SoC（System on Chip），即“片上系統(tǒng)”或“片上系統(tǒng)”，是指在單個(gè)芯片上集成微電子應(yīng)用產(chǎn)品所需的所有功能的系統(tǒng)。SoC主要是集成處理機(jī)制、模型算法、軟件、芯片結(jié)構(gòu)、各級(jí)電路和器件設(shè)計(jì)的單個(gè)芯片，通常是定制的。它主要分為硬件和軟件兩部分。它采用超深亞微米工藝技術(shù)和由第三方IP核實(shí)現(xiàn)的超大規(guī)模集成電路，并由操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序控制。SoC避免了芯片之間信號(hào)傳輸?shù)难舆t和電路板的信號(hào)串?dāng)_，在功耗、尺寸和成本方面都有了很大的進(jìn)步。一般來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)電路系統(tǒng)相比，SoC具有高性能、小尺寸、低功耗和較短的研究周期等優(yōu)點(diǎn)。

SoC的出現(xiàn)不僅大大降低了制造成本，使先進(jìn)電子產(chǎn)品的價(jià)格為普通消費(fèi)者所接受，而且廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、交通、工業(yè)控制、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域，成為21世紀(jì)集成電路技術(shù)的主流和具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的實(shí)用技術(shù)。

SoC（System on Chip），即片上系統(tǒng)，是指高度集成的集成電路，將多個(gè)功能模塊集成到一個(gè)芯片上。與傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)不同，SoC技術(shù)不再是對(duì)工藝流程的無(wú)休止追求，而是基于對(duì)系統(tǒng)的深入理解。其應(yīng)用的基礎(chǔ)和核心是IP，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是嵌入式。IP核，即知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊，是指用于ASIC或FPG的預(yù)先設(shè)計(jì)的電路功能模塊。過(guò)去，與應(yīng)用電子設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)人員工作的主要內(nèi)容是集成電路，而SoC將IP庫(kù)呈現(xiàn)給技術(shù)人員，每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)都基于IP模塊，這使技術(shù)人員的角色從早期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)變?yōu)槠骷O(shè)計(jì)人員。SOC大多是定制的，不同復(fù)雜度的SOC應(yīng)用于不同領(lǐng)域以滿足特定功能。

誕生

第一款真正的SoC產(chǎn)品誕生于1974年的Microma watch。此外，在1989年出版的TheArtofElectronics中，一些原理圖與SoC非常相似，包括步進(jìn)電機(jī)控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行I/O、集成ROM、定時(shí)器和事件控制器。早期的芯片設(shè)計(jì)非常困難，大多數(shù)半導(dǎo)體公司都是集設(shè)計(jì)、制造和封裝測(cè)試于一體的IDM制造商。隨著行業(yè)的發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)和制造的成本和難度急劇上升。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，SoC電子設(shè)計(jì)經(jīng)歷了三個(gè)階段:

20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通過(guò)使用系統(tǒng)的復(fù)制功能提高了布局設(shè)計(jì)的效率。

計(jì)算機(jī)輔助工程出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，以門陣列和標(biāo)準(zhǔn)單元布局為主要內(nèi)容。在臺(tái)積電的帶領(lǐng)下，半導(dǎo)體行業(yè)正朝著“無(wú)晶圓廠（設(shè)計(jì)）+晶圓代工（制造）+OSAT（封測(cè)）”的方向發(fā)展。

1990年，IP龍頭Arm誕生后，開創(chuàng)了IP核心授權(quán)模式。芯片的架構(gòu)由Arm設(shè)計(jì)，ip核授權(quán)給Fabless供應(yīng)商。由于超大規(guī)模集成電路（VLSI）的逐步發(fā)展，集成電路（IC）正逐漸向集成系統(tǒng)（IS）轉(zhuǎn)變，集成電路的設(shè)計(jì)者傾向于將復(fù)雜的功能集成到單個(gè)硅片上，因此形成了SoC的概念。1994年摩托羅拉發(fā)布的FlexCore系統(tǒng)和1995年LSILogic為索尼設(shè)計(jì)的SoC可能是基于IP核的SoC設(shè)計(jì)的最早報(bào)道。。

1999年，全球SoC市場(chǎng)年銷售額達(dá)到3.45億。

20世紀(jì)90年代，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化出現(xiàn)，提高了從原理圖輸入到行為描述的設(shè)計(jì)水平，進(jìn)一步縮短了設(shè)計(jì)周期并提高了設(shè)計(jì)效率，手機(jī)小型化需求的不斷增加促進(jìn)了SoC的出現(xiàn)。IP的興起為SoC的集成提供了可能。

發(fā)展

2000年6月，由加拿大政府和工業(yè)界資助的非營(yíng)利組織加拿大微電子公司在加拿大大學(xué)建立了SoC研究基地，并在40多所大學(xué)的支持下建立了SoC研究網(wǎng)絡(luò)。

2000年12月，中國(guó)在“十五”國(guó)家“863計(jì)劃”中啟動(dòng)了超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)芯片專項(xiàng)，并發(fā)布了該專項(xiàng)2000 ~2001年預(yù)啟動(dòng)項(xiàng)目申請(qǐng)指南，其中包括關(guān)鍵電子信息產(chǎn)品核心芯片開發(fā)、超大規(guī)模集成電路ip核開發(fā)、系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)研究、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化環(huán)境建設(shè)等。，推動(dòng)了中國(guó)SoC的發(fā)展。

2003年，搜狐報(bào)道稱，哈工大微電子中心成功研發(fā)出中國(guó)第一顆SoC芯片。SoC在工業(yè)中的應(yīng)用日益頻繁，在加速工業(yè)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)上，為信息技術(shù)提供了良好的“進(jìn)入”條件。2021年，僅中國(guó)智能手機(jī)SoC市場(chǎng)就售出了3.14億片SoC。SoC技術(shù)也是近年來(lái)中國(guó)集成電路設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的主要技術(shù)之一，包括機(jī)器的其他功能設(shè)計(jì)。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)：傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)基本上屬于硬件設(shè)計(jì)的范疇，而SoC由于采用平臺(tái)化的設(shè)計(jì)方法，涉及算法、軟件和硬件三個(gè)方面。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的理論體系包括系統(tǒng)任務(wù)描述、軟硬件劃分、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、軟硬件協(xié)同驗(yàn)證以及與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的低壓低功耗設(shè)計(jì)、可測(cè)性設(shè)計(jì)等。

一般的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定、軟硬件劃分后，通過(guò)行為模型、RTI（邏輯綜合）級(jí)硬件語(yǔ)言描述和數(shù)據(jù)通道綜合等手段完成硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)手工匯編和編譯實(shí)現(xiàn)軟件。通過(guò)軟硬件協(xié)同仿真得到了系統(tǒng)的重要參數(shù)。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)大大降低了硬件設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，縮短了嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試時(shí)間。在協(xié)同驗(yàn)證環(huán)境中，可以發(fā)現(xiàn)硬件和軟件中的關(guān)鍵問(wèn)題，從而避免在最終的集成測(cè)試階段重新調(diào)整硬件和軟件。

IP核生成和復(fù)用技術(shù)：IP核有三種類型:軟核，主要是功能描述；實(shí)心，主要用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；硬核，基于工藝的物理設(shè)計(jì)，與工藝相關(guān)。其中，硬核的使用價(jià)值最高。

IP重用，即從IP供應(yīng)商處購(gòu)買現(xiàn)有的IP核，并對(duì)其進(jìn)行排列、連接、檢查和驗(yàn)證。IP復(fù)用是快速設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大的產(chǎn)品的關(guān)鍵，其使用幾乎涵蓋了集成電路設(shè)計(jì)的所有經(jīng)典主題，如測(cè)試、驗(yàn)證、仿真和低功耗。IP核可重用性的研究重點(diǎn)是開發(fā)適應(yīng)各種總線接口的規(guī)范和可測(cè)試性的集成，以盡可能少的外包和測(cè)試向量達(dá)到重用的目的。。

IP核的生成可以基于國(guó)際上廣泛使用的總線結(jié)構(gòu)或自研的片上總線。IP核模塊的選擇需要評(píng)估IP核的質(zhì)量、集成的便利性、可重用性以及IP核提供商提供的技術(shù)支持。

超深亞微米集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)：在超深亞微米IC設(shè)計(jì)技術(shù)的研究中，IC設(shè)計(jì)人員不得不克服特征尺寸縮小帶來(lái)的信號(hào)延遲、工作頻率提高帶來(lái)的信號(hào)完整性、傳統(tǒng)連接延遲等諸多問(wèn)題，不斷推出超深亞微米SoC設(shè)計(jì)工具的新技術(shù)和新工藝。

SoC設(shè)計(jì)采用“自頂向下”和分層設(shè)計(jì)方法。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)入手，在頂層進(jìn)行系統(tǒng)的功能劃分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師需要同時(shí)考慮高層的功能問(wèn)題、結(jié)構(gòu)問(wèn)題和低層的布局和布線問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以進(jìn)行局部修改。由于物理綜合過(guò)程與前端邏輯綜合緊密相連，邏輯綜合是在版圖和布線的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此設(shè)計(jì)迭代較少。

設(shè)計(jì)原理：SoC所遵循的設(shè)計(jì)思想的核心是集成整個(gè)系統(tǒng)固件，以便用戶可以根據(jù)自己的需要添加、刪除或調(diào)整嵌入式結(jié)構(gòu)和模塊，然后可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。它不僅可以優(yōu)化固件特性，還可以節(jié)省開發(fā)定制電路所需的時(shí)間并降低設(shè)計(jì)難度。

SoC系統(tǒng)級(jí)芯片

設(shè)計(jì)法：SoC芯片的設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。SoC的設(shè)計(jì)是一種自頂向下和自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮物理設(shè)計(jì)和性能，并通過(guò)軟硬件協(xié)同開發(fā)相互交織和迭代。由于SoC的設(shè)計(jì)過(guò)程一直在變化和迭代，本文介紹了一種軟硬件協(xié)同的SoC設(shè)計(jì)方法:

需求分析和產(chǎn)品定義:確定系統(tǒng)的功能需求和性能需求，提取設(shè)計(jì)約束，進(jìn)而得到系統(tǒng)的功能組成。

SoC軟硬件協(xié)同合成:根據(jù)需求分析階段確定的系統(tǒng)功能組成，綜合評(píng)估和權(quán)衡各項(xiàng)性能指標(biāo)的約束條件，從IP核和軟件構(gòu)件庫(kù)中提取相應(yīng)的IP核和軟件構(gòu)件，找出系統(tǒng)的最優(yōu)軟硬件劃分，進(jìn)而得到SoC設(shè)計(jì)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

SoC的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證:根據(jù)SoC軟硬件協(xié)同綜合階段得到的SoC設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，按照IP核、軟件組件和用戶自定義邏輯模塊的組成建立評(píng)估模型，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的邏輯功能和性能指標(biāo)是否滿足用戶要求。如果有，將進(jìn)入系統(tǒng)開發(fā)階段，否則將回到SoC的軟硬件協(xié)同綜合階段。

系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn):從IP核和軟件構(gòu)件庫(kù)中提取使用過(guò)的核，實(shí)現(xiàn)IP核、軟件構(gòu)件和自定義邏輯模塊的連接和集成，得到待測(cè)片上系統(tǒng)SoC。

SoC測(cè)試:對(duì)開發(fā)的SoC進(jìn)行測(cè)試，并采用有效的測(cè)試調(diào)度策略，進(jìn)一步降低測(cè)試所需的時(shí)間成本。

SoC測(cè)試:對(duì)開發(fā)的SoC進(jìn)行測(cè)試，并采用有效的測(cè)試調(diào)度策略，進(jìn)一步降低測(cè)試所需的時(shí)間成本。

優(yōu)勢(shì)

自SoC出現(xiàn)以來(lái)，盡管其設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，但設(shè)計(jì)驗(yàn)證也變得越來(lái)越復(fù)雜，僅這一環(huán)節(jié)就消耗了總設(shè)計(jì)時(shí)間的70%。然而，除了對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的高要求之外，總體而言，SoC的優(yōu)勢(shì)更加顯著。

增加的功能:SoC是一個(gè)高度集成的硬件平臺(tái)，功能復(fù)雜，速度快，功耗低，由許多軟件支持，其最大的優(yōu)勢(shì)是功能多樣。

體積縮小:SoC正在向智能化、自動(dòng)化和小型化方向發(fā)展。

節(jié)省時(shí)間:SoC系統(tǒng)更新更快，節(jié)省了大量時(shí)間。同時(shí)，其軟硬件雙管齊下的模式提高了工作效率，縮短了電子產(chǎn)品的上市時(shí)間。

降低成本:與傳統(tǒng)的集成電路制造工藝相比，系統(tǒng)芯片在制造過(guò)程中采用了復(fù)用設(shè)計(jì)理念，在設(shè)計(jì)中采用了靜態(tài)時(shí)序驗(yàn)證方法，節(jié)省了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。

靈活性強(qiáng):在SoC的設(shè)計(jì)中，您可以從豐富的IP核心資源中進(jìn)行選擇，并且整個(gè)系統(tǒng)可以更快地更新，這也縮短了供需之間的差距，并對(duì)不同的設(shè)計(jì)應(yīng)用具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

劣勢(shì)

系統(tǒng)規(guī)模大:SoC一般由幾百萬(wàn)到幾億個(gè)組件組成，電路結(jié)構(gòu)包括CPU、RFmodule、DSP、DAC等模塊。其更復(fù)雜的電路使得驗(yàn)證和仿真更加困難。

工藝要求高:由于集成電路的發(fā)展、芯片面積的縮小和超深亞微米技術(shù)的使用，電路之間的距離越來(lái)越近，增加了信號(hào)的耦合效應(yīng)。同時(shí)，由于時(shí)序的復(fù)雜性，電路的仿真和測(cè)試更加困難。

芯片功能復(fù)雜:芯片系統(tǒng)中集成了很多模塊，要實(shí)現(xiàn)的功能非常復(fù)雜，并且需要區(qū)分硬件和軟件，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮更多的問(wèn)題。

處理器芯片應(yīng)用廣泛，SoC的應(yīng)用主要集中在兩大領(lǐng)域:消費(fèi)電子和智能IOT。包括消費(fèi)電子產(chǎn)品，如手機(jī)、平板電腦、掃地機(jī)器人、無(wú)人機(jī)，以及各種類型的工業(yè)應(yīng)用，如安全、商業(yè)顯示和工業(yè)。SoC需求的增長(zhǎng)有兩個(gè)維度，一是出貨量的增長(zhǎng)，二是性能的不斷升級(jí)。

智能手機(jī)全球出貨量近14億臺(tái)，是目前SoC最大的市場(chǎng)，也是技術(shù)更新迭代最快的賽道。隨著消費(fèi)水平的提高，汽車逐漸成為生活中的“第三空間”，成為SoC的新發(fā)展點(diǎn)，SoC一般應(yīng)用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛。到2022年，高通是第一個(gè)進(jìn)入該市場(chǎng)的公司，并且是該行業(yè)的主要供應(yīng)商。瑞芯微、陳靜和全志等國(guó)內(nèi)制造商正積極切入這一市場(chǎng)。機(jī)頂盒和智能電視合計(jì)全球?qū)oC處理器芯片的需求接近6億顆。此外，智能手表、VR、AR、ALOT等生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展也逐漸增加了對(duì)SoC的需求。

高端SOC集中在手機(jī)、平板電腦、服務(wù)器市場(chǎng)等。，而且大部分都是一個(gè)超大核加多個(gè)中核和小核的設(shè)計(jì)。次高端SOC多用于安防、智能音頻、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，對(duì)算力的要求略低于智能手機(jī)，而專用SOC則用于TWS耳機(jī)、智能手表等領(lǐng)域，針對(duì)特定場(chǎng)景開發(fā)，更接近MCU領(lǐng)域的應(yīng)用。