片上系統(tǒng)SoC的分類與設(shè)計(jì)

SoC可以說是現(xiàn)今工藝最復(fù)雜、生產(chǎn)最高端芯片的技術(shù)方案。

SoC

小身材 大功能

SoC即System on Chip，中文名為片上系統(tǒng)，也指系統(tǒng)級芯片，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路產(chǎn)品，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

智能手機(jī)、電腦最核心最關(guān)鍵的一顆芯片就是SoC芯片。

智能手機(jī)可能是生活中最多使用且具有SoC的電子產(chǎn)品。手機(jī)的大腦，所說的“處理器”就屬于SoC，目前主流的手機(jī)SoC有驍龍8Gen1、麒麟9000、天璣9000等。這些SoC都集成了CPU(中央處理器)、GPU(圖形處理器)、NPU(嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))、ISP(圖像處理)，以及通信基帶和存儲等等,將眾多的功能單元集成在一個(gè)芯片上組合成為一個(gè)系統(tǒng)。

簡單說來，SoC就是集CPU、GPU、存儲、顯示等功能于一體的芯片。麻雀雖小，五臟俱全。

綜上可以看出，SoC的集成度極其高，這減少了外圍模和電路的使用，這對縮短開發(fā)周期和減少開發(fā)成本是非常有益的。目前電腦CPU也有朝SoC發(fā)展的趨勢，部分型號的CPU將內(nèi)存、Wi-Fi等集成至CPU中，使得有更小體積的電腦出現(xiàn)。

以麒麟9000為例，集成Cortex內(nèi)核、Mali系列GPU、5G基帶等功能，而在很多廠商設(shè)計(jì)手機(jī)SoC身上，我們都可以看到Cortex內(nèi)核的身影，這體現(xiàn)了SoC的IP核可以重用的特點(diǎn);而且，其使用的Cortex內(nèi)核中，使用了四個(gè)Cortex-A77和四個(gè)Cortex-A75，這也很符合SoC可以具有多個(gè)IP核心的特征。

另外，對SoC性能影響最大的：CPU單核、CPU多核和GPU。CPU多核性能關(guān)鍵看架構(gòu)：X2≈X1>A78>A77>A76>>A75>A73>>>A55/A53(構(gòu)架相同時(shí)，頻率越高越強(qiáng);其他相同時(shí)，四大核比自然雙大核強(qiáng))。同級產(chǎn)品的CPU和GPU性能一般都是對應(yīng)的。

SoC

分類與設(shè)計(jì)

手機(jī)的SoC可以說是屬于高端的SoC;相對的，也有低端的SoC、中低端的SoC。低端的SoC可以簡單理解為MCU內(nèi)核加上特定的功能外設(shè)，多使用的MCU內(nèi)核有8051內(nèi)核及 Cortex-M4 內(nèi)核，例如，TI設(shè)計(jì)生產(chǎn)的藍(lán)牙SoC——CC2541(億佰特具有對應(yīng)產(chǎn)品：E104-BT01)使用的8051內(nèi)核，同樣也是TI生產(chǎn)設(shè)計(jì)的藍(lán)牙SoC——CC2640(億佰特也有對應(yīng)產(chǎn)品：E72-2G4M05S1B)使用的Cortex-M3內(nèi)核。

下圖為CC2541的簡化結(jié)構(gòu)框圖：從中可以看出，該SoC包含了51內(nèi)核、內(nèi)存管理、其他外設(shè)等，而其特定的功能便為藍(lán)牙射頻功能。可以說，不同的SoC適用于不同的領(lǐng)域。

SoC設(shè)計(jì)流程(1)

SoC的設(shè)計(jì)需要軟硬件的同步設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行仿真和建模，根據(jù)功能劃分軟件和硬件部分，在軟件和硬件協(xié)同完成，經(jīng)過測試，投產(chǎn)，便得到了所使用的SoC。下圖為SoC設(shè)計(jì)流程：

SoC設(shè)計(jì)流程(2)

高級別的SoC芯片，比如華為海思的麒麟990——現(xiàn)今市面上最先進(jìn)的手機(jī)處理器芯片，集成了8核CPU、16核GPU和3核NPU構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能模塊、高速閃存控制模塊、圖像處理模塊、音頻和視頻處理模塊等等。與麒麟980相比，還增加了5G模塊。

這種高級別的SoC需要十分復(fù)雜的設(shè)計(jì)和加工，高端SoC芯片的CPU、GPU、NPU這些模塊都得使用最先進(jìn)的工藝技術(shù)，成本高、工藝復(fù)雜、成品率低。如麒麟990采用臺積電7納米加工工藝，7納米節(jié)點(diǎn)大概需要4000多道工序，其中僅光刻掩膜成本就得花費(fèi)上千萬美元，而整體的芯片設(shè)計(jì)成本高達(dá)上億美元。因此，整顆芯片的造價(jià)才會如此昂貴。

SIP

先進(jìn)封裝技術(shù)

除了SoC，有時(shí)也還會聽說SIP(System in a Package)，即系統(tǒng)級封裝。比較粗略地來看，SoC與SIP都是把邏輯組件和內(nèi)存組件等整合到一個(gè)系統(tǒng)中，但兩者的區(qū)別在于，SoC是從設(shè)計(jì)的初始，它就是一個(gè)集合的單獨(dú)的芯片;而SIP是以封裝的技術(shù)，將所需的功能模塊(模塊也可單獨(dú)使用或者掛載外部使用)封裝在一起從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本完整的功能。

以億佰特產(chǎn)品E78-900M系列采用的ASR6505和E76系列采用的EFR32FG1P131為例。ASR6505是一顆SIP封裝，集成STM 8位核心(STM8L152)和LoRa(SX1262)無線電收發(fā)器的通用的LoRa無線通信芯片組，也屬于MCU一類。

下圖為ASR6505的模塊框圖，ASR6505引出來的引腳既有STM8的、也有SX1262的引腳，其中SX1262與MCU通信相關(guān)的SPI引腳、DIO引腳、BUSY引腳已經(jīng)在芯片內(nèi)部連接在了一起。外部引出了晶振、UART、I2C等引腳用于芯片其他功能的擴(kuò)展和開發(fā)。對此芯片進(jìn)行開發(fā)時(shí)我們完全可以按照STM 8的開發(fā)方式進(jìn)行。

ASR6505 和 ASR LoRa通信模塊的框圖

對于E76系列采用的EFR32，就屬于SoC了。如下圖，可以看出，EFR32芯片內(nèi)部系統(tǒng)包含了CPU(使用ARM的Cortex-M4內(nèi)核)和存儲部分，時(shí)鐘管理，電源管理，無線電(包含了藍(lán)牙4.2，Sub-G等)，通信串行總線，I/O，定時(shí)器，模擬接口和安全功能等。這些功能集合在單一的芯片上，完成了一個(gè)電子系統(tǒng)的功能。SIP和SoC皆有各自的優(yōu)勢和特點(diǎn)，對于SoC，受限于技術(shù)障礙，設(shè)計(jì)周期等，SIP的發(fā)展在業(yè)界中愈被重視。

EFR32系統(tǒng)框圖

國產(chǎn) SoC

發(fā)展現(xiàn)狀

高端的SoC芯片目前具備研發(fā)實(shí)力的是蘋果、三星和華為。華為海思的麒麟系列SoC是華為自主設(shè)計(jì)研發(fā)，其對標(biāo)蘋果A系列、高通驍龍，以及三星的獵戶座處理器。但因受制裁影響，臺積電不再為華為代工。

華為海思倒下后，紫光展銳被認(rèn)為是國內(nèi)SoC領(lǐng)頭羊，成為“后海思時(shí)代”最被看好的國產(chǎn)芯片廠商之一。紫光展銳已在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開拓出自己的道路。據(jù)Counterpoint最新研究報(bào)告顯示，紫光展銳在2021年第三季度全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片市場占據(jù)26.8%的市場份額排名第二，并在LTE Cat.1芯片細(xì)分賽道上超越了高通成為全球第一。

此外，消費(fèi)級SoC中瑞芯微、晶晨股份、富瀚微、樂鑫科技等也值得看好。瑞芯微是國內(nèi)音視頻主控SoC的先鋒，晶晨股份是國內(nèi)多媒體終端SoC龍頭，是國內(nèi)極少數(shù)的電視芯片供應(yīng)商，樂鑫科技其Wi-Fi MCU SoC通信芯片及其模塊在全球市場份額中排名第一，富瀚微ISP芯片的ASP是該領(lǐng)域龍頭。

目前國內(nèi)SoC芯片產(chǎn)品覆蓋還算廣泛，但底層架構(gòu)依然依賴于國際的ARM以及X86架構(gòu)。受制裁影響，國產(chǎn)SoC芯片發(fā)展之路任重而道遠(yuǎn)。

審核編輯：湯梓紅