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SoC技术


SoC 技术及其发展
一、背景
回顾计算机发展史,计算机技术发展与 IC(集成电路)技术发展紧密相关。半个多世纪 以来,计算机发展主要经历了真空管(1 代)、晶体管(2 代)、集成电路(3 代)、微处理器(4 代)等时代。 目前 IC 设计产业中出现了系统设计和 IP 核设计的分工, 形成了以 SoC (System On a Chip) 技术为主导的 chi

pless 设计方式,对计算机技术发展将产生较为深远影响。 SoC 设计方法学已引起了工业界和学术界的极大关注,是后 PC 时代的重要发展方向。 SoC 可以充分利用已有的设计积累,显著地提高 ASIC 的设计能力,缩小设计能力与 IC 工艺 能力的差距。 其设计方法学与计算机的发展紧密相关, 会进一步拓展计算机体系结构发展方 向。 SoC 通常将微处理器、模拟 IP 核、数字 IP 核和存储器(或片外存储控制接口)集成在 单一芯片上。SoC 可以使应用产品实现小型、轻量、低功耗、多功能、高速度和低成本,因 此具备较强的市场竞争力,主要广泛用于计算机、通信、消费、工控、交通运输等领域。在 过去 6、7 年中,SoC 得到了快速发展。据估计,到 2007 年销售额将达 347 亿美元,年增长 率超过 20%。二十一世纪初将是 SoC 快速发展的时期。 当前,无论在国际上还是国内,在 SoC 设计领域已展开激烈竞争。SoC 按实现技术可分 为三类,一类是 CSoC3,当前仍以学术研究机构为主导,注重体系结构探索性工作;另一类 是 SoPC4, 以 FPGA5 厂商和科研机构为主导, 适合多品种少批量产品开发; 第三类是 ASIC SoC, 以微处理器和芯片设计公司为主导, 追求良好的性价比, 适合大批量规模生产; 其它如 PSoC6、 EPGA7 均可归入 SoPC 类。SoC 按指令集来划分,主要有 X86 系列、ARM 系列、MIPS 系列和 类指令系列,性能成本各有千秋。 在国际上,基于 x86 SoC 的产品有国家半导体公司的 SC2200, 适合做无线浏览器 ( WebPad ) 、瘦客户机和机顶盒等产品。在我国台湾地区,如 Rise Technology 公司的 SCX501,SiS 公司的 SiS550 系列,均属于 x86 系列的 SoC,适合做信息家电产品;基于 ARM 系列的 SoC 更是数不胜数,如 Sharp 的 LH7A400,Samsung 的 S3C44AOA,OKI 的 ML67Q530 等; 基于 MIPS 系列的产品主要是 AMD Alchemy Au1000、Au1500 等系列产品;基于类指令系列的 产品,如 Crusoe TM5800,采用超长指令,代码效率高。国内 SoC 研制开发者主要基于 MIPS 系列和类指令系列,如中科院计算所中科 SoC(基于龙芯 CPU 核,兼容 MIPSIII 指令集)、北 大众志(定义少许特殊指令) 、方舟 2 号(自定义指令集) 、国芯 C*Core(继承 M*Core)等, 提供了面向不同应用领域的解决方案。 方舟与国芯走低功耗发展之路, 北大走嵌入式发展之 路,计算所走高性能系统集成发展之路。 SoC 自 20 世纪 90 年代后期出现以来,随着超深亚微米工艺的不断发展,以 3C 融合为 特征的后 PC 时代给 SoC 发展创造了广阔的发展空间,也日益引起学术界和工业界的极大关 注。SoC 品种日益繁多,在关注面积、延迟、功耗的基础上,设计目标在向高成品率、高可 靠性、低 EMI 噪声、低成本、高易用性等方面转移,这将使系统级集成能力快速发展。

二、研究内容
尽管 SoC 沿 CSoC、SoPC、ASIC SoC 这三个方向发展,但最具挑战性的还是 ASIC SoC 研究领域。SoC 设计方法学主要研究总线架构技术、IP 核可复用技术、可靠性设计技术、软 硬件协同设计技术、SoC 设计验证技术、芯片综合/时序分析技术、可测性/可调试性设计技 术、低功耗设计技术、新型电路实现技术等,此外还要做操作系统/嵌入式软件移植、开发 研究,是一门跨学科的新兴研究领域。

(一)

总线架构技术

总线结构及互连技术,直接影响芯片总体性能发挥。对于单一应用领域,可选用成熟的 总线架构;对于系列化或综合性能要求很高的,可进行深入的体系结构研究,构建各具特色 的总线架构,做精做强,不受制于第三方,与系统同步发展,更具竞争力。目前 SoC 开发研 制主要有基于平台(包括自主构建总体架构) 、基于核、基于合成等方法,不断推出性能更 好、扩展性更强的总线规范,如 AXI 总线(AMBA 总线升级) 、L*BUS 总线(中科院计算所) 等。 (二) IP 核可复用技术

IP 核一般分为硬核、软核和固核三种,硬核是指经过预先布局且不能由系统设计者修 改的 IP 核,软核通常以 HDL 语言形式提交,固核由 RTL 的描述和可综合的网表组成。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 核应有良好的开发文档和参考手册,包括数据手册、用户使用 指南、仿真和重用模型等,而兼容性是重要的因素。 (三) 可靠性设计技术

由于 SoC 由多级总线组成,每一总线上含有多个设备(IP 核),如何确保整个芯片能正 常运转十分重要,必须考虑防“死锁”机制和“解锁”机制,即使某一设备(IP 核)瘫痪 了,不致影响整个芯片其他功能发挥。此外随着超深亚微米技术发展,对总线传输的可靠性 提出了严重挑战,必须研究容错机制和故障恢复机制。 (四) 软硬件协同设计技术

由于市场和设计风险的压力,SoC 软硬件协同设计尤为重要。改进软硬件协同说明、协 同分析、协同设计、协同模拟和协同验证,可大大减少硬件设计风险和缩短嵌入式软件的开 发调试时间。 同时在协同验证环境中能够及时发现软硬件中所存在的致命问题, 避免在最后 集成测试阶段重新进行软硬件的调整。 (五) 芯片综合/时序分析技术

由于 SoC 系统复杂度和规模愈来愈大, 像多时钟、 多电压以及超深亚微米等新课题不断 出现,对 SoC 的综合性研究提出了更高的要求。尤其对时序预算如何分级、分解,关键路径 的特殊约束的研究, 要求研究人员具有深厚的系统背景知识。 与此同时, 静态时序分析 (STA) 日趋复杂、后端动态仿真效率低下,对总体设计人员提出了严峻的挑战。 (六) SoC 验证技术

主要分 IP 核验证、IP 核与总线接口兼容性验证和系统级验证等三个层次,包括设计概 念验证、设计实现验证、设计性能验证、故障模拟、芯片测试等;从验证类型分,有兼容性 测试、边角测试、随机测试、真实码测试、回归(Regression)测试和断言验证等。由于芯 片愈来愈复杂,软件仿真开销大,硬件仿真验证成为一种重要的验证手段。验证工作约占整 个设计工作的 70%,如何提高验证覆盖率和验证效率是设计验证的永恒话题。 (七) 可测性/可调试性设计技术

主要研究解决批生产可测性问题和在线可调试性问题, 实施技术包括 DFT、 SCAN、 BIST、 Iddq、JTAG/eJTAG,要研究基于各种 IP 核的 SoC 测试架构和测试向量有效传递性,更重要 的是要考虑测试平行化,降低芯片测试占用时间,此外要关注在线调试工作,方便用户开发 和调试基于 SoC 的产品。 (八) 低功耗设计技术

低功耗已经成为与面积和性能同等重要的设计目标, 因此精确评估功耗也成为重要问题。

芯片功耗主要由跳变功耗、 短路功耗和泄漏功耗组成。 降低功耗要从 SoC 多层次立体角度研 究电路实现工艺、输入向量控制(IVC)技术、多电压技术、功耗管理技术以及软件(算法) 低功耗利用技术等多方面综合解决问题。 (九) 新型电路实现技术

由于晶体管数急剧增加、芯片尺寸日益变小、密度不断增大、IP 核可重用频度提高、 低电压、多时钟、高频率、高可测性、新型高难度封装等要求的出现以及新工艺/新设计技 术层出不穷,半导体工艺特征尺寸向深亚微米发展,要求 SoC 设计师不断研究新工艺、新工 具,研究关键电路架构、时序收敛性、信号完整性、天线效应等问题。 (十) 嵌入式软件移植/开发

主要研究开发 SoC 的 BIOS 和嵌入式操作系统移植/开发,要支持多任务,要使程序开发 变得更加容易,系统的稳定性、可靠性得到更好提高,要便于维护,易读易懂,要具有安全 性好、健壮性强、代码执行效率高等特点。如对 SoC 片内进行嵌入式 Linux 操作系统代码的 植入研究,可减轻系统开发者基于 BSP 开发的难度,同时提高开发效率,缩短开发周期。

三、SoC 分类
SoC 产品和技术不断发展, 但在 SoC 分类上业界还未形成主流看法, 本文将其归类为 CSoC、 SOPC 和 ASIC SoC 等三大类,然后统一到 SoC 体系结构分类模型中。 (一) CSoC 技术特点 CSoC 一般由处理器、存储器、基于 ASIC 的核和片上可重构的部件(专用化)等构成, 相对 ASIC SoC 和基于标准组件多芯片板级开发而言具有明显优势,其特征为: 1.CPU+可重构处理构件 2.效率与灵活性很好结合在一起 3.基于重构确定处理功能 4.在图像处理、模式匹配等方面优于超级计算机 5.根据任务需要可动态重构,提高性价比 目前学术界对可动态重构的高效处理件 XPP(eXtreme Processing Platform)比较关 注。XPP 是在一个以基于某种总线架构的微处理器核为核心的 SoC 中嵌入可编程逻辑模块, 构成可重构的 SoC 平台, 如图 1 所示。 适用的可重构数据处理架构往往由处理阵列单元 (PAE) 、 面向通信网包、层次化的重构管理树(CM)和 I/O 模块等构成。XPP 具有自动重构流和处理 数据流,突破了传统的冯.诺依曼指令流模式。由于高度规整化,很容易获得指令级平行性 和流水线效率。Triscend 公司就选用了 CSoC 技术路线。

图 1. 基于 XPP/Leon 的 CSoC 体系结构 (二) SoPC 技术特点 SoPC 是一种特殊的片上系统,是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁剪、可扩充、 可升级,并具备软硬件在线系统开发中可编程的功能,结合了 SoC 和 FPGA 各自的优点,一 般具备以下基本特征: 1.至少包含一个以上的嵌入式处理器 IP 核 2.具有小容量片内高速 RAM 资源 3.丰富的 IP 核资源可供灵活选择 4.足够的片上可编程逻辑资源 5.处理器调试接口和 FPGA 编程接口共用或并存 6.可能包含部分可编程模拟电路 SoPC 结构框图如图 2 所示。除了上述特点外,还涉及目前已引起普遍关注的软硬件协 同设计技术。由于 SoPC 的主要逻辑设计是在可编程逻辑器件内部进行,而 BGA 封装已被广 泛应用在微封装领域中,传统的调试设备,如:逻辑分析仪和数字示波器,已很难进行直接 测试分析,因此,必将对以仿真技术为基础的软硬件协同设计技术提出更高的要求。同时, 新的调试技术也已不断涌现出来,如 Xilinx 公司的片内逻辑分析仪 Chip Scope ILA 就是一 种价廉物美的片内实时调试工具;而在应对复杂设计方面,诸如 Xilinx 公司的 System Generator for DSP 就是一个利用可编程硬件逻辑实现数字信号处理算法的强大辅助工具。

图2. SoPC结构框图 (三) ASIC SoC 技术特点 ASIC SoC 是一种面向特定应用的片上系统,具有高性能、强实时、高可靠、低功耗、 低成本化等特点,一般具备以下基本特征: 1.至少有一个以上的 CPU 核 2.具有规范的总线架构(如 AMBA) 3.具有 RAM 资源(或片上访存控制器) 4.具有适量的 I/O 设备(包括模拟的) 5.具有可扩展的接口(如 PCI) 6.具有可在线调试口(eJTAG) 7.具有可测试性电路

图 3 L*BUS 总线架构图 ASIC SoC 一般是基于 IP 核或 SoC 开发平台的产品,需要专门技术、IP 库、SoC 总线架 构和嵌入式软件支持(包括 BIOS、OS) ,需要广泛的多功能 IP 核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需求。SoC 设计者通过重用证明了的 IP 核,不仅 利用了最新工艺技术优势,而且减少了开发周期和风险。 目前 SoC 总线架构有很多种,如 IBM 公司的 CoreConnect、ARM 的 AMBA、Silicore 公 司的 Wishbone、MIPS 技术公司的 SOC-it 和 CoreFram 等。可喜的是国内也有许多自主知识 产权的总线架构,如 L*BUS(中科院计算所,如图 3 所示),C*BUS(苏州国芯)等。每一种 总线架构都是为满足其特定应用领域的要求而发展起来的。 有些适合低端嵌入式产品, 有些 适合手持产品,有些适合高能性产品,各有自己的优势。SoC 的发展离不开功耗、性能、成 本、可测性、可靠性、IP 核可复用性、平台技术支持性和软硬件协同开发性等方面制约。 需要开发者具有强大的计算机体系结构背景知识,才能支持其得到快速发展。 (四) SoC 的分类原则 SOC 按照其所采用的体系结构可分类如下: 一种是基于指令流计算的体系结构,典型代表是传统的 ASIC SoC。这一类型中按照其指令 流和数据流的控制情况又可分为 SISD(单指令流-单数据流)、SIMD(单指令流-多数据流)、 MISD(多指令流-单数据流)和 MIMD(多指令流-多数据流)等四种体系结构,以灵活适应各种 应用中不同算法的需求。

另一种是基于数据流计算的体系结构,只控制单元的输入/输出数据。按数据流原理工 作,比指令流效率要高,但灵活性要差一点。基于数据流计算的脉动阵列是该类的典型体系 结构。脉动阵列是一系列数据路径部件 DPU(Data Path Unit)的阵列。数据按照节拍从数 据存储器流出,通过 PU 阵列完成计算,其结果再流回数据存储器。PU 阵列只有控制数据的 功能,这也是流件(FlowWare)的起源。常规的 SoPC 是其典型技术代表。 第三种是基于构令流计算的体系结构,以粗粒度的 FPGA 芯片为载体的 SoC 采用粗粒度 的 变 件 (Morphwave) 可 动 态 重 构 实 现 体 系 结 构 设 计 的 硬 件 形 式 。 它 可 以 是 一 个 rPU (reconfigurable Processing Unit)的阵列,通过所谓构件(Configuwave)来实现,构 令流来自于构令存储器 CM(reConfiguration Memory),通过构令管理器(reConfiguration Manager)控制 rPU 阵列变化,按照数据流原理工作,CSoC 是其典型技术代表。 (五) SoC 的分类模型 根据前述的 SoC 体系结构的分类原则,我们在指令流、数据流和构令流等概念基础上, 分 别 对 应 I ( Instruction Stream Architecture- 指 令 流 体 系 结 构 ) 轴 、 D ( Data StreamArchitecture-数据流体系结构)轴和 C(reConfiguration Stream Architecture构令流体系结构)轴,建立 CDI 体系结构分类模型(三维) ,如图 4 所示。 任何具有指令流计算、 数据流计算与构令流计算的混合计算机体系结构的 SoC 都可归纳 在 CDI 三维空间中。I 轴有 SISD、SIMD、MISD 和 MIMD 等 4 种基本体系结构分类,共有
0 1 2 3 4 n 表示 SoC 在 I 轴上有 n 种特征混合。 I ? C4 ? C4 ? C4 ? C4 ? C4 ? 16 (种),其中 C4

图 4 CDI 分类模型图 D 轴只有单数据流(Single Data stream architecture) 、多数据流(Multiple Data
0 1 2 stream architecture)两种基本状态,共有 D ? C2 ;C 轴只有单构令 ? C2 ? C2 ? 4 (种)

流 (Single reConfiguration stream architecture) 、 多构令流 (Multiple reConfiguration
0 1 2 stream architecture)两种基本状态,共有 C ? C2 。 ? C2 ? C2 ? 4 (种)

故有 S=I×D×C?1=16×4×4?1=255(种) ,亦即利用 CDI 分类模型可以描述 255 种 SoC 体系结构,可以采用“C@D@I”这种表示方式,如 SC@MD@SIMD 就表示 SoC 具有单构件流、多 数据流、单指令多数据的混合体系结构。

四、SoC 技术发展方向
SoC 的概念从 20 世纪 90 年后期提出后,技术得到快速发展。不论是 CSoC、SoPC 还是 ASIC SoC,与计算机学科、微电子学、材料与工艺学、电子通信等日益关联,它们的交叉学 科发展为 SoC 的技术发展提供了强有力的支持。 (一) 计算机学科提升 SoC 技术水平

冯.诺依曼体系结构(以程序和数据合一为特征)和数据流体系结构(以程序和数据分 离为特征) 是计算机的主流体系结构。 通用计算机的微小型化, 为 SoC 技术发展提供了源泉。 所谓“今天的 PCB 板就是明天的 SoC”,是很好的脚注。 计算机领域的总线架构技术、算法实现技术、模块化设计技术、BIOS 技术、软件工程 技术、软硬件调试技术、系统验证技术、性能评估技术、实时处理技术、可靠性设计技术、 人机交互技术、负载平衡技术和低功耗设计技术等等无不反映到 SoC 设计技术中,也促使 SoC 能在几年内迅猛发展起来,成为后 PC 时代的计算机主要发展方向之一。 SoC 技术发展尽管与工艺发展和 EDA 设计手段的提高有很大关系,但其核心是 CPU 核、 总线架构和各种 IP 核。在总体性能评估和实现技术上,无不与计算机专业领域相关。尤其 在高端应用领域, 如多 CPU 核集成和异构型集成等系统需求, 计算机学科会继续从不同层面 推动 SoC 的技术发展。 (二) SoC 推动计算机体系结构发展 SoC 技术发展与市场需求紧密相关。 SoC 的主要应用领域有计算机、 通信、 消费类电子、 工控、交通运输等。在 SoC 的销售额中通信类、计算机类和消费类占 80%以上,消费类所占 比重在不断增长。 进一步细分 SoC 市场,计算机类有图像处理、硬盘驱动、高档打印机、个人助理等;通 信类有有线网、无线网、手机、可视设备、通信基站等;消费类有数字电视、DVD、STB、数 码相机等;工控类有过程控制/处理、测试/仪表、医疗设备、监控系统等;交通运输类有引 擎控制、仪表装置、安全系统等。SoC 市场规模的日益扩大,在信息技术和电子产品领域的 地位越来越重要。 现在 SoC 市场上基本以中低档的 SoC 产品为主。 随着数字化产品需求日益 旺盛,对高端 SoC 的需求日益迫切,如在音视频、通信等领域,对 SoC 提出了更高要求,需 要双核、四核等多核集成。SoC 在中高档方面将取代传统意义上的 CPU,向系统性能更好、 功耗更小、成本更低、可靠性更高、开发更容易方向发展,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、 身份识别、 语音拨号上网、 收发电子邮件、 视频播放、网络游戏、可视电话、语言同声翻译等。SoC 将嵌入 32 位、64 位 RISC 芯片或数 字信号处理芯片(DSP)等增强型处理器件,同时支持嵌入式 RTOS 发展,采用实时多任务编 程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性, 继承和发展计算机处理器技术。 所有这些都 对计算机体系结构提出了更大挑战。 SoC在计算机体系结构学科引领下,将迎来新一轮技术大发展,以嵌入式系统应用为核 心,集软、硬件于一体,并在系统集成中追求产品系统最大包容性。SoC芯片设计不仅需要 较强的计算机体系结构背景知识, 而且突显了软件开发的地位, 对开发平台和嵌入式操作系 统提出了更高的要求,为计算机专业人员提供了大显身手的广阔天地。 随着国内外处理器/IP核设计技术快速发展,为计算机体系结构学科发展提供了强大的 推动力。坚持开发拥有自主产权的处理器核、核心IP核和总线架构,又保证兼容性+,将使 我国SoC发展具有强大的竞争力,从而带动国内IC产业往深度、广度方向发展。针对工业界 的需求SoC设计人员在构令流、指令流和数据流等体系结构方面的深入研究,也会为计算机 学科发展做出重大贡献。 (三) SoC开创了交叉学科发展的新天地 SoC 是需要多种学科支持的新兴技术领域。它的发展已离不开计算机学科、微电子学、 材料与工艺学、电子通信等领域的技术支持,新技术新产品会不断涌现,需求不断牵引对 SoC 做更深入的研究。 目前的 SoC 技术发展主要在同种工艺层面上实现,以电子技术为主。但在实际应用中, 对微小型化和系统集成技术不断提出新的更高需求,发展集微型机构、微型传感器、微型执 行器、 信号处理和控制及通讯接口电路、 能源等于一体的能完成特定功能的微系统已经提到

议事日程,把微电子和微机械结合的 MEMS 将成为 SoC 发展的新基础。MEMS 也是多学科交叉 的前沿研究领域,涉及电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以 及生物医学等学科与技术。 系统集成最大的优势在于继承和发展各种工艺技术带来的好处。 各种工艺发展极不平衡, 在系统集成过程中当需要多种工艺并存时,可借助 SiP(System in Package)设计技术, 把不同工艺的各种集成电路如 CMOS 电路、GaAs 电路、SiGe 电路或者光电子器件、MEMS 器 件以及各类无源元件如电容、电感等集成到一个封装体内,在单一封装里实现更复杂系统, 在封装效率、性能和可靠性方面可提高 10 倍左右,尺寸和成本都可以大幅度下降。 SoC 的技术发展趋势将是 SoC、MEMS 和 SiP 这三者技术融合,计算机体系结构不断得到 丰富发展。SoC 的 CDI 分类模型能刻画系统技术发展,满足更复杂系统的单一芯片化需求, 同时推动多学科交叉发展。

五、结束语
面对集成电路向 SoC 的转型,我国实现集成电路设计业跨越式发展的一个历史机遇正 在来临。我国应优先发展芯片设计业。应该加强吸收与培养各相关领域,如光、机、电等学 科的人才,不断改善 SoC 研究队伍组织结构,加强跨学科的 SoC 综合技术研讨,积极沟通观 念、信息与技术,通过跨学科的相互交融,从战略高度培养 SoC 复合型人才。有国内大市场 作为依托,只要整合好资源优势,我国芯片产业的发展水平不仅可向世界看齐,而且有可能 引领高端芯片设计的发展方向。 SoC 必将与 MEMS、SiP 相融合,在很多应用领域将“吃掉”(取代)微机,也必将导致 又一次以系统集成芯片为特色的信息技术革命,21 世纪初期将是 SoC 技术真正快速发展的 时期。


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