芯片SOC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 - SOC芯片技術(shù)及在安防集成系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　2、芯片SOC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　集成電路（IC）的發(fā)展已有40多年的歷史，它一直遵循著1965年摩爾提出的規(guī)律增長，即集成電路中晶體管的數(shù)目每18個月增加一倍。每2～3年制造技術(shù)更新一代，這是基于柵長不斷縮小的結(jié)果，器件柵長的縮小又基本上依照等比例縮小的原則，并促進(jìn)其它工藝參數(shù)的提高?，F(xiàn)按此規(guī)律，集成電路的基本單元CMOS器件已進(jìn)入超深亞微米乃至納米加工時代（即器件的柵長小于50nm）。由于信息市場的需求和微電子自身的發(fā)展，引發(fā)了以微細(xì)加工（集成電路特征尺寸不斷縮小）為主要特征的多種工藝集成技術(shù)和面向應(yīng)用的系統(tǒng)級芯片的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實(shí)現(xiàn)一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，諸如手機(jī)芯片、數(shù)字電視芯片、DVD芯片等等。

　　世界集成電路大生產(chǎn)目前已經(jīng)進(jìn)入納米時代，全球多條90nm/12英寸生產(chǎn)線用于規(guī)?；a(chǎn)，基于65nm之間水平線寬的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)基本成形，Intel公司的CPU芯片已經(jīng)采用45nm的生產(chǎn)工藝。在世界最高水平的單片集成電路芯片上，所容納的元器件數(shù)量已經(jīng)達(dá)到80多億個。如2006年，單片系統(tǒng)集成芯片的最小特征尺寸0.09μm、芯片集成度達(dá)2億以上個晶體管、芯片面積520mm2、7～8層金屬連線、管腳數(shù)4000個、工作電壓0.9～1.2V、工作頻率2～2.5GHz，功率160W。到2010年，己提高到0.07μm的水平。而硅IC晶片直徑尺寸，如2000年～2005年己從200mm轉(zhuǎn)向300mm，2006～2010年又轉(zhuǎn)向到400mm。單片硅集成技術(shù)最小特征尺寸的發(fā)展?fàn)顩r如表1所示。

　　表1、單片硅集成技術(shù)最小特征尺寸的發(fā)展?fàn)顩r

　　整個半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展隨著晶體管柵長及光刻間距持續(xù)地縮小，使得芯片能夠在面積越來越小的同時，獲得較快的運(yùn)行速度，同時也使得一個晶圓所能產(chǎn)出的芯片數(shù)目越來越多，大幅提高晶圓工藝的生產(chǎn)力。整個半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展仍是呈現(xiàn)持續(xù)加速的狀態(tài)，特別是在DRAM、MPU等領(lǐng)域，而光刻等微細(xì)加工技術(shù)則呈現(xiàn)出穩(wěn)定的發(fā)展。

　　在集成電路設(shè)計中，硅技術(shù)是主流技術(shù)，硅集成電路產(chǎn)品是主流產(chǎn)品，占集成電路設(shè)計的90%以上。正因?yàn)楣杓呻娐吩O(shè)計的重要性，各國都很重視。目前，產(chǎn)業(yè)鏈的上游仍被美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)占據(jù)，設(shè)計、生產(chǎn)和裝備等核心技術(shù)也由其掌握。

　　以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)目前超過了以汽車、石油和鋼鐵為代表的傳統(tǒng)的工業(yè)而成為第1大產(chǎn)業(yè)，成為改造和拉動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)邁向數(shù)字時代的強(qiáng)大引擎和雄厚基石。以集成電路為核心的電子信息產(chǎn)業(yè)的世界貿(mào)易總額約占世界GNP的3%，現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)表明，每l～2元集成電路產(chǎn)值，帶動10元左右電子工業(yè)產(chǎn)值的形成，進(jìn)而帶動100元GDP的增長。發(fā)達(dá)的國家國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長部分的65%目前與集成電路相關(guān)。作為當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)競爭的焦點(diǎn)，擁有自主版權(quán)的集成電路日益成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵、社會進(jìn)步的基礎(chǔ)、國際競爭的籌碼和國家安全的保障。

　　隨著集成方法學(xué)和微細(xì)加工技術(shù)的持續(xù)成熟與應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，不同類型的集成電路相互鑲嵌，形成了各種嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）和片上系統(tǒng)（SystemonChip即SOC）技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)從集成電路（IC）到系統(tǒng)集成（IS）過渡中，“硅知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊”和“軟、硬件協(xié)同設(shè)計”技術(shù)興起，可以將一個電子子系統(tǒng)或整個電子系統(tǒng)“集成”在一個硅芯片上，以完成信息加工與處理的功能。如1995年LSILogic公司為Sony公司設(shè)計的SOC，可能就是基于IP（IntellectualProperty）核完成SOC設(shè)計的最早報導(dǎo)。由于SOC可以充分利用已有的設(shè)計積累，顯著地提高了ASIC的設(shè)計能力，因此發(fā)展非常迅速，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

　　SOC是集成電路發(fā)展的必然趨勢，其技術(shù)特點(diǎn)是：半導(dǎo)體工藝技術(shù)的系統(tǒng)集成；軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的集成。

　　SOC具有的優(yōu)勢是，能創(chuàng)造其產(chǎn)品價值與市場需求：降低耗電量；減少體積；增加系統(tǒng)功能；提高速度；節(jié)省成本。

　　眾所周知，“IC”（IntegratedCircuit）是集成電路的最早定義，它出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代，如集成電路74系列、4000系列諸邏輯器件等，它屬于功能級芯片；后十年左右出現(xiàn)了“ASIC”（ApplicationSpecificIntegratedCircuit），即具有某種特定功能的集成電路、立體聲解碼、維特比糾錯芯片等，屬于專業(yè)級芯片；到90年代后出現(xiàn)了直接使用系統(tǒng)芯片開發(fā)產(chǎn)品，即呈爆炸性發(fā)展的“SOC”，屬于系統(tǒng)級芯片：再后至本世紀(jì)初“SIP”（SystemInPackage）、“MCP”（MultiChipPackage）已出現(xiàn)在越來越多的場合，即針對產(chǎn)品開發(fā)產(chǎn)品芯片，因而“SIP”屬于產(chǎn)品級芯片，是SOC的一種延伸。

　　因此，“IC”--“ASIC”--“SOC”--“SIP”是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展標(biāo)志。

　　所謂SIP是指將系統(tǒng)所需不同SOC及其配置芯片的裸die綁定連接后再封裝，需要具備SOC及SOC以外的系統(tǒng)設(shè)計能力。如圖1所示。

　　圖1、用不同SOC及其配置芯片5層綁定的SIP實(shí)物像片

　　如某集成電路暨系統(tǒng)集成公司，在研發(fā)完成64bitCPUSOC后，又斥巨資以SIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單芯片系統(tǒng)集成，單芯片內(nèi)除計算機(jī)各部功能外，內(nèi)置數(shù)Gb的RAM、Flash、顯示功能core；同時將Windows操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件也實(shí)現(xiàn)了芯片內(nèi)置。下一步的發(fā)展目標(biāo)是將64bitCPU系統(tǒng)、GPRS（CDMA）系統(tǒng)、圖像芯片整合為一顆芯片。

　　市場的需求決定著需要研發(fā)的SOC，考慮到我國巨大的移動通信和數(shù)字家電市場的核心芯片主要依賴于進(jìn)口的狀況，研發(fā)數(shù)字家電類SOC已為國內(nèi)各大IC設(shè)計機(jī)構(gòu)、公司所看好，紛紛投入人力、物力進(jìn)行這兩個方面SOC的研發(fā)工作。國內(nèi)移動通信類SOC的研發(fā)主要集中在華為、中興、大唐等通信公司；數(shù)字家電類SOC的研發(fā)主要集中在海爾、華大、華虹等設(shè)計公司。目前，海爾研發(fā)出的可產(chǎn)品化的HMD2002芯片集傳統(tǒng)MPEG-2芯片組于一身，含有下列成分：MPU、OSD處理器、解擾器、解復(fù)用器、MPEG-2視頻解碼器、音頻解碼器（Musicam或DolbyDigital）和PAL/NTSC/SECAM數(shù)字編碼器，主要完成DVB解擾、MPEG-2解復(fù)用、MPEG-2解壓縮、音視頻信號恢復(fù)和模擬音視頻信號合成編碼等信源解碼工作。隨著進(jìn)一步研發(fā)，海爾數(shù)字電視SOC芯片將把信道解碼部分也包含進(jìn)去，真正成為數(shù)字電視的單芯片解決方案。

　　值得指出的是，集成電路技術(shù)的發(fā)展，并不意味著一代淘汰一代。實(shí)際上是多代并存，以成本最低，收益/投人比最大的原則各自占領(lǐng)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。如目前已使用300mm硅片，但生產(chǎn)上仍使用150mm、200mm硅圓片，實(shí)際上150mm和200mm硅片的生產(chǎn)量幾乎相等。100mm硅片的產(chǎn)量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0.5μm的在200mm硅片生產(chǎn)中仍占有21％的比例。

　　未來十幾年，是我國微電子發(fā)展的關(guān)鍵時期。要充分利用我國經(jīng)濟(jì)調(diào)整發(fā)展和巨大市場的優(yōu)勢，精心規(guī)劃，重點(diǎn)扶持，力爭通過10年或略長一些時間的努力，充分掌握集成電路設(shè)計、生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，提高國內(nèi)外市場占有率和國內(nèi)市場的自給率，以滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)對集成電路的需求。并且，形成良性循環(huán)的科研、生產(chǎn)體系，把我國微電子產(chǎn)業(yè)推進(jìn)到一個嶄新的階段。

　　實(shí)際上，集成系統(tǒng)級芯片（SOC），主要有三個關(guān)鍵的支持技術(shù)：

　?。?）軟、硬件的協(xié)同設(shè)計技術(shù)：面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論，硬件和軟件更加緊密結(jié)合不僅是SOC的重要特點(diǎn)，也是21世紀(jì)IT業(yè)發(fā)展的一大的趨勢；

　?。?）IP模塊庫技術(shù)：IP模塊有三種，即軟核（主要是功能描述）、固核（主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計）和硬核（基于工藝的物理設(shè)計，與工藝相關(guān)，并經(jīng)過工藝和實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)過的）。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A/D、D/A等都可以成為硬核，其中尤以基于超深亞微米的器件模型和電路模擬基礎(chǔ)上在速度與功耗上經(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值；

　?。?）模塊界面間的綜合分析技術(shù)：這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)和IP模塊綜合分析及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。

　　通過以上三個支持技術(shù)的創(chuàng)新，必將導(dǎo)致又一次以系統(tǒng)級芯片為特色的信息技術(shù)上的革命。目前SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時期。