系统芯片技术国内外发展现状

2015-01-03苏纪娟孟祥玲朱庆明

军民两用技术与产品 2015年7期

关键词：芯片产品系统

苏纪娟孟祥玲朱庆明

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

优秀论文

系统芯片技术国内外发展现状

苏纪娟孟祥玲朱庆明

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

系统芯片（SoC）是将信息处理的算法、逻辑电路的结构，以及各个层次的电路以器件方式集成在1块芯片上，实现完整系统的功能的芯片产品。SoC的性能直接决定着高端武器装备上核心电子设备的体积、重量及综合性能，将成为战斗力的倍增因子。因此，SoC在近几年受到了国内外军民两用领域的广泛关注。从SoC技术的概念出发，研究了SoC的国内外发展现状及发展趋势，希望为我国发展军民两用的SoC提供参考和借鉴。

SoC，系统芯片，可编程SoC

1 引言

集成电路（IC）产业是自20世纪80年代特别是90年代后期飞速发展起来的一个产业。IC产业的发展推动了航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术，以及家用电器产业的迅速发展，已成为世界各国极为重视的主导产业和战略性产业之一。从20世纪90年代中期开始，基于专用IC的板级系统设计已不能满足系统产品的可靠性等要求，因此，20世纪90年代后期出现了系统芯片（System on Chip，简称“SoC”，又称“片上系统”）的概念。

2 SoC技术概述

SoC最初的英文定义为“an integrated circuit that contains a computer engine，memory and logic on a single chip”，也就是说，SoC是包含处理器、存储器和片上逻辑电路的集成电路。随着技术的进步和产品集成度的日益提高，SoC的定义也在不断地发展和完善。目前，SoC是指集成有数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）、存储器、数据转换器、接口电路等电路模块（如图1）的单芯片，可以直接实现信号采集、转换、存储、处理等功能。因此，SoC技术是一种非常复杂的技术，其实现主要涉及的关键技术包括总线架构技术、IP（网络互连协议）核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术，以及嵌入式软件移植和开发等技术。

图1 SoC的基本结构

SoC技术与传统的印制电路板（PCB）和系统级封装（SIP）技术相比，具有高可靠性、高性能、低功耗、小体积、高系统集成度、低成本等优势。其与传统芯片有很多不同之处，如：系统规模大，结构复杂；频率高，时钟结构复杂；工艺水平要求高；芯片功能复杂等。

3 国内外SoC技术的发展现状

SoC是一种新型的集成化芯片，在对芯片性能、体积、重量等要求较高的航空、航天等领域具有重要的用途，其性能直接决定着导弹、卫星、雷达等先进装备上核心电子设备的体积、重量、功能及综合性能，其发展是研发先进武器装备的关键，在武器装备中可发挥重要作用，将成为武器装备战斗力的倍增因子。因此，SoC技术在近几年获得了国内外相关领域的广泛关注，特别是航天领域。

3.1 国外SoC技术的发展概况及趋势

3.1.1 国外SoC发展概况

国外对电子设备的小型化及核心微处理器的研究起步较早，SoC技术发展十分迅速，已取得了多项成熟的研究成果。美国、欧洲都在积极开展SoC技术研究并取得了一定进展，例如：美国国家航空航天局（NASA）、欧空局（ESA）、美国LSI Logic公司等。下面简单介绍国外SoC技术的发展概况：

（1）美国

NASA根据未来航天任务需求，组织多家公司开展了多项有关SoC/ASIC（特定用途集成电路）技术的研究。其中，NASA火星探测器的机械手采用了基于RAD6000的SoC处理器。同样，NASA火星探测器也采用基于RAD6000的SoC芯片研制的单板控制计算机及双模/三模冗余控制器分系统。

美国相关科研机构还通过3D集成技术，将数字电路、模拟电路、存储器、传感器和射频电路从下到上立体集成在1个硅片上，形成了3D SoC产品。该3D集成技术的应用，可方便不同特性电路间的互连，减小串扰，并达到更高密度的集成。

美国LSI Logic公司是创新芯片系统和软件技术的领先供应商。该公司拥有3种系统级芯片技术，即平台ASICs、标准单元ASICs、标准产品，并于2010年推出了首款SoC标准产品——Frue Store®SC9500，2011年推出了一种28nm SoC，加速了SoC解决方案的应用进程。该公司的主要产品包括RAID控制器、SSD控制器、定制ASIC等。

美国Xilinx公司是全球领先的可编程逻辑控制器（PLC）完整解决方案提供商，首创了现场可编程逻辑阵列（FPLA）技术，代表产品包括Artix、Kintex、Virtex、Zynq等系列产品。其中，该公司2011年开发的Zynq-7000系列产品是Xilinx公司推出的首款可扩展式处理平台（EPP），标志着该公司进入了SoC嵌入式处理器市场领域。

美国Altera公司是可编程SoC解决方案的倡导者，并在SoPC领域中处于前沿和领先地位。该公司的主要产品包括Cylone V、Arria V等。该公司2011年推出了基于ARM的SoC系列产品。该系列产品将28nm Cylone V和Arria V FPGA（现场可编程门阵列）产品与ARM Cortex A9 MP核集成于一个单芯片中，命名为Cylone V和Arria V SoC FPGA。该产品在性能和功能方面代表着嵌入式系统的发展新方向。

（2）欧洲

目前，欧洲的IP库建设和SoC技术已基本成熟，原理样机的开发已完成，未来将进一步开展主要分系统级验证工作。在具体开发应用方面，ESA成功推出了用于空间辐射环境的LEON系列微处理器、CAN总线控制器、HDL源代码等可供SoC设计复用的IP核及片上总线的EV132，以及单片航天用控制器系统等。其中，LEON系列处理器已被多个星载计算机采用，获得了大量的飞行数据。

法国海豚集成科技公司是专业的IP产品供货商。该公司成立于1985年，总部位于法国格勒诺布尔市，分别在加拿大、德国、以色列设有分公司，长期致力于微电子设计领域的持续创新，尤其是“混合信号片上系统”的研究开发。

意法半导体（ST）集团是世界SoC技术的领先者，是利用平台式设计方法开发复杂IC的开拓者。全球战略客户的SoC项目均与该公司建立了重要的合作伙伴关系。该公司的产品类型有SoC、定制与半定制IC及微控制器等。该公司2011年推出了全球先进的STi7105芯片，该芯片是一款应用广泛的SoC，可用于有线高清数字电视机顶盒、卫星高清数字电视机顶盒、IPTV机顶盒及多媒体手持设备等产品。

英国萨里卫星技术公司开发了一种结构简单、可配置的单片计算机（RSC-BOC）。该RSC-BOC实际上是通过美国Xilinx公司的FPGA来实现SoC的BOC，包括处理器IP核、EDAC引导装入程序、网络接口、IDE接口、浮点运算协处理器、HDLC控制器、CAN总线接口，以及外设总线接口等。

目前，国外SoC的应用技术正处于热点研发和向商用转换的阶段，并且越来越多的研究机构正积极投身于抗辐射SoC的研究和开发工作之中。

3.1.2 国外SoC发展趋势

随着SoC技术应用的不断普及，市场对于先进SoC设计的需求越来越高。SoC相关产品开发商不仅要拓展系统内部设计能力，还要直接开发和交付SoC设计套件和方法。因此，SoC设计逐渐向可编程SoC方向发展。可编程SoC可在一块现场可编程芯片上提供产品所需的系统级集成。

目前，国外多家IC供应商已在可编程SoC的实现方面取得了可喜的成果。这些新器件所提供的系统功能包括处理器、存储器和PLC，解决了与ASIC相关的NRE（非经常性工程）存在的费用高或制造周期太长等问题。可编程SoC兼具ASIC的高集成度，以及FPGA的低风险、灵活性、上市快等特性。这也是可编程SoC技术在微电子行业受欢迎的重要原因之一。

综上所述，SoC应用设计正逐渐从ASIC方向向可编程SoC方向发展。目前，包括Atmel公司、Xilinx公司和Altera公司在内的数家IC提供商已开发并推出了多种类型的可编程SoC产品。

3.2 我国SoC技术的发展概况及思考

3.2.1 我国SoC技术发展概况

随着SoC技术应用潜力的日益显现，我国多家科研单位也已开展了SoC技术研究工作，如北京控制工程研究所、北京航天自动控制研究所、北京微电子技术研究所，以及中国科学院计算技术研究所等，均开发出了面向不同应用领域的解决方案。目前，我国也有数家企业进行了SoC的研发工作，如珠海欧比特控制工程股份有限公司、和芯星通科技有限公司、北京中科亿芯信息技术有限公司、北京时代民芯科技有限公司、北京神州龙芯集成电路设计公司等。以下为国内部分研究所及企业的SoC技术发展概况及相关产品：

（1）北京微电子技术研究所已研制出面向航天应用的具有自主知识产权的SoC产品——抗辐照空间处理器飞行器测控SoC。

（2）北京控制工程研究所开发出了大量适合星载电子设备的可复用、高可靠IP核，并建立起了面向空间应用的IP库。

（3）北京中科亿芯信息技术有限公司是由中科院计算技术研究所、上海单豆工艺品有限公司共同发起成立的集成电路设计公司。该公司专注于高端通用化的SoC产品设计，精心打造“聚芯”SoC品牌。该公司的代表产品有EraSoC-100系列，包括EraSoC-100A、EraSoC-100B、EraSoC-100C、EraSoC-100D等。

（4）和芯星通科技有限公司研制了国际首款、国内首创的拥有完全自主知识产权的多系统多频率卫星导航高性能SoC——和芯星通Nrbulas芯片，打破了国外在相关技术和产品领域的垄断，推动了我国北斗卫星导航定位系统产业化应用的快速发展。

（5）欧比特公司是具有自主知识产权的嵌入式SoC芯片及系统供应商，已开发了多款基于SPARC架构标准的高可靠嵌入式SoC芯片，其“嵌入式SoC芯片+系统集成”产业构架体现了该公司的核心竞争力。

另外，目前，我国消费类电子产品市场上所使用的移动通信和数字家电的核心芯片主要依赖于进口。为了打破这种局面，国内各大IC设计机构、企业纷纷投入人力、物力进行SoC相关研发工作。国内移动通信类SoC的开发主要集中在华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、大唐电信科技产业集团等通信公司，数字家电类SoC的开发主要集中在海尔集团、北京中电华大电子设计有限责任公司、上海华虹集成电路有限责任公司等公司。

3.2.2 关于国内SoC发展的思考

我国目前虽然在SoC理论和应用研究方面已经取得了一系列的成果，但是总体技术和应用水平与国际先进水平相比还存在一定的差距。因此，为了使国产SoC能够健康、有序地发展，借鉴国外发展SoC技术的经验教训，我国SoC技术发展应当走平台化和系列化的道路，规划出若干平台进行重点建设，围绕这些平台按类别构建IP库，在同一平台上利用不用的IP实现差异化设计，满足最终应用的需求。另外，SoC的发展在开发模式上应采取开放式和合作型发展道路。

随着我国微电子制造工艺水平的不断提高，集成能力的不断增强，以及SoC系统用户需求更加多样化，高度密集的功能集成和可编程SoC是未来SoC技术发展的必然趋势。SoC技术随着目标应用的丰富也将不断提高。未来SoC发展的关键技术有电子系统级设计技术、多系统SoC技术、3D组装技术、抗辐照加固技术等。目前，我国需要深入发展的技术主要包括低功耗设计技术、可测性设计、IP集成设计技术等。