系統(tǒng)級芯片(SoC)的技術演進與未來發(fā)展趨勢

本文作者為Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Asem Elshimi，旨在說明系統(tǒng)級芯片(SoC)的技術演進與未來發(fā)展趨勢。隨著SoC在支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)實現(xiàn)連接和計算功能方面發(fā)揮無可爭議的作用，該術語已成為行業(yè)流行用語，以至于難以將SoC與其他類型的集成電路(IC)區(qū)分開來。與電源管理芯片等單功能芯片相比，SoC在單芯片上集成了多種電子功能，而高質(zhì)量的SoC則是由在微型芯片上運行的緊密結合的軟、硬件功能所組成。

其他半導體產(chǎn)品可以根據(jù)它們在一個芯片上集成的晶體管數(shù)量來判定是否合格;然而，這種判定方法無法準確反映SoC上集成功能的質(zhì)量和復雜性。事實上，要使用更少的晶體管在SoC上構建同等數(shù)量的功能實際上是超高集成能力的體現(xiàn)。

少有人知的SoC發(fā)展史

SoC少有人知的發(fā)展史可能會讓某些業(yè)內(nèi)人士感到驚訝，實際上SoC產(chǎn)品在正式推出之前已有部分與SoC相關的產(chǎn)品問世。計算機歷史博物館聲稱，第一個真正的SoC產(chǎn)品出現(xiàn)在1974年的Microma手表中。此外，快速瀏覽1989年出版的The Art of Electronics，會發(fā)現(xiàn)一些示意圖看起來很像SoC，其具有步進電機控制、模擬數(shù)字轉換器、串行I/O、集成ROM、定時器和事件控制器。這些早期的SoC有另一個表明它們功能而非它們架構的名稱：專用標準產(chǎn)品(ASSP)。

在SoC的發(fā)展歷史中，大部分時間它都處于大眾視野之外。由于是由具競爭力的科技公司所開發(fā)，SoC的大部分早期概念都掩藏在知識產(chǎn)權法的保密和保護之下。然而，技術經(jīng)濟上的顯著進展不僅讓SoC得以實現(xiàn)，還成為必要的產(chǎn)品。

在1990年代后期，手機革命推動了在單芯片上集成多功能的發(fā)展。還記得以前的手機有多笨重嗎?舊手機至少包含十幾個執(zhí)行各種功能的芯片：一個中央處理器(CPU)處理網(wǎng)絡配置、用戶界面和所有高級功能;與CPU相關的RAM和Flash;一個基帶數(shù)字信號處理器，執(zhí)行物理信道和語音編碼的數(shù)學密集型運算;以及一個管理射頻(RF)收發(fā)器的混合信號IC。為持續(xù)提升手機的功能并使其更能吸引消費者，制造商在不斷尋求進一步的集成和小型化。

半導體知識產(chǎn)權(IP)的興起開啟了這種集成的可能性。IP核和IP塊是硅層面的設計(而不是物理芯片)，可以集成到其他芯片的設計中，成為更大型系統(tǒng)的構建模塊。IP塊可以是存儲、I/O或處理器內(nèi)核。半導體公司已開始在他們的芯片設計中添加處理器內(nèi)核和存儲單元。當半導體IP公司將多模塊的設計當作“黑匣子”出售時，多模塊的集成已然成形，進而開啟了SoC的時代。

SoC能將手機上的芯片數(shù)量減少至少10倍。將分立元件集成在單芯片上顯著提升了效率，縮短了互連時間，使SoC設計人員可以進行系統(tǒng)級優(yōu)化，從而大幅降低功耗。其帶來的結果是，手機越變越小，性能顯著提升，且電池壽命更長。

在過去的二十年里，隨著進一步集成和精心優(yōu)化的實現(xiàn)，傳統(tǒng)手機已演變成為智能手機。一代又一代的SoC設計和優(yōu)化，為技術精進提供了載體，從早期的手機時代開始，一直引領我們走到了今天。

作為物聯(lián)網(wǎng)構建模塊繼續(xù)崛起

SoC發(fā)展的另一個重要催化劑是物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。利用微型、節(jié)能芯片將所有事物連上網(wǎng)絡的可能性意味著我們需要將越來越多的功能集成到單芯片上。對構建更快、可互操作的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的興趣也促成了無線SoC的興起，其集成了射頻收發(fā)器、通用微控制器(MCU)、眾多高性能外圍設備(放大器、ADC、DAC)，以及非易失性存儲器，以執(zhí)行應用處理和網(wǎng)絡協(xié)議棧，同時為無線網(wǎng)絡提供射頻連接。

無線SoC由多個硬件功能單元組成，包括運行軟件代碼的微處理器，以及在這些功能模塊之間用于連接、控制、引導和接口的通信子系統(tǒng)。SoC包含許多必須經(jīng)常來回發(fā)送數(shù)據(jù)和指令的執(zhí)行單元，這意味著除了最普通的SoC之外，所有的SoC都需要通信子系統(tǒng)。最初，與其他微型計算機技術一樣，SoC使用的是數(shù)據(jù)總線架構，但現(xiàn)在許多設計已改用更簡潔的互通網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點產(chǎn)品需要小型化和功耗優(yōu)化。如果物聯(lián)網(wǎng)旨在將電子設備連接到所有東西上，那么電子設備必須很小，并且在小型電池上盡可能保持長時間供電。這可能需要犧牲SoC的處理能力才能實現(xiàn)。

個人計算機和智能手機可以在其相對可擴展的內(nèi)存存儲上集成通用的、可互操作的操作系統(tǒng)，但SoC為了小型化和降低功耗就需要犧牲其處理能力和存儲容量。幸運的是，由于無線物聯(lián)網(wǎng)SoC的特殊性，它們的軟件可以針對各種特定的應用場景進行優(yōu)化。雖然這可以實現(xiàn)更小、更高效率的器件，但它增加了SoC軟件的復雜性。位于更大系統(tǒng)中的SoC可能需要接口軟件才能在較大的系統(tǒng)中正常運行。對于在物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點運行的獨立SoC，對軟件棧的要求條件變得非常復雜。公平地說，無線SoC由兩個主要的、相互依賴的子系統(tǒng)組成：軟件和芯片。

在無線SoC中，另一個極其重要的子系統(tǒng)是安全性。雖然安全性與硬件和軟件息息相關，但是值得將其本身視為單獨的子系統(tǒng)，是因為SoC的安全性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。物聯(lián)網(wǎng)設備可能會遇到各種層面的威脅，因此需要在各個層面進行安全防護，包括固件、網(wǎng)絡和用戶身份驗證等層面。

邁向邊緣計算

據(jù)估計，到2025年，全球聯(lián)網(wǎng)設備的凈值將增長到519億(來源：Omdia)。物聯(lián)網(wǎng)中最受期待的發(fā)展之一是在邊緣設備中加入人工智能和機器學習。邊緣智能是指，針對捕獲的數(shù)據(jù)，在其附近的邊緣網(wǎng)絡上進行數(shù)據(jù)收集和分析，并提供具洞察力的見解。這些過程使物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡能夠在本地作出決策，而無須將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，然后再接收返回的決策。由于無線SoC中最耗能的操作之一是射頻傳輸，邊緣智能在節(jié)能方面大有裨益。除了節(jié)能之外，在邊緣網(wǎng)絡上部署機器學習甚至無須將物聯(lián)網(wǎng)設備生成的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，這種數(shù)據(jù)傳輸不但非常耗時、成本高昂，而且會導致數(shù)據(jù)隱私問題。

隨著人工智能和機器學習進一步集成到邊緣設備中，SoC將持續(xù)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。得益于更好、更高效率的半導體制造和設計技術，我們預期未來一代又一代的SoC將會擁有更強大的計算能力。

審核編輯：湯梓紅