《微电子学概论》第七章-系统芯片SOC设计

系统芯片(SOC)技术世界集成电路设计技术发展现状世界集成电路加工工艺水平为0.13微米，正在向0.09微米、12英寸加工工艺过渡系统芯片（System-on-Chip）正在成为集成电路产品的主流超大规模集成电路IP复用（IPReuse）和硬软件协同设计水平日益提高集成电路设计业、制造业、封装业三业并举，相对游离设计工具落后于设计水平SOC-摆脱IC设计困境的途径功能越来越复杂，一个团队不可能从每一个晶体管设计开始，必须用第三方的IP核多个芯片在I/O上会增加功耗，SOC方法可降低功耗产品的生命周期越来越短，制版费用越来越贵，芯片必须可以重构，以延长其生命周期，并且，产品的上市时间的压力，要求快速开发深亚微米设计的问题，时序收敛更加困难芯片复杂度增加，使得验证更加困难集成电路发展成系统芯片（SOC）分立元件集成电路IC系统芯片SystemOnAChip（SOC）IC的速度很高、功耗很小，但PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法性能日益提高满足整机系统的要求IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成109-1010个晶体管在需求牵引和技术推动的双重作用下将整个系统集成在微电子芯片上OUTLINE系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势SOC是什么？SOC（SystemonaChip),系统芯片，片上系统，单芯片系统。一种实现复杂系统功能的超大规模集成电路系统芯片SOC不仅包含复杂的硬件电路部分，而且还包含软件部分复杂硬件电路一般内含一个和多个芯核（特指微处理器MPU、微控制器MCU或数字信号处理器DSP等作为软件执行载体的特殊IP），而且在设计中大量复用第三方的IP核一般采用超深亚微米工艺技术实现系统芯片SOC结构示意图ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuits)设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以IP复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片将一个系统的多个IC集成在一个芯片上可以提高系统性能、减小尺寸、降低成本系统芯片SOC封装内的系统（SysteminPackage，SIP）将组成系统的几个不同工艺集成电路封装在一起早期的SOC概念

仅限于集成计算引擎、存储器及逻辑电路目前的SOC

集成多种功能电路，可满足不同的系统应用的需要如手机、数码相机、MP3播放机、DVD播放机蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的全球标准，基于低成本短距离无线连接。包括微处理器、存储器、RF电路、数字基带处理器、模拟和数字接口、多种音频和数据接口等蓝牙SOCSO少C设计既与目盯前集遗成电晴路设驱计的煮区别管：采用IP核进屈行设剧计，旨提高隔设计抵产能软硬平件协捡调设饶计可集移成不迷同类茄型的概功能摇模块拢，如扒逻辑宰、模课拟、商光电男、生遭物电否等。需要蚊更高收的设芽计验济证采用搭超深愧亚微华米（VD圾SM）技萍术需要标一个蹈或多皇个嵌爆入式CP晃U和DS盐P对设斤计人芝员的娘要求假高具有胖可从娃外部桶对芯剧片进哲行编臭程的派功能SO时C的实追现方闸式：其一纸是增加副通用MP相U的功流能和万性能，并乎在片隔上集勤成较镰大的Ca浮ch坊e、DR钳OM和I/抬O。其二宁是设计催专用抚芯片，专抄用芯峰片可胆以大魔大提榴高芯丙片的离面积欣利用润率，米从而随减低榆成本释。一种费基于CP物U和DS拔P王Co鸣re的SO决C混合碍实现介方式喜可以毒在集她成度盯和通屿用性际两方膏面兼触顾，醒如HP和SU辨N的多媒姿体工丑作站都把MP享EG的图名象压来缩、MO溉DE狱M、FA围X和音险频处独理，巩同时握集成顷在SO狸C中。SO茅C的技武术瓶案颈在于针：1)圣ED予A工具头的能件限，ED忧A工具立总是短赶不名上工葱艺的逮发展告。2)顽IP模块资的兼仙容性秒：各种IP模块颤综合钱时，盒很难呈得到宇最佳查的速派度、命面积匙和时善序预阳测。送也缺郊少统方一的档虚拟特模块玻界面蜡标准嚼。3)深亚恢微米狸带来茫的挑掌战：短沟朵道效库应、恩金属泪层之立间的窗交叉性效应务以及终模块命间的握信号弱规整仔度都员对性塌能影俯响极搏大。4）测仿试、哗封装盲和散没热的悼困难张。OU续TL弹IN缝E系统慕芯片船的基者本概板念和蜜特点SO郑C的设忌计过诊程SO小C关键睡技术店及目峡前面菜临的阅主要基问题SO热C的发本展趋顽势SO母C的设总计过阳程OU移TL货IN醋E系统德芯片勺的基狐本概练念和俗特点SO国C的设转计过踢程SO垮C关键可技术绵及目条前面隐临的层主要牵问题SO悲C的发模展趋旱势SO健C关键工技术软硬创件协妖同设钟计：传衰统设愁计以秩硬件奔为主,喊SO商C设计予中不真仅有践复杂懒硬件磨设计另，还惰要考用虑软胡件IP核技敞术：IP核的克设计弦和复捷用超深屑亚微仆米技昆术软硬益件协洁同设矮计划分遗理论：符明合系苗统要蓄求、执符合序实现鱼代价圣约束牌的硬杨件和爹软件屑架构魄，使厕代价唉最小导，性惕能优胡化仍在哪发展么中系统烟描述飞语言：定矮义系霸统级探软件细描述资及硬绳件描零述传统赞的HD尘L语言潮，与德软件你设计址语言慢不一均致，枝难以原将软筐件和荡硬件江连接示在一驱起进批行协草同的养设计弄、验鹅证从软同件语闹言上拖发展萌起来仅，可叨以对班硬件最建模妻，考思虑硬召件中严的并省行性除、时知间概猛念、裂重新可启动拔机制胶等出现区背景妨：设饲计复至杂度尼高，喊需要滑进入朱市场卫的时察间短进行涉设计耐复用辆：采娃用前报人成此功的诵经验生和设角计成果例：骑处理炭器内摩核的孤复用兔可以须使设饿计人芳员从厘繁重槽的处愉理器械设计涉中解妨脱出匪来，谁更加国关注睬于系沉统功发能的女实现慰和系盯统性枣能的紧提高IP核设知计技惨术IP核是什刘么？IP（In仇te案ll白ec贩tu苦al占P摔ro临pe芽rt孙y）：知识兔产权1）有揉独立牲功能原的、器经过亭验证胜的集成尘电路设计垫；2）为鞭了易串于重由用而宴按嵌膀入式变要求市专门院设计锁的；3）面捐积、蜻速度随、功别耗、避工艺灾容差忆上都文是优逮化的买；基于IP复用围的SO乞C设计计算殖引擎芹类:R违IS辉C（MI愁PS促,唱AR乘M）和x8锻6装CI僚SC通信道类:多TI酒,议LU氧CE瓣NT略,若AD搂I,味M绞OT部OR贼OL椅A的OA弱K和PI知NE核(D都SP罚)、MC文U嵌入殃式存沙储器剂类混合山信号燃类：鱼数模庆混合IP其它猾类型撕：如亏调制/解调鄙，数此据压形缩，毁加密检，语盒音编醉码，IS拾DN，US仙B等IP核的仰分类按照驼应用悔种类寸划分IP核的拌分类按照抱描述侄和实困现形考式划垄分软IP硬IP固IP特点冠：以HD质L描述污；性告能通烫过时应序模处拟验啄证，我不依笋赖于检工艺情和实夏现技傅术，河可复茅用性博高，畏可将出软核瓶映射拿到自供己的罗工艺坑上；问题羞：价视格高膝，提光供者毒不多微；用侧于SO犬C设计域时需神要很根多的溉设计构投入歇；风运险大饰；是沿否可洽以结膏合任班一工狮艺库筹进行呀综合视仍是耻问题特点酸：以皇版图保形式乡丰描述荐；性棒能和早面积河经过逢优化烘；经喝过工好艺流旋片验循证；垦当用补于SO罢C设计思时所拔需设削计投口入较饺少；绣安全旧性较庸高问题凡：与串工艺讯有关丝式，在事具体诞物理怎功能好和性夹能方锁面难预以修进改；泼与工富艺的箩相关端性使肾电路鞠其他难部分嘴的设春计也吹需要渣使用恭该工锤艺特点仿：以究网表中描述点；经徒过了FP摄GA硬件妄验证桥；时氏序特附性经专过严烫格检迈验，沫只要添保证也布局挎布线念中关较键路同径的丘寄生辆参数炼不引昌起时顶序错娘误就洒可以氧保证佩芯片笨设计胃的正胆确性惯。问题叮：与止工艺至相关鸦限制浸了其内使用病范围忘；网违表的取难读鞋性使蝇发生怨时序子错误酱难以忙修改第三忘方IP供应钉商例：AR拼M（ad缴va蝇nc赛ed雁R零IS坊C教Ma唉ch逆in披es）,Ra映mb针us公司伏：着除重一茂种高毛度优常化的股硬IP开发Vi辟rt定ua缺l幼Ch临ip行s,您M帖en短to罪r真Gr详ap悄hi柴cs：提炉供软IP库各公冤司自暮己开晴发IPFO迹UN秤DR的Y代工亡厂ED偿A工具棚开发源商IP核供金应商单元局库开丑发商AS趋IC设计梨公司……披..ICSO敬C20世纪90年代基于IP复用尤的SO逗C设计系统俘芯片SO鱼C一般氏采用命基于用核设亡计，诊它是悼指将歪一个都系统浪按功继能划绢分成戚若干抵模块利，然苍后直前接利驰用第要三方棒设计吧好的IP核，披并将气他们伴集成扎为一强个具救有特茎定功殃能芯答片的离过程圾。基于腾核设邪计的休核心疮就是箱复用IP核。IP核复杠用绝专不等旷同于良集成第电路梦设计妈中的虹单元哭库的剪使用尽，不捷是一徒些IP核的忘简单扣堆砌贿，还德包含IP核测排试复种用。为了俯实现IP核的倘测试震复用拥，需途要在萍结构既上进盒行精档心设签计IP核复恨用技誉术IP核复联用技汪术IP核生铅成IP核的糕复用IP核保看护比IC设计反更为培严格完整崇的文对件化敞：需常要给沾出规抱格说温明、帖设计彼描述娱、测趋试方场案IP核复用IP选择轧：目却前可吐供选逝择的辣好的IP还有始限IP集成不是IP核的晶简单黑堆砌炭，会坟出现打一些知问题大，尤倘其接堡口和属时序宽问题惩、信截号完松整性果、功迹耗等喘问题不同林电路改之间水的兼锁容问问题：否模拟虎及混读合信啦号、盈射频此等不堂同类参型电珠路的棍集成偶要求境不同ED租A工具音还需忆发展由于肉不同悄类型股电路秀集成赶在一达起，融验证掏工作霞变得详十分爬困难数字趋电路禁、模扎拟电抽路、震存储翻器电计路的驻验证混合链电路退仿真医模拟时延泪、功泽耗、若信号随完整变性的块验证孝以及涨后仿北真SO贡C验证IP核的项测试(c速or困e-辣le阻ve灯l缴te下st叨)完成丢对独鸽立IP核的浇测试IP核的汁测试朝访问(c景or习e策te语st甜a蚕cc融es深s)完成联对IP核提杨供测请试激释励，表并将就测试魄响应彼从IP核中格输出IP核测尤试外隔壳(c秘or木e跨te栋st男w拔ra录pp争er邀)提供弄嵌入辣的IP核与摊其SO置C环境对交互眉的接顾口SO糠C测试SO帽C中IP核的毫测试天线肺效应昌（an哥te孤nn晨a筛ef贵fe楚ct）电荷愚聚集笔在金恭属线像上电迁伯移效尾应（el士ec邀tr齐om踪蝶ig竿ra袍ti览onef近fe细ct）电荷寺的移筑动引喉起断级路信号赤的完采整性(s法ig古na踢l思in田te做gr迅it要y)电路央中信赢号产愚生正获确响黄应的妥能力SO肿C的物统理设字计考店虑OU欢TL阁IN依E系统盼芯片晒的基吊本概扬念和伤特点SO严C的设食计过脆程SO钉C关键玻技术架及目某前面宪临的楼主要宣问题SO疤C的发腔展趋佩势系统哥集成提高束设计递产能涵盖缺不同等技术用IP核复所用SO痕C的发闻展趋涨势系统闭芯片进行爬混合磁技术孝设计丽，包售括高炮性能沸或低加功耗肾逻辑疑、嵌旗入式DR践AM、模进拟、脂射频使等技魄术的中集成筛。广义扯的SO竟C还可窜以包姨括微醋机电仁系统(M赵EM被S)、光唤输入/输出哀等它对湾微电纷子技肌术的丙推动傲作用瓶不亚近于自20世纪50年代酿末快原速发掌展起搏来的萄集成全电路巨技术21世纪陶将是SO箩C快速采发展奔的时发代，纷将成杰为市瘦场的荣主导旱，加色速电零子产侧品的鱼更新胀换代疤随柱着需昼求的译不断与发展华，专捡家预骆测，爬以硅舰技术外为基启础的厌集成码电路线产业假还至快少将发发展1～2个世镇纪。系统曲芯片(S滔OC捷)是微围电子些设计甩领域未的一默场革奴命,改变多传统乓的IC设计念思路聚和设漏计方很法;促进假整机侦系统庆的发熄展，辟带来导革命喉性变功化SO趟C和IC的关糟系IC和分席立元镇器件督的关毕系类似未来延的方达向1:封装钢内的围系统理（SI腿P）1基于浇不同此工艺拍的技积术，如垫砷化煌镓、锹锗硅洪、或抗硅管落芯，拐无论床是逻日辑电唱路、确存储昆器、RF、模拟裕还是直数字抢电路侮，都组可以洪装配但在同妻一封默装中挠，并室满足等热学价、电守学和纱机械纷性能央；2不同同尺寸哪的工产艺，如18槐0纳米坑－65纳米淋的管示芯可句以在谅一个向封装躁内并战存；3其他蚊技术，如ME笛MS、光电郑、视隆频器尺件都味可以喊集成喉在同均一个SI锻P内。未来拔的方恢向1:封装间内的嫂系统半（SI无P）4不同例的互悬连技龄术，如懒引线侦键合滑、倒伶装焊叔、都委可以肉用于锁同一馆个封填装内歌；5其他这无源译器件如天离线、坏不平榴衡变满压器即、滤仙波器扫、散浴热器昂、谐挑振器却、连已接器江和屏塘蔽器煌等都喂可以镰制作林在同其一个沉封装气内；6柱OE岗M产品病的修骑改和匠升级可以痕通过伐换用尸新的谦管芯稍来实岗现。未来佛的方胶向2:可编尾程的SO蹈C在传粮统的SO丈C中集泡成一以片可聋编程著的逻偏辑，齐成为萍可配洪置的荣架构亩（FP您GA稠S谨OC）；SO怀C在推浮进人程类社煌会信困息化连进程箩地同殖时，工也推证动微厨电子仓学科煤自身帅的发学展。21世纪庸“半丸导体拐集成遵化芯幼片系乖统基妈础研挥究”蒙的雨一个弓重要希发展焰方向椅，即屠由集成电路(I踏C)向集弦成系歪统(I低S)的转头变。SO察C的实际现还而面临止许多福挑战鞭：传统IC设计浆与工甜艺制跨造的驰差距慰正在治拉大吓，ED辫A工具酒能提并供的柳年增生长率麦仅为21％，摘而按Mo奇or筹e定律夹发展辽的制刑造能问力年荣增长败率58％。验证涉、测食试和絮设计库的差纵距也袖在拉腿大，验证注一个桶复杂汤系统扮设计步的正消确性和测试厌工艺矮的缺幻玉陷，使因之对ED酱A工具稠的计苍算能米力的光要求湖难以荐承受只有泉及时访开展SO议C设计找自动诱化方字法的检基础讽研究执，建过立新血的SO柜C设计揪与测唉试方冤法学悲，才品能弥暴补这元一差辨距。SO谅C的设计上的专慰业化魄水平越来趣越高接，促字成了设计夜平台海的前劣端越来获越依党赖系齿统，设计昂平台桃的后育端越来站越依挽赖工言艺：前端照是一鲜个建但立系牧统级险描述调、验送证的捐仿真词平台：要有迎对市秤场需编求快薪速反银应的罩专业快背景要有业丰富否的可辰重用朋的(I刷P)设计插资源软、倒硬件唐的协恐同设握计的廊能力管理眨设计蒸的经船验和悲团队近合作利精神后端黄是一卧个高亲效、患可靠系的实待现设才计的部工艺朴环境粒：稳定漆的工猾艺流臭程(人员榆和素酬质)丰富宅的经慕工艺水验证搞过的摧固核灵活动的代非工方乞式(如MP颈W支持红等)制造巨、测忙试和矮封装番一体朋化的驳服务1、SO替C集成慢方法解学研埋究的嘱对象昌：信息法处理炉算法榨和协皂议到SO害C的结肉构映付射：建嗽立软欲、硬买件设颤计的析统一丙框架代、公专共母脏线，少处理挂好数乡丰据流颠、控吐制流卷和地释址流逢。芯核秘及其把可复饺用性次和可熊嵌入触性：以MP刻U和DS粉P为核响建立RT处OS支持素的GP迁IO，实现Mi娃dW亲ar雹e支撑侦的AP肥I高性羡能、烟低功季耗电彩路与贵系统：这率是实拒现无毛线、眯可移夸动多升媒体两系统返的便锐携电往子产折品的巷关键新型族定时蹄系统忌与异翻步系辜统模拟帅、射难频及陕混合友信号珠集成估电路2气SO矛C的综估合、欺验证夹与测打试理爹论的研究冶内容晋：芯片完系统必的行偿为表械示理填论：预估怜功耗居、互碎连线插延时豪、噪睁声、帖可靠难性等SO伞C的高灿层次校抽象盘模型夹和结底构化通表示唱理论相。互连恨线的绩建模旷、仿股真与牢线网殿综合：以术互连止线为拌中心踪蝶的模冰式需菊要研铺究互承连线瘦的建匪模与撞快速槽仿真跳方法查，以梁及时押钟线厚网和搞电源摔线网轻的仿本真和记综合以。与物稿理层融相关竿的系如统综耗合：当来互连淘线决秋定了屡芯片尤延迟让性能惯时，偷融合勺系统周综合负和布汉局综捎合可扶解决醋设计喜不收差敛的端难题之。从行躺为级宜到版菌图级义的验正证与驱测试滚生成召：复杂河度使生验证魄和测哗试生鞋成占SO江C设计病时间屿的50述%以上对，必猪须研抹究新活型故娃障模帝型的沙建模栽和故抛障模缸拟技那术。SO助C的可虑测试母性设楚计：SO岂C中器饭件数各与引贩脚数坝的比贼率大坝大提服高，森如何坑保证SO衫C的可岸测试挡性成帅为严寒峻的锁挑战谣。3、用弃于SO我C的集厅成微言传感街系统微观剩声、往光、呆热、灾力、畅电耦艳合与巩等效妈分析微结币构动据力学勿建模渠分析看：研究滩微观北输运甲机制蓝与非歇线性泪效应吧对微矮传感各器敏咳感结泄构的厘响应奏的影棒响。集成腐微传棍感器姜、阵雅列芯幅片和暗分析位系统叼：研究题微传蒙感器弊及其酸预处罪理电挨路的米集成悔技术微传煎感器途阵列趋