| 摘要：集成电路芯片设计是IC产业链的龙头，而系统芯片（SOC）集中了芯片设计的先进技术。本文论述了SOC芯片的最新设计技术和焦点技术，包括嵌入式CPU，IP模块设计以及芯片的验证和测试等，展望了当前SOC芯片设计的发展趋势。
关键词：系统芯片；集成电路；IC产业链；存储器；数字信号处理器；微电子技术
中图分类号：TN405；TN470.2 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)12-0008-05
1 引言
伴随着半导体工艺加工技术的进步，集成电路（IC）设计者能够将越来越复杂的功能集成到单晶硅片上。SOC正是在IC向集成系统（IS）转变下应运而生的。从狭义的角度讲，SOC是电子信息系统的集成；从广义的角度讲，SOC是一个微电子小型系统，如果说中央微处理器是大脑，那么SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手在内的集成系统。可以预期不远的将来，超大规模集成电路（VLSI）与电子整机系统之间的界限将被彻底打破[1-5]。
SOC又是将CPU、自主知识产权（IP）核和存储器（或片外存储控制接口）集成在单晶硅片上的IS。它通常是客户定制（CSIC），或是面向特定用途的标准产品（ASSP）。
SOC为面向特定用户、能最大程度上满足嵌入式系统要求的芯片，具有诸多的技术优势：极大地减小功耗开销，减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，有利于板卡性能改善（由于片内连线缩短），降低风冷要求，降低系统开发商成本，尤其适于数字信息化产品的开发，如手持设备、信息家电等新品。因此，利用上述技术优势符合SOC产业链的发展方向。
2 系统芯片SOC与嵌入式CPU
2.1 基于IP的SOC芯片设计 近年来，在合理的成本价格下制造VLSI产品可以在单个管芯（die）上放置千万个晶体管。这些制造技术的优点使设计者能够创建一个系统芯片，它包括系统所需的一切元器件，但对系统而言，现阶段包括成倍的芯片。SOC通常包括各种广泛的电子部件：随机读/写存储器、CPU和数/模混合电路等。而设计SOC的主要挑战在于将各种各样的元器件安置在一个非常薄的硅片上。
SOC只有被设计成含合理的、相当数量的电子部件才是最有用的。如果SOC的子系统只用人工进行设计，那么大多数SOC将无法在设计中适时地利用设计工艺。因而设计SOC通常利用IP模块，以提高SOC产业链的生产效率。IP模块是预先设计好的元件，它可以用于较大规模的设计中，主要有以下两种IP模块。
● 硬IP 作为预设计版图出现。由于一个全版图是有效的，所以硬IP模块大小、性能和功耗都可以精确地测定。
● 软IP 是用硬件描述语言来描述的可综合模块，例如Verilog或VHDL语言。软IP模块更易于实现用新工艺进行芯片设计，但它更难于表现其工艺特征，并且也不如硬IP模块体积小、速度快。
2.2 SOC芯片的系统设计
SOC芯片的系统设计流程如图1所示。它主要包括以下几步。
● 系统规范。在芯片设计的开始阶段，首先需要确定芯片的功能要求、性能要求、成本与芯片的设计时间，并建立系统的预备规范。通常预备规范由设计师和市场人员共同完成。然后需要建立整个系统的高级语言算法模型，通常这个模型由C/C++ 或其他工具软件（如MATLAB等）建立一个可执行程序，此程序完成系统的主要功能，并用作未来设计的参考。
● 模型细化与测试。建立可执行系统描述的验证环境、验证系统描述的功能并进行性能评价。一旦完成环境建立，这一环境就用来验证软、硬件的设计结果，例如检测软、硬件混合仿真结果。对算法占主要成分的SOC芯片，需要在软、硬件划分前作大量的算法验证和评价工作。
● 系统的软、硬件划分。当高层模型确定
后，开始进行系统的软、硬件划分工作，即确定哪部分运算由软件实现，哪部分运算由硬件实现。这一过程涉及大量的人工工作，需要丰富的设计经验，能够在芯片性能与代价之间作出合理的折衷。功能良好的软件库与IP库可使该项工作得以顺利的完成。当完成软、硬件划分后，还需确定软、硬件之间的接口，并设计这两者之间的通信协议。
● 模块定义。软、硬件划分的结果是建立硬件规范和软件规范。硬件规范包括基本功能说明、时序、芯片面积、功耗要求等信息，还包括与软件接口的信息、I/O口的详细描述等。根据模块定义，可将硬件功能划分为不同的宏模块，各模块功能或由IP实现，或需重新设计。最终的芯片则由这些宏模块构成。
● 系统功能模型与软、硬件混合模拟。当软、硬件划分后，可建立一个硬件行为模型和软件模型，用这两个模型混合模拟仿真系统的功能，以此为出发点建立一个可靠的硬件和软件的、可执行的功能描述，并用来验证后续设计工作的结果。
2.3 IP模块设计的几个问题
首先，在设计IP模块的通用性上，需花费大量的时间对IP模块进行全面测试，并为它书写文档资料，然后才能被其他设计者调用；并非芯片内所有元件都是如此频繁地被调用，以致值得将其打包为一个IP模块；其次，要为IP模块选择一个接口标准。为了便于调用，IP模块必须能够明白地进行相互交流，且能与全定制逻辑芯片接口。然而，没有一种接口标准对所有类型的系统都是最好的；再则，为确保IP模块在芯片中正常的工作，IP模块的逻辑功能、性能、功耗及其可测试性，必须在系统上下全部是可验证的。
2.4 嵌入式CPU
在SOC芯片设计中，IP模块的最重要类型就是嵌入式CPU。嵌入式处理器能够编程完成芯片内某一特定功能，这非常类似于电路板设计中使用一个嵌入式处理器。在芯片内使用嵌入式CPU已经有多年历史：早期的嵌入式处理器大多用于基本时序的 8位CPU，如今功能强大的32位CPU已用于系统芯片中。实际上不但嵌入式CPU及其高速缓存，而且SOC的主存和I/O设备都可以集成于同一芯片上，这使得嵌入式处理器具有极强的吸引力。
在系统芯片SOC中，嵌入式CPU日益流行有几个方面的原因：其一，许多复杂的应用皆用软件方法实现，例如音频标准MP3、视频标准MPEG 这样的多媒体应用，若不用嵌入式软件就很难实现之。其二，许多复杂的数字系统必须运用嵌入式软件才能实现它们的实际功能，比如，数字音频系统必须用二进制格式运行，数字版权管理软件才能生效。一些系统芯片也用Linux，Windows，CE，Palm OS操作系统或其他可提供文件管理和网络管理的操作系统。其三，嵌入式CPU有利于减少设计时间，因为嵌入式处理器是一种相对容易理解的部件，而软件设计可以是稍微弱化形式的硬件设计。
2.5 SOC设计中的几个重要问题
● I/O设备。SOC本身需要有输入/输出设备，一些I/O设备可以有效地作为IP模块，而其他的I/ O设备对外部信号来源不会起作用。
● 混合信号设计。系统芯片与外部相互作用时，就需要有混合信号，包括模拟/数字信号的处理。然而，大多数数字VLSI的制造工艺不能较好地处理模拟元器件，这只能在一个主要的数字芯片上加配某些模拟接口，而在其他的情况下，有必要用不同的制造工艺把混合信号的处理部分集成在一个特殊的芯片上。
● 存储系统配置。大多数的SOC总要连接到密集存储器上应用。片内存储系统包括嵌入式CPU 的高速缓存，同时也包括片内主存、片内抑或是快闪式静态随机读/写存储器（SRAM）、抑或是嵌入式动态随机读/写存储器（DRAM），同时芯片需与芯片外部的存储系统相连。因此片外存储系统应精心设计以满足其性能和功耗要求，同时也应最佳地利用芯片面积。
● CPU的选择。在系统芯片中，为了有效地使用广泛的软IP和硬IP CPU，可以配置某些处理器：设计者选择CPU设计参数的数目，例如先增加指令和数据通道的位宽，然后对于手工应用产生定制的CPU进行优化。选择CPU由多个因素决定，这些因素从程序性能到软件兼容性，贯穿于整个开发环境中。
● 软/硬件协同设计。许多系统芯片需要具有复杂的体系结构：多CPU、定制存储系统和I/O设备。设计这些体系结构必须满足严格的实时性和功耗要求。故软/硬件协同设计是一项十分复杂的工作，要求精心测试并调整设计。
3 SOC发展中的焦点技术
3.1 专门技术、IP库和SOC总线架构支持
SOC设计准入的最大门槛是专门技术、IP库和 SOC总线架构支持，这些准入门槛技术需要广泛的多功能IP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要求。由此带来许多第三方IP供应商得到利好，它们的收益要么拥有独一无二且极具价值的IP，要么具有良好声誉的IP库。SOC设计者通过重用证明是管用的IP，不仅利用了最新工艺与技术优势，而且减少了开发周期与风险。
设计SOC芯片时，首先考虑的问题是系统的体系结构。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（芯片内部）总线、芯片之间总线（如SPI，I2C，UART、并行总线）、板卡间总线（ISA，PCI，VME）、设备间总线（USB，1394，RS232）。其中SOC总线为用户提供了一个堪称“理想”的环境：系统芯片模块间不会面临干扰、匹配等传统问题；但是系统芯片的时序要求却异常严格。
由于Open Core和其他致力于开放知识产权组织的大力推广（开发设计大量基于标准化芯片上总线的免费模块），用户在SOC总线的选择上更倾向于采用那些标准化、开放化方案。目前总线架构有很多种，包括IBM公司的Core Connect，ARM的AMBA，Silicore公司的Wishbone，MIPS技术公司的SOC-it和Core Fram等。基于此，SOC芯片发展重点包括：
● 总线结构及互连技术 它直接影响芯片总体性能发挥；
● 软、硬件的协同设计技术 其主要解决硬件开发与软件开发同步进行的问题；
● IP可重用技术 解决如何对SOC进行测试和验证的问题；
● 低功耗设计技术 主要研究多电压技术、功耗管理技术以及软件低功耗利用技术等；
● 可测性设计方法学 它研究eJTAG设计技术、批量生产测试问题；
● 超深亚微米实现技术 其研究时序收敛、信号完整性和天线效应等。
3.2 以嵌入式CPU为核心，集软、硬件于一体
SOC以嵌入式CPU为核心，集软、硬件于一体，并在系统集成中追求产品系统的最大包容性，能成功地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设计领域提供了机会。不仅在SOC芯片设计上需要较强的计算机体系结构的背景知识，而且SOC突出软件开发的比重，这就需要计算机专业人士的参与，且需提供良好的开发平台和嵌入式操作系统。因此，SOC将促使新一代嵌入式处理器（包括SRAM和DRAM芯片）的发展。
SOC发展将不断满足日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动通信应谩⒍嗝教逍畔⒋淼热找嬖龀さ挠τ眯枰OC需具备LCD， USB，CAN，MAC/WLAN或IrDA通信接口等，同时亦需提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件，甚至浏览器软件配置等。
SOC芯片将满足人们以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芯片或数字信号处理器（DSP）等增强处理能力，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。
4 SOC芯片设计验证及其测试
4.1 功能验证
SOC芯片的验证需要分阶段进行，即不仅在宏模块设计前须完成系统的功能验证，而且在各亚模块设计前还要完成宏模块的功能验证。在SOC芯片设计过程中，通常采用自底向上的功能验证方式，这样对各基本模块功能进行尽可能全面的验证，在较小的电路规模下无论是发现错误还是纠正错误都比较容易。若在全局验证时发现错误，则先需注意模块间的信号时序问题，不用再进行模块的错误定位，尔后再改动模块。然而，在全局电路中锁定模块内部错误相当费时。
4.2 芯片测试
SOC芯片测试比传统的专用集成电路（ASIC）测试要复杂得多，因SOC芯片功能过于复杂，全面的功能测试通常是不现实的，故往往采取分别测试所有电路功能模块的策略。在SOC芯片中存在着各种不同类型的电路模块，每个模块要求的测试方式也各不相同，SOC芯片中的模块基本分为三类：CPU/DSP、存储器模块、其他功能电路模块。存储器测试一般采用内建自测试法（BIST），比较快捷而且易于控制；CPU/DSP测试与传统的CPU/DSP测试类似，通常采用边界扫描方式结合矢量测试方式；其他电路模块按照设计难易程度，或采用边界扫描法，或采用BIST法 [6-8]。
5 SOC芯片设计的发展展望
5.1 当前SOC芯片的两种发展趋势
SOC芯片与基于IP设计方式的出现，极大地扩展了VLSI产业链的设计能力，使开发数字VLSI新品能够充分利用加工工艺进步带来的成果。SOC在产品性能、产品成本、芯片功耗特性和可靠性方面都具有相当大的技术优势，在未来会占据VLSI芯片的主导地位。当前SOC芯片设计彰显出两种发展趋势：一是结合自顶向下与自底向上的系统设计方式，二是基于设计平台方式。前一种设计方式在芯片性能、产品成本方面有较大的优势，但设计时间较长，设计成本与风险也都较高，在系统设计中还需用少量的全定制模块，在高性能、低功耗领域有较大的优势；后一种基于平台设计方式最大限度地利用了IP核的特点，芯片设计时间较短，风险也低，但可能无法达到最佳的芯片设计技术，因而这种设计方式在芯片上市时间紧迫的情况下非常合适。在未来的3-5年内，SOC芯片的这两种设计方式不但将同时并存，而且将在相应的应用领域内取得进展。
5.2 SOC——实现IC产业跨越式发展的桥梁
在过去的几年中，SOC芯片得到了快速发展。据统计和预测，SOC销售额将从2002年的136亿美元增长到2007年的347亿美元，年增长率超过 20%。然而，世界芯片复杂度的年增长率为58%，但设计能力的增长率仅为20%。由此看来，世界 IC设计能力增长率远远跟不上芯片复杂度的年增长速度，这为IC产业链设计业提供了难得的发展机遇。面对IC向IS-SOC转型，我国实现数字VLSI设计业跨越的一个历史机遇已经到来。业界专家建议，我国应优先发展SOC设计业，特别重视 SOC芯片设计提供的发展机遇和挑战。
国内很多研究单位都十分重视SOC设计技术及其研究，中科院计算所、北京大学、方舟科技公司和苏州国芯等均拥有自主知识产权的CPU芯核、总线规范和各种IP核，力争走中国独立自主发展SOC芯片的道路，这将引领我国嵌入式处理器技术的发展方向。
与此同时，国家“863”计划超常规地支持研发集成电路。在“十五”期间的12个国家自然科学基金重大专项中，IC研发及其软件开发位列第一，国家已投入了20亿元。国家“863”专项计划支持全国7个IC产业化基地建设，这些产业化基地就是SOC芯片设计业的孵化器[9-12]。
5.3 在研发SOC中注重跨学科交流与人才培养
相信在今后的3-5年内，高端嵌入式处理器将以发展系统芯片SOC为代表，因而研发SOC将成为各相关学科的交汇点。但SOC研发融入诸多最新的焦点技术，故在SOC相关学科领域中应注重吸收并培养其他学科领域人才，如光学、机电等学科，
不断改善SOC研究梯队的结构，加强跨学科SOC综合技术研讨，积极交流观念、信息和技术，以培养SOC跨学科的高级专门人才。
由于精心设计系统芯片必将导致一次以高性价比SOC为特色的信息技术革命，所以“十五”后期和“十一五”期间将是SOC设计真正快速发展的时期。毋须置疑，从分立元件到IC，从IC再到SOC，这正是微电子领域的三次重大革命。在 21世纪，数字VLSI行将进入SOC新品时代。 |
