漫漫创新路 创我精导“芯”——记二十五所某应用SOC芯片设计实录

□ 刘志哲

航天科工集团二院二十五所从事遥感测试领域多种设备的研制，多年来积累了丰富经验。随着系统要求以及复杂度的提高，作为设备“大脑”的信号处理器承担越来越多的工作。为了应对日益复杂的算法需求，往往需要多片高性能DSP和FPGA才能满足系统要求，但是组合体积、功耗与处理器性能之间的矛盾逐渐增大。二十五所人面对严峻的挑战和研制课题中的重重困难，秉承“专业、创新、团结、协作”的工作作风，紧追技术发展新潮流，完成了SOC芯片设计从无到有的突破，实现了核心芯片国产化的跨越式发展。本文让我们一起回顾这奇妙的探索之旅。

SOC即片上系统（System On Chip），是将系统中的主要功能集中到一颗芯片上，是集成电路设计和制造工艺发展的结果，本质上是复杂集成电路的设计。SOC芯片的主要特点是片上包含一个或多个处理节点（微处理器CPU/数字信号处理器DSP等），周围配合特定应用的固定逻辑、存储器、总线、外设等，形成一整套系统组件。近10年来，民用市场上的3C类（计算机、通信、消费电子）产品在功能、体积、性能以及产品研发周期上的高速发展，很大程度上得益于SOC设计技术的普及以及SOC芯片的应用。

不仅仅在民用集成电路领域，在先进电子平台上，SOC技术也得到了广泛应用。随着先进理论的发展，对装备要求也产生了巨大变化，数字化、集成化、小型化以及智能化成为先进装备的重要特点。为了应对上述变化，传统的分离元器件的电子系统逐渐被基于SOC芯片的新型电子系统所替代，已经在国外多个应用领域，例如通讯系统、导航与定位系统中得到应用。

我国近年来通过加大研发力度，在新型装备系统上的设计技术上已经取得相应突破，而这一发展也对SOC芯片集成化提出了要求，需要基于SOC芯片的新型系统提供性能和体积、功耗上的优势。

芯片的功能模块

F-16战斗机上的机载相参多功能数字化火控雷达

航天科工集团二院二十五所作为国内先进的遥感遥测研究所，迫切需要SOC芯片技术带来产品性能的提升，依托集团的创新研究课题，由二十五所信号处理室进行了基于某系统的SOC芯片的应用研究，完成了SOC芯片的全流程设计。回顾课题研制过程，二十五所人充分发挥团结拼搏、提升超越、互助关怀的攻关精神，经历了从SOC芯片设计的一穷二白到拥有初具规模的SOC芯片设计团队、具有全流程设计的能力和掌握高级EDA软件使用方法的过程。该课题的成功探索，填补了二十五所在信号处理SOC芯片设计领域的空白，提高了二十五所产品核心竞争力关键技术的积累，也为解决系统设备核心芯片国产化准备了一把利刃。

将电路板浓缩到一块芯片内

准备篇观千剑而后识器 操千曲而后晓声

二十五所信号处理室负责所内设备的信号处理器设计。信号处理器作为整个系统的“大脑”，随着算法复杂度的提高，承担着越来越多的工作，基于通用芯片的设计平台面临体积、功耗等多个方面越来越多的限制。SOC芯片设计方法逐渐进入大家的关注视野，芯片设计对信号处理室来说是个陌生和全新的领域，其复杂度、设计难度和各项投入都非常巨大，当然回报也是丰厚的。经过调研，国外在上个世纪八十年代就已经开始SoC技术的研究工作，将子系统的SoC设计作为重点发展目标，有多种体系结构及验证系统公布。美国的Aerofl xe公司为NASA开发的卫星遥测与控制系统利用SoC技术，将原来的多块电路板组成的系统集成为单独一块芯片，重量也由原来的3200g降到34g。

美国空军的F-16战机上也采用新一代可编程雷达信号处理SOC芯片，在提高信号处理系统的前提下，极大的缩小了系统的体积和功耗。

为了掌握更先进的技术、为了信号处理更广阔的生存空间，室里组织专业力量进行多方调研与论证：多片FPGA和DSP的功能可以集成到一片芯片中，降低了系统的运算节点数目，减少了系统内数据调度的复杂度，多块信号处理板可以由一块处理板替代，系统功耗可以呈倍数甚至几十倍的降低；另外，SOC芯片完全是国内自主设计，产品的安全性、供货可靠性得到保障等等。论证方案得到各方认可，信号处理室立即组织骨干力量，成立SOC芯片设计课题组，面对空白的知识领域，信号处理人并没有退缩，抱着勇于创新、敢于拼搏的精神，开始了学习和探索之旅。

北京理工大学的微电子实验室、中电集团五十八所、深圳国威电子公司等等都留下了信号处理室人的足迹，通过每次的交流和讨论，课题组成员像沙漠中的胡杨树，汲取着一次次如甘露般来之不易的专业知识。通过多次学习和探索，课题组在了解了多个成功设计案例后，逐渐对SOC芯片设计流程有了初步的了解，走出了芯片设计探索的第一步。

SOC组的设计师正在进行讨论

裸片的内部构造

攻关篇路漫漫其修远兮，吾将上下而求索

经过多方学习，二十五所人逐步揭开了SOC芯片设计的面纱。SOC芯片设计从算法到最终的流片需要经过多步设计步骤，每一步都对应一种EDA工具。从最开始的算法仿真，确定整颗芯片的系统架构，将算法进行细化，明确各个子模块的功能，确定整颗芯片的主要IP核、系统参数、芯片管脚等整体指标。之后，利用硬件描述语言（VHDL、Verilog等）进行代码设计，将各个模块的算法进行具体的实现。在这个过程中，为了保证代码的功能正确性、可综合性性等需要仿真、代码规则的检查、调试以及跨时钟域分析。完成代码设计后，需要进行综合，将设计语言描述的代码转化成实际的门级电路。数字电路中除了功能正确外，时序正确性致关重要，后续需要进行静态时序分析等保证时序正确性的功能检查，至此，仅仅完成了SOC设计的一半——前端设计，之后转为相对独立的SOC设计的后一半——后端设计。SOC设计的后端设计过程类似与PCB的布局布线功能，需要将门级网表中选中的与门、或门、触发器等基本逻辑单元在一定的面积上进行布局和布线操作，之后需要进行版图的DRC和LVS检查，保证版图的工艺正确性。至此，SOC的设计过程基本完成。SOC芯片的流片生产一般都是由代工厂完成，流片完成的芯片还比较“脆弱”，称之为裸片，面积比较小，一般为平方毫米量级，需要通过封装，给裸片增加一件外衣，引出所需的管脚，这样才完成了SOC芯片的生产过程，变成我们常见的芯片模样。拿到芯片后，还需要将SOC芯片放在具体的应用环境中进行实际的测试与性能检查，满足系统的最终要求后，SOC芯片的设计生产过程才基本闭环完成。

SOC芯片的设计生成过程是非常复杂的，单单由二十五所独立完成是不可能的。一方面，二十五所是系统单位，对系统非常了解，有硬件描述语言设计的经验积累，但是对集成电路的底层知识相对欠缺，后端设计相对独立且专业性强，为了发挥专业互补优势，由二十五所完成SOC芯片的前端设计，由微电子专业所完成后端设计；另一方面，芯片生产线的建设、维护费用极其昂贵，芯片生产都是由代工厂完成的。

北斗导航系统上的多系统多频高性能SOC芯片

苹果产品中的A5处理器，它是一个典型的SOC芯片

汽车导航仪中的SOC芯片

在智能手机、 平板电脑等移动数字产品中使用的SOC芯片

SOC前端设计需要多种EDA软件工具，这些EDA软件全部是在Linux操作系统下使用，他们的学习和使用就成了除设计之外的又一大难题，课题组又面临着很大的压力。课题组成员针对一份份课件的攻读，碰到不会的，直接去User Guide（用户手册）中查找，实验错误，再实验再错误，在不断的实践过程中，逐渐摸到了各个软件的脾气，就像是驯服了草原上的一匹匹烈马，大家在探索的道路上不断前进。

虽然芯片设计使用的硬件描述语言与FPGA设计是相同的，但是其对代码质量、代码可靠性有更高的要求，甚至达到苛刻的地步。一次代码设计到版图实现到流片，不成功便成了一块“石头”（芯片的硅成分与石头类似）。为了满足SOC芯片设计这种只允许“一次成功”的设计要求，课题组经过反复讨论决定分两方面走，一方面是将代码在FPGA芯片实现后在系统级反复测试验证，另一方面是基于验证方法学搭建完善的测试平台，进行软件级的大批量的仿真测试。方案确定后，课题组成员在时间紧，任务重的客观事实面前，没有打退堂鼓，为了该课题的顺利进行，每位成员都尽职尽力，挤时间甚至牺牲自己的休息时间来保证进度。

左边是一块普通迷你主板，右边是新型平板电脑中使用的SOC，两者提供相近的功能

微软XBOX360主机上的SOC芯片

液晶电视中使用的SOC芯片

英特尔公司的CE4100 SOC媒体处理器

总结篇宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来

白驹过隙，弹指而过，SOC芯片课题组迎来了收获的季节。芯片设计从最初的一个个方案论证的铅字变成充分验证的芯片版图，多篇科技论文得到发表，相关专利已提交申请，二十五所的SOC芯片设计技术实现了从无到有的突破。为后续课题的设计打下了坚实的基础，实现了国产芯片的跨越式发展。

百尺竿头须进步，十方世界是全身。通过本课题，二十五所积累的SOC芯片设计的工程经验，目前已经开始了新的更加复杂的SOC芯片设计，以某课题信号处理应用为背景，替换原有的多片FPGA芯片和DSP芯片，系统体积将缩小到原来的四分之一，系统功耗降低到原来的五分之一。

为了实现全系统国产化率百分之百的目的，尤其是核心元器件国产化的目的，二十五所人将逐步设计适应性更强的SOC芯片，预计到“十三五”期间，可以达到SOC芯片满足所内系统设备所需要求。二十五所人将在国产SOC芯片的设计道路上坚定的走下去。