SoC的技术支持及嵌入式系统设计

SoC（System on Chip）可以译为"系统集成芯片"，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容；SoC也可以译为"系统芯片集成"，意指它是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。  
作为ASIC（Application Specific IC）设计方法学中的新技术，SoC始于20世纪90年代中期。1994年MOTORLA发布的Flex CoreTM系统（用来制作基于68000TM和Power PCTM的定制微处理器）和1995年LSI Logic公司为SONY公司设计的SoC，可能是基于IP（Intellectual Property）核完成SoC设计的最早报导。由于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，因此发展非常迅速。在2000年的CICC（Custom IC Conference）会议上，MOTORLA SoC 设计技术研究部主任 Joe Pumo作了主题报告（key note），题目是"SoC：The Convergence Point for Solution of the 21st century[1]。CICC是ASIC设计领域最高层次的国际学术会议。它的主题报告一般代表着ASIC设计领域的技术发展趋势，也说明SoC在ASIC学术界和工业界受到重视的程度。本文拟对SoC支撑技术及SoC阶段嵌入式系统设计的作用作些讨论。  

一、深亚微米工艺推动SoC的发展  

1. IC设计能力与工艺能力  

集成电路工艺技术的发展表现在两个方面：一是沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高，使得器件特征尺寸从亚微米的0.5μm、深亚微米（DSM）的0.35μm一直下降到0.13μm甚至甚深亚微米（VDSM）的0.1μm及以下，并可以形成各种结构； 二是匀场范围的扩大，使得芯片面积由100 mm2增加到200 mm2甚至300 mm2及以上。每个管子在缩小，芯片面积在扩大，两者的乘积使得 IC 集成度的CAGR（Commutation Average Growth Rate） 每年达到58％，即1.583 = 4。这就是Moore定律指出的三年翻四番。可以说微电子的加工技术已经达到这样的程度：可以在硅片上制作出电子系统需要的所有部件，包括各种有源和无源的元器件、互连线，甚至机械部件。 因此，已经具备了由电路集成 (IC) 向系统集成（IS）发展的条件。根据工艺特点的不同，可以把以集成形式实现的电子系统分为三类：一是有线系统，二是无线系统(RF)，三是微机械系统（MEMS）。第一、二类都是以电学信号为第一物理量作为系统的输入，只是信号馈入的方式不同；第三类则是以力学、光学、化学等信号为第一物理量输入系统。MEMS接收各种不同属性信号的传感器(sensor)也将集成在系统之中。在这三类系统中，第一类是系统集成的基础，第二、三类系统在完成信号转换之后也将送入第一类系统处理。  

IC工艺的发展也给人们带来一些忧虑，这就是所谓的"极限"问题。担心Moore定律是否有效，现行的硅基工艺还能持续多久?这个问题已经讨论了10年。在这10年的IC发展中可以得出这样的结论：21世纪，起码是21世纪前半，系统集成仍然是以硅基工艺实现。尽管微电子学在化合物和其他新材料方面的研究取得了很大进展，但全世界数以万亿计的设备和技术投入，已经使硅基工艺形成非常强大的产业能力。同时，长期的科研投入已使得人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深刻、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业的能力和知识的积累决定着硅基工艺起码将在30"50年内起骨干作用，还将继续发展。即使是Moore定律不再有效，硅工艺为IC设计提供的加工能力也足够使用几十年。  

在工艺能力提高的同时，IC的设计能力也在不断提高，不过提高的速度低于工艺能力。它的CAGR每年只有21%，每三年只翻1.8番（1.213=1.77）。图1画出了设计能力与工艺能力的发展趋势。  


图1 集成电路设计与工艺能力的增长趋势  

几十年IC的发展实际上并未发生如图1中两条直线表示的设计能力与工艺能力的剪刀差，这是由于新的ICCAD工具不断出现，使得IC设计能力大约每十年出现一次阶跃式的提高，有效地缩小了与工艺能力的差距。图1示意地画出了这几次阶跃： ① 表示20世纪70年代的版图编辑系统，即第一代ICCAD，把IC中的重复结构建立版图库，利用系统的复制功能，提高了版图设计效率；② 表示80年代出现的以门阵列、标准单元布局布线为主要内容的第二代ICCAD系统，由于这套系统已经把IC的电学功能纳入设计之中，自此ICCAD系统更多地称为EDA；③ 表示90年代出现的综合（synthesis）系统，把设计水平从原理图输入提高到行为描述，这就是第三代EDA，进一步缩短了设计周期，提高了设计效率。IC设计能力的提高，特别是已经形成的三次阶跃，虽然不能完全解决滞后于工艺水平的问题，但也基本上充分利用了工艺技术所提供的集成能力。  

IC设计能力的三次阶跃都是以不同层次的建库为基础，而且建库单元的规模也越来越大，从基本单元电路，到功能模块，甚至于子系统。这样可以充分利用已有的设计积累，实现设计重用，提高设计的起点。  

在工艺技术进入DSM之后，设计能力滞后于工艺的状况再一次突出。这是因为DSM使得半导体器件和电路互连线都出现了更为复杂的本征效应和寄生效应，是IC设计需要面对的挑战。解决或者缓解这个问题更须进一步利用设计积累，提高设计起点，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中,实现系统芯片集成。这就是图1 中④表示的第四次阶跃--SoC技术。已有的子系统级、系统级的优秀设计是实现SoC设计的基础，它们都包含有大量的创造性劳动，已经具有IP的价值。  

2. IC产业的分工  

IC技术的迅速发展得益于IC产业内部的细致分工，图2示意地画出分工过程，SoC技术正是IC产业分工的体现。确切地说，60年代的IC产业应该是半导体产业，当时的厂家没有分工，所掌握的技术十分全面，最典型的代表就是Fairchild公司，不但生产晶体管、集成电路，就连扩散炉都自己制作，如图2中的第一行所示。到了70年代开始分工，半导体工艺设备和ICCAD设备成为独立产业，以其精湛的专业技术为IC厂家提供高质量的设备。此时IC厂家可以有更多的精力用于产品的设计与工艺的研究。到了80年代，工艺设备生产能力已经相当强大，而且费用也十分昂贵，IC厂家自己的设计已不足以供其饱和运行。因此开始承接对外加工，继而由部分到全部对外加工，形成了Foundry加工和Fabless设计的分工。IC产业的这一次分工，再加上ICCAD工具发展为EDA系统和大批没有半导体背景的系统设计师提供了直接介入IC设计的条件。由于系统设计师来自国民经济的各行各业，因此使得IC的作用也渗透到各行各业，开拓了IC的应用领域，扩大了对IC的需求。80年代的这次分工是IC发展过程中的一次重要分工，极大地推动了IC产业的发展。  


图2 IC产业的分工  

在这一时期，一般的Fabless都有自己的测试，这是因为测试与销售关系密切，同时也是因为当时的产品功能还不甚复杂，所需测试设备还不算太贵，因此有自己建立测试条件的可能性。随着集成规模的提高和产品功能的增加，完成测试所需的设备已经十分昂贵，到了以秒计价的程度，而且测试能力也非常强大，一个Fabless公司已不能使其饱满运行。因此到90年代，测试也成为独立产业分离出去。至此，只要有设计能力和市场支持，就能把一个IC公司办得很好。  

IC产业最近的一次分工始于90年代末，目前仍在进行。这就是IC设计产业中的系统设计和IP设计的分工，形成了以SoC技术为主的chipless设计方式。这次分工对IC产业的推动将不亚于80年代Fabless与Foundry的分工。