SoC系统级芯片

SoC（System on Chip），即“片上系统”或“片上系统”，是指在单个芯片上集成微电子应用产品所需的所有功能的系统。SoC主要是集成处理机制、模型算法、软件、芯片结构、各级电路和器件设计的单个芯片，通常是定制的。它主要分为硬件和软件两部分。它采用超深亚微米工艺技术和由第三方IP核实现的超大规模集成电路，并由操作系统和应用程序控制。SoC避免了芯片之间信号传输的延迟和电路板的信号串扰，在功耗、尺寸和成本方面都有了很大的进步。一般来说，与传统电路系统相比，SoC具有高性能、小尺寸、低功耗和较短的研究周期等优点。

SoC的出现不仅大大降低了制造成本，使先进电子产品的价格为普通消费者所接受，而且广泛应用于通信、医疗、交通、工业控制、自动化、网络和消费电子等众多领域，成为21世纪集成电路技术的主流和具有国家战略意义的实用技术。

SoC（System on Chip），即片上系统，是指高度集成的集成电路，将多个功能模块集成到一个芯片上。与传统的集成电路设计不同，SoC技术不再是对工艺流程的无休止追求，而是基于对系统的深入理解。其应用的基础和核心是IP，结构基础是嵌入式。IP核，即知识产权模块，是指用于ASIC或FPG的预先设计的电路功能模块。过去，与应用电子设计相关的技术人员工作的主要内容是集成电路，而SoC将IP库呈现给技术人员，每个设计环节都基于IP模块，这使技术人员的角色从早期的系统设计人员转变为器件设计人员。SOC大多是定制的，不同复杂度的SOC应用于不同领域以满足特定功能。

诞生

第一款真正的SoC产品诞生于1974年的Microma watch。此外，在1989年出版的TheArtofElectronics中，一些原理图与SoC非常相似，包括步进电机控制、模数转换器、串行I/O、集成ROM、定时器和事件控制器。早期的芯片设计非常困难，大多数半导体公司都是集设计、制造和封装测试于一体的IDM制造商。随着行业的发展，芯片设计和制造的成本和难度急剧上升。随着计算机技术的不断发展，SoC电子设计经历了三个阶段:

20世纪70年代，计算机辅助设计通过使用系统的复制功能提高了布局设计的效率。

计算机辅助工程出现于20世纪80年代，以门阵列和标准单元布局为主要内容。在台积电的带领下，半导体行业正朝着“无晶圆厂（设计）+晶圆代工（制造）+OSAT（封测）”的方向发展。

1990年，IP龙头Arm诞生后，开创了IP核心授权模式。芯片的架构由Arm设计，ip核授权给Fabless供应商。由于超大规模集成电路（VLSI）的逐步发展，集成电路（IC）正逐渐向集成系统（IS）转变，集成电路的设计者倾向于将复杂的功能集成到单个硅片上，因此形成了SoC的概念。1994年摩托罗拉发布的FlexCore系统和1995年LSILogic为索尼设计的SoC可能是基于IP核的SoC设计的最早报道。。

1999年，全球SoC市场年销售额达到3.45亿。

20世纪90年代，电子设计自动化出现，提高了从原理图输入到行为描述的设计水平，进一步缩短了设计周期并提高了设计效率，手机小型化需求的不断增加促进了SoC的出现。IP的兴起为SoC的集成提供了可能。

发展

2000年6月，由加拿大政府和工业界资助的非营利组织加拿大微电子公司在加拿大大学建立了SoC研究基地，并在40多所大学的支持下建立了SoC研究网络。

2000年12月，中国在“十五”国家“863计划”中启动了超大规模集成电路系统芯片专项，并发布了该专项2000 ~2001年预启动项目申请指南，其中包括关键电子信息产品核心芯片开发、超大规模集成电路ip核开发、系统芯片设计与制造关键技术研究、超大规模集成电路设计产业化环境建设等。，推动了中国SoC的发展。

2003年，搜狐报道称，哈工大微电子中心成功研发出中国第一颗SoC芯片。SoC在工业中的应用日益频繁，在加速工业转型的基础上，为信息技术提供了良好的“进入”条件。2021年，仅中国智能手机SoC市场就售出了3.14亿片SoC。SoC技术也是近年来中国集成电路设计过程中使用的主要技术之一，包括机器的其他功能设计。

软硬件协同设计技术：传统的集成电路设计基本上属于硬件设计的范畴，而SoC由于采用平台化的设计方法，涉及算法、软件和硬件三个方面。软硬件协同设计的理论体系包括系统任务描述、软硬件划分、软硬件协同设计、软硬件协同验证以及与系统设计相关的低压低功耗设计、可测性设计等。

一般的软硬件协同设计方法是在系统结构确定、软硬件划分后，通过行为模型、RTI（逻辑综合）级硬件语言描述和数据通道综合等手段完成硬件设计，通过手工汇编和编译实现软件。通过软硬件协同仿真得到了系统的重要参数。

软硬件协同设计大大降低了硬件设计的风险，缩短了嵌入式软件的开发和调试时间。在协同验证环境中，可以发现硬件和软件中的关键问题，从而避免在最终的集成测试阶段重新调整硬件和软件。

IP核生成和复用技术：IP核有三种类型:软核，主要是功能描述；实心，主要用于结构设计；硬核，基于工艺的物理设计，与工艺相关。其中，硬核的使用价值最高。

IP重用，即从IP供应商处购买现有的IP核，并对其进行排列、连接、检查和验证。IP复用是快速设计技术先进、功能强大的产品的关键，其使用几乎涵盖了集成电路设计的所有经典主题，如测试、验证、仿真和低功耗。IP核可重用性的研究重点是开发适应各种总线接口的规范和可测试性的集成，以尽可能少的外包和测试向量达到重用的目的。。

IP核的生成可以基于国际上广泛使用的总线结构或自研的片上总线。IP核模块的选择需要评估IP核的质量、集成的便利性、可重用性以及IP核提供商提供的技术支持。

超深亚微米集成电路设计技术：在超深亚微米IC设计技术的研究中，IC设计人员不得不克服特征尺寸缩小带来的信号延迟、工作频率提高带来的信号完整性、传统连接延迟等诸多问题，不断推出超深亚微米SoC设计工具的新技术和新工艺。

SoC设计采用“自顶向下”和分层设计方法。从系统设计入手，在顶层进行系统的功能划分和结构设计。设计师需要同时考虑高层的功能问题、结构问题和低层的布局和布线问题。如果发现问题，可以进行局部修改。由于物理综合过程与前端逻辑综合紧密相连，逻辑综合是在版图和布线的基础上进行的，因此设计迭代较少。

设计原理：SoC所遵循的设计思想的核心是集成整个系统固件，以便用户可以根据自己的需要添加、删除或调整嵌入式结构和模块，然后可以实现系统硬件设计。它不仅可以优化固件特性，还可以节省开发定制电路所需的时间并降低设计难度。

SoC系统级芯片

设计法：SoC芯片的设计分为硬件和软件两部分。SoC的设计是一种自顶向下和自底向上相结合的设计方法，同时考虑物理设计和性能，并通过软硬件协同开发相互交织和迭代。由于SoC的设计过程一直在变化和迭代，本文介绍了一种软硬件协同的SoC设计方法:

需求分析和产品定义:确定系统的功能需求和性能需求，提取设计约束，进而得到系统的功能组成。

SoC软硬件协同合成:根据需求分析阶段确定的系统功能组成，综合评估和权衡各项性能指标的约束条件，从IP核和软件构件库中提取相应的IP核和软件构件，找出系统的最优软硬件划分，进而得到SoC设计的目标结构。

SoC的软硬件协同验证:根据SoC软硬件协同综合阶段得到的SoC设计结构，按照IP核、软件组件和用户自定义逻辑模块的组成建立评估模型，验证设计结构的逻辑功能和性能指标是否满足用户要求。如果有，将进入系统开发阶段，否则将回到SoC的软硬件协同综合阶段。

系统开发与实现:从IP核和软件构件库中提取使用过的核，实现IP核、软件构件和自定义逻辑模块的连接和集成，得到待测片上系统SoC。

SoC测试:对开发的SoC进行测试，并采用有效的测试调度策略，进一步降低测试所需的时间成本。

SoC测试:对开发的SoC进行测试，并采用有效的测试调度策略，进一步降低测试所需的时间成本。

优势

自SoC出现以来，尽管其设计变得越来越复杂，但设计验证也变得越来越复杂，仅这一环节就消耗了总设计时间的70%。然而，除了对设计验证的高要求之外，总体而言，SoC的优势更加显著。

增加的功能:SoC是一个高度集成的硬件平台，功能复杂，速度快，功耗低，由许多软件支持，其最大的优势是功能多样。

体积缩小:SoC正在向智能化、自动化和小型化方向发展。

节省时间:SoC系统更新更快，节省了大量时间。同时，其软硬件双管齐下的模式提高了工作效率，缩短了电子产品的上市时间。

降低成本:与传统的集成电路制造工艺相比，系统芯片在制造过程中采用了复用设计理念，在设计中采用了静态时序验证方法，节省了设计和生产成本。

灵活性强:在SoC的设计中，您可以从丰富的IP核心资源中进行选择，并且整个系统可以更快地更新，这也缩短了供需之间的差距，并对不同的设计应用具有更强的适应性。

劣势

系统规模大:SoC一般由几百万到几亿个组件组成，电路结构包括CPU、RFmodule、DSP、DAC等模块。其更复杂的电路使得验证和仿真更加困难。

工艺要求高:由于集成电路的发展、芯片面积的缩小和超深亚微米技术的使用，电路之间的距离越来越近，增加了信号的耦合效应。同时，由于时序的复杂性，电路的仿真和测试更加困难。

芯片功能复杂:芯片系统中集成了很多模块，要实现的功能非常复杂，并且需要区分硬件和软件，因此在设计时需要考虑更多的问题。

处理器芯片应用广泛，SoC的应用主要集中在两大领域:消费电子和智能IOT。包括消费电子产品，如手机、平板电脑、扫地机器人、无人机，以及各种类型的工业应用，如安全、商业显示和工业。SoC需求的增长有两个维度，一是出货量的增长，二是性能的不断升级。

智能手机全球出货量近14亿台，是目前SoC最大的市场，也是技术更新迭代最快的赛道。随着消费水平的提高，汽车逐渐成为生活中的“第三空间”，成为SoC的新发展点，SoC一般应用于高级驾驶辅助系统和自动驾驶。到2022年，高通是第一个进入该市场的公司，并且是该行业的主要供应商。瑞芯微、陈静和全志等国内制造商正积极切入这一市场。机顶盒和智能电视合计全球对SoC处理器芯片的需求接近6亿颗。此外，智能手表、VR、AR、ALOT等生态系统的发展也逐渐增加了对SoC的需求。

高端SOC集中在手机、平板电脑、服务器市场等。，而且大部分都是一个超大核加多个中核和小核的设计。次高端SOC多用于安防、智能音频、物联网等领域，对算力的要求略低于智能手机，而专用SOC则用于TWS耳机、智能手表等领域，针对特定场景开发，更接近MCU领域的应用。