SoC演進(jìn)：從早期的手機(jī)到邊緣智能

SoC 在單個(gè)芯片上集成了多種電子功能，而不是單功能芯片（如電源管理芯片）。高質(zhì)量的 SoC 由在微型硅片上運(yùn)行的硬件和軟件功能的內(nèi)聚集成組成。

其他半導(dǎo)體產(chǎn)品可以根據(jù)它們擠到一個(gè)芯片上的晶體管數(shù)量來鑒定;但是，此限定并不能準(zhǔn)確反映 SoC 上集成的功能的質(zhì)量和復(fù)雜性。事實(shí)上，在具有較小晶體管數(shù)量的SoC上構(gòu)建相同數(shù)量的功能實(shí)際上是精湛集成的標(biāo)志。

索氏未知的歷史

這可能會(huì)讓業(yè)內(nèi)的一些人感到驚訝，但一些SoC實(shí)際上早于SoC類別的正式引入。計(jì)算機(jī)歷史博物館聲稱第一個(gè)真正的SoC出現(xiàn)在1974年的Micrama手表中。但是，快速瀏覽一下《電子藝術(shù)》（1989）就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些圖表看起來很像SoC，具有步進(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。這些早期的SoC有另一個(gè)名稱，表明它們的功能而不是結(jié)構(gòu)：應(yīng)用特定標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）。

在其大部分歷史中，SoC已經(jīng)發(fā)展到公眾視野之外。由于它們是由競(jìng)爭(zhēng)激烈的科技公司開發(fā)的，因此它們的大多數(shù)早期概念都籠罩在知識(shí)產(chǎn)權(quán)法的保密和保護(hù)中。然而，有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)進(jìn)步，使SoC不僅成為可能，而且是必要的。

在20世紀(jì)90年代后期，手機(jī)革命激勵(lì)了在單個(gè)芯片上集成多種功能。還記得手機(jī)曾經(jīng)有多笨重嗎？舊手機(jī)包含至少十幾個(gè)執(zhí)行各種功能的芯片：處理網(wǎng)絡(luò)配置，用戶界面和所有高級(jí)功能的CPU;與中央處理器關(guān)聯(lián)的內(nèi)存和閃存;基帶數(shù)字信號(hào)處理器，運(yùn)行物理信道和語音編碼的數(shù)學(xué)密集型計(jì)算;以及管理射頻 （RF） 收發(fā)器的混合信號(hào) IC。為了繼續(xù)推進(jìn)手機(jī)的功能并使其對(duì)消費(fèi)者更具吸引力，制造商尋求進(jìn)一步的集成和小型化。

半導(dǎo)體IP的興起開啟了這種整合的可能性。IP核和IP模塊是硅設(shè)計(jì)（而不是物理芯片），可以作為更大系統(tǒng)的構(gòu)建模塊集成到其他芯片設(shè)計(jì)中。IP 塊可以是內(nèi)存、I/O 或處理器內(nèi)核。半導(dǎo)體公司開始在其芯片設(shè)計(jì)中添加處理器內(nèi)核和存儲(chǔ)單元。當(dāng)半導(dǎo)體IP公司將多個(gè)模塊的設(shè)計(jì)作為黑匣子出售時(shí)，多個(gè)模塊的集成成為可能，因此，SoC時(shí)代迎來了。

今天的SoC可以比早期的計(jì)算機(jī)做得更多

SoC將手機(jī)上的芯片數(shù)量減少了至少10倍。在單個(gè)芯片上集成分立元件可顯著提高效率，從而縮短 SoC 設(shè)計(jì)人員的互連時(shí)間并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，從而顯著降低功耗。結(jié)果，手機(jī)變得越來越小，而性能卻在激增，電池續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)。

在過去的二十年中，隨著進(jìn)一步集成和精心優(yōu)化的出現(xiàn)，手機(jī)發(fā)展成為智能手機(jī)。幾代人的SoC設(shè)計(jì)和優(yōu)化為技術(shù)改進(jìn)提供了載體，這些技術(shù)改進(jìn)始于早期的手機(jī)時(shí)代，并引領(lǐng)我們走到了今天的位置。

崛起為物聯(lián)網(wǎng)的基石

SoC發(fā)展的另一個(gè)重要催化劑是物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。使用微型、高能效芯片將所有東西連接到網(wǎng)絡(luò)的可能性意味著我們需要將越來越多的功能集成到單個(gè)芯片上。對(duì)構(gòu)建更快、可互操作的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的興趣導(dǎo)致了無線SoC的興起，它集成了RF收發(fā)器、通用微控制器單元（MCU）、眾多高性能外設(shè)（放大器、ADC、DAC）和非易失性存儲(chǔ)器，以處理應(yīng)用處理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，同時(shí)為無線網(wǎng)絡(luò)提供RF鏈路。

無線 SoC 由硬件功能單元組成，包括運(yùn)行軟件代碼的微處理器和通信子系統(tǒng)，用于連接、控制、引導(dǎo)和連接這些功能模塊。SoC由許多執(zhí)行單元組成，這些執(zhí)行單元必須經(jīng)常來回發(fā)送數(shù)據(jù)和指令，這意味著除了最瑣碎的SoC之外，所有SoC都需要通信子系統(tǒng)。最初，與其他微型計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，使用數(shù)據(jù)總線架構(gòu)，但現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)都使用更稀疏的互連網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)代無線 SoC 的一個(gè)例子是硅實(shí)驗(yàn)室 EFR32 系列 2 多協(xié)議。人們可以欣賞大量的集成子系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品需要最佳的功耗和小型化。如果物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是將電子設(shè)備連接到所有東西上，那么電子設(shè)備需要很小，并在小型電池上盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持通電狀態(tài)。這是通過犧牲 SoC 的處理能力來實(shí)現(xiàn)的。

與可以在相對(duì)擴(kuò)展的內(nèi)存存儲(chǔ)上集成通用互操作操作系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)不同，SoC為了小型化和降低功耗而犧牲其處理能力和內(nèi)存大小。幸運(yùn)的是，由于無線物聯(lián)網(wǎng)SoC的特殊性，他們的軟件可以針對(duì)每個(gè)特定的用例進(jìn)行優(yōu)化。雖然這可以實(shí)現(xiàn)更小、更高效的設(shè)備，但它增加了 SoC 軟件的復(fù)雜性。位于較大系統(tǒng)中的 SoC 可能需要接口軟件才能在更大的系統(tǒng)中正常運(yùn)行。對(duì)于作為物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的獨(dú)立 SoC，軟件堆棧要求變得非常復(fù)雜。公平地說，無線SoC由兩個(gè)主要相互依賴的子系統(tǒng)組成：軟件和芯片。

無線 SoC 中另一個(gè)非常重要的子系統(tǒng)是安全性。雖然安全性與硬件和軟件糾纏在一起，但值得將其視為自己的子系統(tǒng)，因?yàn)镾oC的安全性僅與其最薄弱的環(huán)節(jié)一樣強(qiáng)大。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)遇到各種級(jí)別的威脅，因此需要每個(gè)級(jí)別的安全性，包括固件、網(wǎng)絡(luò)和用戶身份驗(yàn)證級(jí)別。

走向邊緣和超越

到2025年，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的凈資產(chǎn)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到519億。物聯(lián)網(wǎng)最受期待的發(fā)展之一是在邊緣設(shè)備中注入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。邊緣智能是指收集和分析數(shù)據(jù)的過程，并在邊緣網(wǎng)絡(luò)上捕獲數(shù)據(jù)的位置附近提供見解。這些過程使物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠在本地做出決策，而不是將數(shù)據(jù)發(fā)送到云并接收決策。邊緣智能在節(jié)能方面帶來了回報(bào)，因?yàn)闊o線 SoC 中最耗電的操作之一是射頻傳輸。除了節(jié)省電力外，在邊緣網(wǎng)絡(luò)上部署機(jī)器學(xué)習(xí)還將消除將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生成的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆频男枰?，這可能非常耗時(shí)，成本高昂，并導(dǎo)致數(shù)據(jù)隱私問題。

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步集成到邊緣設(shè)備中，SoC將繼續(xù)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。我們可以期待看到新技術(shù)通過更好、更高效的半導(dǎo)體制造和設(shè)計(jì)技術(shù)，將SoC帶入未來幾代更高的計(jì)算能力。

審核編輯：郭婷