當(dāng)前，在微電子及其應(yīng)用領(lǐng)域正在發(fā)生一場前所未有的變革，這場變革是由片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)研究應(yīng)用和發(fā)展引起的。從技術(shù)層面看，SoC技術(shù)是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的必然趨勢和主流，它以超深亞微米VDSM（Very Deep Submicron）工藝和知識產(chǎn)權(quán)IP核復(fù)用技術(shù)為支撐。

SoC的由來及其發(fā)展

SoC 是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的概念。隨著時間的不斷推移和SoC技術(shù)的不斷完善，SoC的定義也在不斷的發(fā)展和完善。Dataquest定義SoC為“an integrated circuit that contains a compute engine, memory and logic on a single chip”，即SoC為包含處理器、存儲器和片上邏輯的集成電路。這大致反映了1995年左右SoC設(shè)計的基本情況。隨著RF電路模塊和數(shù)模混合信號模塊集成在單一芯片中，SoC的定義在不斷的完善，現(xiàn)在的SoC中包含一個或多個處理器、存儲器、模擬電路模塊、數(shù)模混合信號模塊以及片上可編程邏輯。因此， SoC定義的發(fā)展和完善過程，也大致反映SoC技術(shù)在近15年的發(fā)展趨勢。

國內(nèi)外SoC技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

從應(yīng)用開發(fā)的角度來看，SoC 的主要含義是在單芯片上集成微電子應(yīng)用產(chǎn)品所需的所有功能系統(tǒng)。SoC技術(shù)研究內(nèi)容包括：開發(fā)工具、IP及其復(fù)用技術(shù)、可編程系統(tǒng)芯片、信息產(chǎn)品核心芯片開發(fā)和應(yīng)用、SoC設(shè)計技術(shù)與方法、SoC制造技術(shù)和工藝等。從使用角度來看，SoC有三種類型：專用集成電路ASIC(Application Specific IC)，可編程SoC(System on Programmable Chip)和OEM(Original equipment Manufacturer)型SoC。

國際上SoC 應(yīng)用設(shè)計逐漸從ASIC方向向可編程SoC方向發(fā)展。ASIC設(shè)計的典型實例主要包括：1994年Motolola的FlexCore系統(tǒng)是基于定制的 68000和PowerPC微處理器；1995年LSI Logic為Sony公司開發(fā)的SoC,它包括一個1MIPS的微處理器，存儲器和Sony Logic，這已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于Sony Playstation視頻游戲中；1996年IBM公司制造了它的第一款SoC ASIC，該系統(tǒng)包括PowerPC 401微處理器、SRAM存儲器、高速的模擬存儲器接口和私有的客戶邏輯。

隨著SoC應(yīng)用的不斷普及，市場需要更加廣泛的SoC設(shè)計。SoC提供商不僅必須拓展系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計能力，而且要直接開發(fā)和交付SoC設(shè)計套件和方法給客戶。因此，SoC設(shè)計逐漸向可編程SoC方向發(fā)展。

中國在高新技術(shù)研究發(fā)展863 計劃中，把SoC作為微電子重大專項列入了2000～2001年度信息技術(shù)領(lǐng)域的重大專項預(yù)啟動項目，并在IP核的開發(fā)、軟硬件協(xié)同設(shè)計、IP復(fù)用、 VDSM設(shè)計、新工藝新器件等方面布置了預(yù)研性課題，其中IP核的設(shè)計和制造是SoC技術(shù)中最為關(guān)鍵的部分。在中國最適應(yīng)SoC技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的SoC類型是可編程SoC技術(shù)。

可編程SoC 是在一塊現(xiàn)場可編程芯片上提供產(chǎn)品所需的系統(tǒng)級集成。多家IC提供商已經(jīng)在可編程SoC的實現(xiàn)方面邁出了可喜的步伐。這些新的器件所提供的系統(tǒng)功能包括處理器、存儲器和可編程邏輯，從而解決了與ASIC相關(guān)的NRE（非經(jīng)常性工程）費用高或制造周期太長的問題。可編程SoC提供了ASIC的高集成度（低功率、小尺寸、低成本）及FPGA的低風(fēng)險、靈活性和上市快的特性。這也是SoC技術(shù)在微電子行業(yè)受歡迎的最根本的原因。

目前，已有幾家IC 提供商提供這種類型的可編程SoC。其中比較著名的三個公司是：Atmel、Xilinx和Altera。Atmel公司1999年開發(fā)出首個基于 RISC的現(xiàn)場可編程SoC集成電路FPSLIC（Field Programmable System Level IC）——AT40KFPGA。Xilinx公司的SoC芯片型號為Spartan、SpartanII、Virtex、VirtexII、XC4000 和XC9500，Altera公司的SoC芯片型號為APEXEP20KE、Stratix、StratixII和Cyclone系列。

SoC設(shè)計技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

SoC 設(shè)計雖然在過去的十幾年中已經(jīng)取得了顯著的發(fā)展，但是它所面臨的挑戰(zhàn)也是不容忽視的。作為基于IP核的設(shè)計，SoC設(shè)計主要向兩個方向發(fā)展，一是以可重用 IP核為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級設(shè)計，這主要關(guān)心的是IP核間的互連性，同時也是SoC設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)之一。二是以設(shè)計可重用IP核為目的的IP核設(shè)計，這主要關(guān)心的是IP核的可重用性，同時也是SoC設(shè)計面臨的又一個挑戰(zhàn)。對于第一個挑戰(zhàn)，現(xiàn)在通常采用片上總線結(jié)構(gòu)來解決IP核之間的互連性，即核與核之間并非直接相連而是通過片上總線進行互連。典型的互連結(jié)構(gòu)見圖1。使用片上總線結(jié)構(gòu)雖然可以解決IP核間的互連問題，但這同時又出現(xiàn)了另外一個問題。由于不同廠商使用不同的總線結(jié)構(gòu)，例如ARM的AMBA總線，MIPS的EC總線，IBM的CoreConnect總線，因此不同廠商IP核之間的互連幾乎是不可能的。建立一種通用的片上總線結(jié)構(gòu)是VSIA（Virtual Socket Interface Association）一直努力的目標(biāo)。

最近，提出一種基于片上網(wǎng)絡(luò)的互連結(jié)構(gòu)，即IP核之間通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。典型的互連結(jié)構(gòu)見圖2。

這種結(jié)構(gòu)雖然可解決通用總線的問題，但建立一個高效的路由算法是非常必要的。

對于第二個挑戰(zhàn)，要設(shè)計一個可重用的IP核應(yīng)該具有以下的特征：

● 可讀性。這是針對軟核和固核來說的，即使用者對IP核的功能和算法有比較詳細(xì)的了解后，才能正確使用和充分發(fā)揮IP核的優(yōu)點。這就要求IP核的提供商采用一種恰當(dāng)?shù)姆椒�描述設(shè)計，使用戶可以方便正確的使用IP核。同時還要采取措施，保護其知識產(chǎn)權(quán)不受侵犯。

● 設(shè)計的延展性和工藝適應(yīng)性。IP核是經(jīng)過精心設(shè)計、驗證并且優(yōu)化的，一經(jīng)定型就要求其具有一定的應(yīng)用范圍，即針對不同的設(shè)計應(yīng)用具有一定的適應(yīng)性。

● 可測性。IP核必須是經(jīng)過測試驗證的，當(dāng)用于具體的設(shè)計中時，并非一點改變都沒有。因此，IP核的功能和性能還應(yīng)該被使用方測試，不僅能對其進行單獨的測試并且能在系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境中進行測試。

● 端口定義標(biāo)準(zhǔn)化。即IP核的端口要有一個統(tǒng)一的定義。

● 版權(quán)保護。

● 交付的數(shù)據(jù)資料完整，方便芯片的集成過程。

除了以上的挑戰(zhàn)之外，伴隨著VLSI技術(shù)時鐘頻率超過2.2GHz以及晶體管的特征尺寸縮小到小于0.13μm，對傳統(tǒng)的VLSI設(shè)計者來說，SoC設(shè)計還將面臨著下面的一些挑戰(zhàn)：

● 由于連接延時的不確定性，在時鐘頻率為10GHz 集成了上億晶體管的VLSI(Very Large Scale Integration)芯片上，時鐘同步是一個關(guān)鍵問題，必須通過解決時鐘抖動和減少擺率的技術(shù)來減少時序的混亂，一個全局異步局部同步的時鐘策略是絕對必須的。為解決時鐘擺率帶來的問題，推薦采用網(wǎng)狀樹組合結(jié)構(gòu)，而且，分布式PLL也變得很有可能。

● 由于高集成度和頻率，在將來的生產(chǎn)過程中信號完整性問題將變得更加嚴(yán)重。

● 在將來的生產(chǎn)過程中，過程變量成為影響時序確定性的潛在因素，因為要控制已經(jīng)減小的特征尺寸是非常困難的。

● 功耗問題仍然是限制SoC設(shè)計的因素。