SoC基本概念
SoC的定義多種多樣,由于其內涵豐富、應用范圍廣,很難給出準確定義。一般說來, SoC稱為系統級芯片,也有稱片上系統,意指它是一個產品,是一個有專用目標的集成電路,其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術,用以實現從確定系統功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設計的整個過程。從狹義角度講,它是信息系統核心的芯片集成,是將系統關鍵部件集成在一塊芯片上;從廣義角度講, SoC是一個微小型系統,如果說中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶定制的,或是面向特定用途的標準產品。

SoC定義的基本內容主要表現在兩方面:其一是它的構成,其二是它形成過程。系統級芯片的構成可以是系統級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內核模塊、數字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、和外部進行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊,對于一個無線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現)以及微電子機械模塊,更重要的是一個SoC 芯片內嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。系統級芯片形成或產生過程包含以下三個方面:

1) 基于單片集成系統的軟硬件協同設計和驗證;

2) 再利用邏輯面積技術使用和產能占有比例有效提高即開發和研究IP核生成及復用技術,特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等;

3) 超深亞微米(UDSM) 、納米集成電路的設計理論和技術。

SoC設計的關鍵技術
具體地說, SoC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術等,此外還要做嵌入式軟件移植、開發研究,是一門跨學科的新興研究領域。圖1是SoC設計流程的一個簡單示意圖。

SoC的發展趨勢及存在問題
當前芯片設計業正面臨著一系列的挑戰,系統芯片SoC已經成為IC設計業界的焦點, SoC性能越來越強,規模越來越大。SoC芯片的規模一般遠大于普通的ASIC,同時由于深亞微米工藝帶來的設計困難等,使得SoC設計的復雜度大大提高。在SoC設計中,仿真與驗證是SoC設計流程中最復雜、最耗時的環節,約占整個芯片開發周期的50%～80% ,采用先進的設計與仿真驗證方法成為SoC設計成功的關鍵。SoC技術的發展趨勢是基于SoC開發平臺,基于平臺的設計是一種可以達到最大程度系統重用的面向集成的設計方法,分享IP核開發與系統集成成果,不斷重整價值鏈,在關注面積、延遲、功耗的基礎上,向成品率、可靠性、EMI 噪聲、成本、易用性等轉移,使系統級集成能力快速發展。

當前無論在國外還是國內,在SoC設計領域已展開激烈的競爭。SoC按指令集來劃分,主要分x86系列(如SiS550) 、ARM 系列(如OMAP) 、M IPS系列(如Au1500 ) 和類指令系列(如M 3Core)等幾類,每一類都各有千秋。國內研制開發者主要基于后兩者,如中科院計算所中科SoC (基于龍芯核,兼容M IPSⅢ指令集) 、北大眾志(定義少許特殊指令) 、方舟2號(自定義指令集) 、國芯C3 Core (繼承M3 Core)等。開發擁有自主知識產權的處理器核、核心IP和總線架構,同時又保證兼容性(集成第三方IP) ,將使我國SoC發展具有更強的競爭力,從而帶動國內IC產業往深度、廣度方向發展。