SoC （系统级芯片）

简介

SoC主要是处理机制、模型算法、软件、芯片结构、各层次电路直至器件的设计集成在一起的单一芯片，通常为定制。在构成上主要分为硬件与软件两个部分。其采用超深亚微米工艺技术和第三方IP核实现的超大规模集成电路，并通过操作系统和应用程序进行控制。SoC避免了芯片间信号传输的延迟与电路板的信号串扰，在功耗、尺寸与成本上也有很大进步，总的来说，与传统电路系统相比，SoC拥有高性能、小体积、低功耗与更短研究周期等优势。

SoC的出现，不仅极大降低了制造成本，使得先进电子产品的价格能为普通消费者所接受，而且广泛运用在通信、医疗、交通、工业控制、自动化、网络以及消费电子等诸多领域，成为21世纪集成电路技术的主流，也是具有国家战略意义的实用技术。

定义

SoC（System on Chip），即系统级芯片，是指一种集成度极高的集成电路，将多个功能模块集成于一个芯片中。与传统集成电路设计不同，SoC技术不再是对工艺制程无止境的追求，而是基于对系统的深入了解，其应用的基础与核心是IP，结构基础为嵌入式。IP核，即知识产权模块，是指用于ASIC或FPG中的预先设计好的电路功能模块。以往技术人员进行应用电子设计相关工作的主要内容均为集成电路，而SoC向技术人员呈现的是IP库，每个设计环节所依托基础均为IP模块，使得技术人员所扮演角色，从早期的系统设计师转变成为器件设计师。SoC多为定制，不同复杂程度的SoC应用于不同的领域，满足特定的功能。

发展历程

诞生

第一个真正的SoC产品诞生于1974年的Microma手表中。此外，1989年出版的TheArtofElectronics中，部分示意图与SoC非常相似，具备步进电机控制、模拟数字转换器、串行I/O、集成ROM、定时器和事件控制器。

早期芯片设计难度较低，半导体公司多为集设计、制造、封测为一体的IDM厂商。随着行业发展，晶片设计和制造的成本与难度大幅上升。

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年代的计算机辅助设计，利用系统的复制功能，提高了版图设计效率。

• 20世纪80年代出现了计算机辅助工程，以门阵列、标准单元布局布线为主要内容。通过台积电的引导，半导体产业朝着“Fabless（设计）+Foundry（制造）+OSAT（封测）”分工方向发展。

1990年，IP龙头Arm诞生后开创了IP核授权模式。由Arm进行芯片的架构设计，并将IP核授权给Fabless厂商。由于超大规模集成电路的逐步发展，集成电路（IC）慢慢朝着集成系统（IS）转变，而集成电路的设计厂商也趋向于将复杂功能集成到单硅片上，SoC的概念因此形成。1994年Motorola发布的FlexCore系统以及1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SoC，可能是最早的基于IP核完成SoC设计的报道。。

1999年全球SoC市场已达到了3.45亿年销售量。

• 20世纪90年代出现了电子设计自动化，把设计水平从原理图输入提高到行为描述，进一步缩短了设计周期，提高了设计效率，而手机日益小型化的需求推动了SoC的产生。而IP的兴起则为SoC的集成提供的可能。

起步

2000年6月，加拿大政府与行业资助创立的非营利机构——加拿大微电子公司在加拿大大学建立了SoC研究基地，并通过其原有的40多所大学的支持建立起SoC研究网络。

2000年12月，中国启动“十五”国家“863”计划超大规模集成电路SoC专项工作，并颁发了2000年~2001年度该专项预启动计划项目的申请指南，包含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、SoC设计关键技术和制造关键技术研究、超大规模集成电路设计产业化环境建设等内容，推动了中国SoC的发展。

发展

2003年，Sohu报道哈工大微电子中心已经成功研制出国内首个SoC芯片。SoC开始被频繁用于工业界，在加快工业界转型的基础上，为信息技术提供了良好的“入驻”条件。2021年，仅中国智能手机SoC市场就售出3.14亿颗SoC。SoC技术也是近几年来中国在进行集成电路设计，包括机器其他的功能设计过程当中所应用的主要技术之一

组成部分

系统级芯片通常包括处理器、内存、输入输出接口以及一些辅助电路组件。

功能原理

软硬件的协同设计技术

传统的集成电路设计基本属于硬件设计的范畴，而SoC则因基于平台的设计方法而涉及到算法、软件与硬件三方面的问题。软硬件协同设计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，可测性设计等等。

一般的软硬件协同设计方法，是在确定系统结构并完成软硬件的划分之后，用行为模型、RTI（逻辑综合）级硬件语言描述和数据通道合成的方法来完成硬件设计，使用手工汇编和编译器来实现软件，系统重要参数则通过对该软硬件划分的协同模拟获得。

软硬件协同设计，极大减少了硬件设计风险，缩短了嵌入式软件的开发调试时间，在协同验证环境中就可以发现软硬件中所存在的关键问题，从而避免在最后集成测试阶段重新进行软硬件的调整。

IP核生成及复用技术

IP核分为三种：软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；硬核，基于工艺的物理设计，与工艺相关。其中以硬核使用价值最高。

IP复用，即向IP厂商购买已有的IP核，并进行布局、连接、检查和验证。IP复用是快速设计出工艺先进、功能强大的产品的关键，其使用几乎覆盖集成电路设计的诸如测试、验证、模拟、低功耗等所有经典课题。IP核可复用的研究重点是开发适应多种总线接口的规范和可测试性一体化，以尽量少的外包和测试向量，达到复用目的。。

IP核的生成，既可以选用国际上公开通用的总线结构，也可以选用自主开发的片上总线，选择IP核模块需评估IP核的品质、集成的方便程度、可重用性以及IP核提供者所能提供的技术支持程度等。

超深亚微米IC设计技术

在超深亚微米IC设计技术的研究中，IC设计人员要克服特征尺寸缩小带来的信号延迟变小、工作频率提高带来的信号完整性、传统的连线延迟问题等诸多问题，不断推出超深亚微米SoC设计工具的新技术、新工艺。

SoC设计采用“自顶而下”和分层的设计方法，从系统设计入手，在顶层进行系统的功能划分和结构设计。设计人员需要同时兼顾考虑高层次的功能问题、结构问题和低层次上的布局布线问题。如果发现问题，可进行局部修改，由于物理综合过程和前端逻辑综合紧密相连，逻辑综合是在布局布线的基础上进行，因此设计反复较少。

设计流程

设计思想

SoC所遵循的设计思想核心是集成全系统固件，让用户可以根据自身需求，对嵌入结构以及模块进行增删或调整，就能够实现系统硬件设计。既能够优化固件特性，又省去了开发定制电路所需技术的时间，降低设计难度。

设计方法

SoC芯片的设计分为硬件和软件两部分。

SoC的设计，就是把Top-Down和Bottom-up设计方法结合起来，同时考虑物理设计和性能，通过软硬件协同开发，相互交织迭代的方法。由于SoC的设计流程始终处于变化与迭代中，目前介绍一种软硬件协同的SoC设计方法：

1. 需求分析和产品定义：确定系统的功能需求和性能需求，对设计的约束条件进行提取，随后得到系统的功能组成。

2. SoC软硬件协同综合：根据需求分析阶段确定的系统功能组成，综合评价、权衡各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，求出最优的系统的软件和硬件划分，进而得到SoC设计的目标结构。

3. SoC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、软件构件和用户自定义逻辑模块的组成情况建立评价模型，验证设计结构的逻辑功能和性能指标是否满足用户需求，满足则进入系统开发阶段，否则重新返回SoC软硬件协同综合阶段。

4. 系统开发实现：从IP核和软件构件库中提取所用到的核，实现IP核、软件构件和用户自定义逻辑模块的连接和集成，得到待测试的片上系统SoC。

5. SoC测试：测试开发得到的SoC并采用有效地测试调度策略，进一步缩减测试所需的时间开销。

优点和缺点

优点

SoC出现以来，虽然其设计日益复杂，设计验证越来越繁琐，仅这一环节消耗了总设计时间的70%。但除了设计验证要求高之外，总体而言，SoC的优点更为显著。

• 功能增多：SoC在一个平台上，以众多软件为支撑，组成了一个功能复杂、速度快、消耗低的高度集成硬件平台，多样的功能是其最大的优点。

• 体积缩小：SoC不断朝着智能化、自动化与微型化的方向发展。

• 节约时间：SoC的系统更新速度更快，节约了大量时间。同时，其软硬件双管齐下的模式，提升了工作效率，缩短了电子产品的上市时间。

• 降低成本：与传统集成电路的制作流程相比，系统芯片在制作过程中采用复用的设计理念，在设计中采用静态时序验证的方法，节约了设计与生产成本。

• 灵活性强：SoC的设计中，可以在丰富的IP核资源中进行选择，整机系统更新换代的速度更快，也缩短了供需双方的差距，针对不同的设计应用有更强的适应性。

缺点

• 系统规模大：SoC一般由几百万到上亿的元器件组成，电路结构中包含CPU、RFmodule、DSP、DAC等模块。其更为复杂的电路，给验证和仿真都带求了较大难度。

• 工艺要求高：由于集成电路的发展，芯片面积的减小及超深亚微米技术的使用，让电路之间的距离越来越近，增加了信号的耦合作用。同时由于时序的复杂性，增加了电路仿真与测试的困难。

• 芯片功能复杂：芯片系统集成的模块多，需要实现的功能非常复杂，且需要区分硬件与软件，在设计时需要考虑更多问题。

相关品牌

据CahnerIn-stat机构的报告，1999年全球SoC市场达到了3.45亿年销售量。2017年，全球车用级SoC市场的市值达到了120亿美元。据统计机构CINNOResearch数据显示，2021年中国智能手机SoC市场终端销量为3.14亿颗，销量前五分别为联发科、高通、苹果、海思和紫光展锐。

应用领域

处理器芯片应用广泛，SoC的应用主要集中在消费电子和智能物联两大领域。包括消费电子如手机、平板、扫地机器人、无人机等以及各种类型的行业应用如安防、商显、工业等。SoC需求的增长有两个维度，一是出货量增长，二是性能持续升级。

智能手机在全球拥有近14亿部的出货量，是当下SoC最大的一块市场，也是技术更新迭代最快的赛道。而随着消费层次的提升，汽车逐渐变成生活中的“第三空间”，成为SoC的新发展点，一般应用于高级驾驶辅助系统、自动驾驶两大领域。截至2022年，高通抢先入局，是行业的主力供应商，瑞芯微、晶晨、全志等国内厂商正在积极切入市场。机顶盒与智能电视加起来在全球拥有接近6亿颗SoC处理器芯片的需求量。此外，智能手表、VR、AR、ALOT等生态的发展对SoC的需求逐渐上升。

高端SoC集中于手机、平板电脑、服务器市场等，大多以一个超大核心加多个中核心、小核心架构设计，次高端SoC多应用于安防、智能音频、物联网等领域，对算力的要求相比智能手机等略低，而专用型SoC则应用于TWS耳机、智能手表等领域，是针对特定场景进行开发，更接近MCU领域的应用。

发展前景

应用发展前景

1997年诞生至今，SoC始终是人们关注的焦点，对其的研究从未停止。SoC技术的发展，极大的提升了嵌入式系统的功能、性能和复杂度，使得系统设计变得更简单、更具有成本效益。成为了提高互联网络、信息家电、高速计算、多媒体技术和军用电子系统性能的核心器件，逐步广泛地应用在消费、存储、无线、医疗、网络、安全和汽车电子等领域，成为当今超大规模集成电路的发展趋势，也是21世纪集成电路技术的主流，为集成电路产业提供了广阔市场和发展机遇。SoC技术应用研究和发展不仅对经济建设、社会发展、国家安全和经济社会信息化有着重要意义，而且为微电子应用产品研究开发、生产提供了新型的优秀的技术方法和工具。

对于企业而言，SoC技术是缩短微电子应用产品开发中的研发时间的主要方法，让高科技公司更快地研发更加复杂的产品以面对更具竞争化的市场环境，几乎得到所有高技术公司的重视，并成为许多高技术公司的主体技术。其研究、开发、应用对于企业发展具有重要的意义。

SoC芯片的技术发展趋势