沟通。以上三层彼此间通过高阶的和低阶的API 来沟通。 因此API的标准化是此架构普及的关键，当业界发展出标准化的API后，应用

6、软件从底层的平台架构分离出来，开发者只需从上层架构的观点对应用程序做抽象层级的开发，而不用对 底层的实体平台做直接的呼叫，这让产品能更快速地开发， 在平台更新时也不需牺牲效能或程序代码的可互操作性interoperability )，应用功能只需要写一次就够了。不仅如此，由于此架构的平台具有通透性，制造商也很容易对硬件 和软件做各种功能升级。在此架构下， SoC 也能采用高阶操 作系统( High level OS ，HLOS )来满足复杂多任务的运算控 制需求。不过，底层的规划仍有其重要性。毕竟，实际的运 算作业还是发生在底层，只有针对特定需要对底层做最佳化 的调校，才能充分发挥最佳效能。这

7、时，系统设计者就得懂得通过基础的汇编语言编译程序的编码，对程序代码进行最佳化设计，以提升SoC 系统的效能等级。ESL 工具以上内容主要是 SoC 的系统架构规划， 在完成此阶段的布局后，接着要面对的是如何实现硬件生产的问题。 由于 SoC的制造相当复杂，尤其是面对多核处理器及庞大的电路闸， 因此 SoC 开发对于 EDA 工具的依赖极深，而在此类系统级 设计( System Level Design )中，电子系统级( Electronic SystemLevel, ESL)正是EDA和IP业者为简化SoC开发而致力推广的设计方法。 ESL 发展的主要目的就是要解决日益复杂的 软硬件协同设计

8、问题。相比较过去，要等到芯片硬件生产出 来后才能执行软、硬件的同步验证工作，使得芯片的验证周 期拉长。 ESL 设计方法能通过一个虚拟的软件平台环境，让 设计师在 IC 设计早期阶段即开始进行整体系统架构分析、 IP选择与软硬件整合等程序， 如此一来，设计师能及早发现 SoC软硬件整合上可能出现的问题，大幅提高开发的成功性。目前的 ESL 工具主要是由 C 或 C+ 语言来完成，通过System C 语言的使用， 许多 C+ 函式库被引用， 也降低了 IC设计者在 RTL 设计时， 经常遇到转换不同设计工具时， 程序 语言间不易统合的困境。除了 System C 以外的高抽象层级、 系统导向的

9、硬件描述语言还包括 System Verilog 和 Verilog 2005、VHDL 200x 等。通过这种较高层级的语言，有助于节 省系统的仿真。链接: SoC 的竞争者 SiP所谓SiP(System in Package),是在基板上组装一块或多块裸片， 再加上若干分离式和被动组件的封装设计。 相比较，SoC 般需花上18个月，SiP的开发时间能大幅缩短，只需69个月的时间即能完工。此外，由于采用封装技术，因此SoC 难以整合不同制程、技术的瓶颈，就很适合走 SiP 的途 径，采用 Si、GaAs、SiGe 等不同制程的芯片可以通过堆栈 而封装在一起，进而生产出混合内存、模拟及数字功

10、能的多 功能芯片。以 ST 的移动市场方案来说，移动设备的空间配置可谓寸土寸金，而采用12X 12 TFBGA封装的Nomadik本身的尺寸已经非常小了，但在它的三层堆栈版本中，还将高达512Mbit 的 SDRAM 和 NAND Flash 与处理器整合在狭小空 间的封装当中。在这个封装当中，处理器和内存芯片堆栈在 彼此的上方，达成更佳的系统运行效能。这两种系统级芯片 设计途径各有其优缺点： SoC 适合要求高效能、高整合度和 生命周期长、产量高的产品，不过，它的技术难度较高，需 要投入的研发时间也较长； SiP 则适合重视开发弹性、上市 时间压力大的设计案例。般来说， SiP 的成本较 SoC 为低，对产量规模的要求不高，不过，在制造上仍有其技术门坎。 以 SiP 的开发来