系統芯片技術國內外發展現狀

蘇紀娟 孟祥玲 朱慶明

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

優秀論文

系統芯片技術國內外發展現狀

蘇紀娟 孟祥玲 朱慶明

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

系統芯片（SoC）是將信息處理的算法、邏輯電路的結構，以及各個層次的電路以器件方式集成在1塊芯片上，實現完整系統的功能的芯片產品。SoC的性能直接決定著高端武器裝備上核心電子設備的體積、重量及綜合性能，將成為戰斗力的倍增因子。因此，SoC在近幾年受到了國內外軍民兩用領域的廣泛關注。從SoC技術的概念出發，研究了SoC的國內外發展現狀及發展趨勢，希望為我國發展軍民兩用的SoC提供參考和借鑒。

SoC，系統芯片，可編程SoC

1 引 言

集成電路（IC）產業是自20世紀80年代特別是90年代后期飛速發展起來的一個產業。IC產業的發展推動了航空技術、遙測傳感技術、通訊技術、計算機技術、網絡技術，以及家用電器產業的迅速發展，已成為世界各國極為重視的主導產業和戰略性產業之一。從20世紀90年代中期開始，基于專用IC的板級系統設計已不能滿足系統產品的可靠性等要求，因此，20世紀90年代后期出現了系統芯片（System on Chip，簡稱“SoC”，又稱“片上系統”）的概念。

2 SoC技術概述

SoC最初的英文定義為“an integrated circuit that contains a computer engine，memory and logic on a single chip”，也就是說，SoC是包含處理器、存儲器和片上邏輯電路的集成電路。隨著技術的進步和產品集成度的日益提高，SoC的定義也在不斷地發展和完善。目前，SoC是指集成有數字信號處理器（DSP）、微控制器（MCU）、存儲器、數據轉換器、接口電路等電路模塊（如圖1）的單芯片，可以直接實現信號采集、轉換、存儲、處理等功能。因此，SoC技術是一種非常復雜的技術，其實現主要涉及的關鍵技術包括總線架構技術、IP（網絡互連協議）核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SoC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術，以及嵌入式軟件移植和開發等技術。

圖1 SoC的基本結構

SoC技術與傳統的印制電路板（PCB）和系統級封裝（SIP）技術相比，具有高可靠性、高性能、低功耗、小體積、高系統集成度、低成本等優勢。其與傳統芯片有很多不同之處，如：系統規模大，結構復雜；頻率高，時鐘結構復雜；工藝水平要求高；芯片功能復雜等。

3 國內外SoC技術的發展現狀

SoC是一種新型的集成化芯片，在對芯片性能、體積、重量等要求較高的航空、航天等領域具有重要的用途，其性能直接決定著導彈、衛星、雷達等先進裝備上核心電子設備的體積、重量、功能及綜合性能，其發展是研發先進武器裝備的關鍵，在武器裝備中可發揮重要作用，將成為武器裝備戰斗力的倍增因子。因此，SoC技術在近幾年獲得了國內外相關領域的廣泛關注，特別是航天領域。

3.1 國外SoC技術的發展概況及趨勢

3.1.1 國外SoC發展概況

國外對電子設備的小型化及核心微處理器的研究起步較早，SoC技術發展十分迅速，已取得了多項成熟的研究成果。美國、歐洲都在積極開展SoC技術研究并取得了一定進展，例如：美國國家航空航天局（NASA）、歐空局（ESA）、美國LSI Logic公司等。下面簡單介紹國外SoC技術的發展概況：

（1）美國

NASA根據未來航天任務需求，組織多家公司開展了多項有關SoC/ASIC（特定用途集成電路）技術的研究。其中，NASA火星探測器的機械手采用了基于RAD6000的SoC處理器。同樣，NASA火星探測器也采用基于RAD6000的SoC芯片研制的單板控制計算機及雙模/三模冗余控制器分系統。

美國相關科研機構還通過3D集成技術，將數字電路、模擬電路、存儲器、傳感器和射頻電路從下到上立體集成在1個硅片上，形成了3D SoC產品。該3D集成技術的應用，可方便不同特性電路間的互連，減小串擾，并達到更高密度的集成。

美國LSI Logic公司是創新芯片系統和軟件技術的領先供應商。該公司擁有3種系統級芯片技術，即平臺ASICs、標準單元ASICs、標準產品，并于2010年推出了首款SoC標準產品——Frue Store?SC9500，2011年推出了一種28nm SoC，加速了SoC解決方案的應用進程。該公司的主要產品包括RAID控制器、SSD控制器、定制ASIC等。

美國Xilinx公司是全球領先的可編程邏輯控制器（PLC）完整解決方案提供商，首創了現場可編程邏輯陣列（FPLA）技術，代表產品包括Artix、Kintex、Virtex、Zynq等系列產品。其中，該公司2011年開發的Zynq-7000系列產品是Xilinx公司推出的首款可擴展式處理平臺（EPP），標志著該公司進入了SoC嵌入式處理器市場領域。

美國Altera公司是可編程SoC解決方案的倡導者，并在SoPC領域中處于前沿和領先地位。該公司的主要產品包括Cylone V、Arria V等。該公司2011年推出了基于ARM的SoC系列產品。該系列產品將28nm Cylone V和Arria V FPGA（現場可編程門陣列）產品與ARM Cortex A9 MP核集成于一個單芯片中，命名為Cylone V和Arria V SoC FPGA。該產品在性能和功能方面代表著嵌入式系統的發展新方向。

（2）歐洲

目前，歐洲的IP庫建設和SoC技術已基本成熟，原理樣機的開發已完成，未來將進一步開展主要分系統級驗證工作。在具體開發應用方面，ESA成功推出了用于空間輻射環境的LEON系列微處理器、CAN總線控制器、HDL源代碼等可供SoC設計復用的IP核及片上總線的EV132，以及單片航天用控制器系統等。其中，LEON系列處理器已被多個星載計算機采用，獲得了大量的飛行數據。

法國海豚集成科技公司是專業的IP產品供貨商。該公司成立于1985年，總部位于法國格勒諾布爾市，分別在加拿大、德國、以色列設有分公司，長期致力于微電子設計領域的持續創新，尤其是“混合信號片上系統”的研究開發。

意法半導體（ST）集團是世界SoC技術的領先者，是利用平臺式設計方法開發復雜IC的開拓者。全球戰略客戶的SoC項目均與該公司建立了重要的合作伙伴關系。該公司的產品類型有SoC、定制與半定制IC及微控制器等。該公司2011年推出了全球先進的STi7105芯片，該芯片是一款應用廣泛的SoC，可用于有線高清數字電視機頂盒、衛星高清數字電視機頂盒、IPTV機頂盒及多媒體手持設備等產品。

英國薩里衛星技術公司開發了一種結構簡單、可配置的單片計算機（RSC-BOC）。該RSC-BOC實際上是通過美國Xilinx公司的FPGA來實現SoC的BOC，包括處理器IP核、EDAC引導裝入程序、網絡接口、IDE接口、浮點運算協處理器、HDLC控制器、CAN總線接口，以及外設總線接口等。

目前，國外SoC的應用技術正處于熱點研發和向商用轉換的階段，并且越來越多的研究機構正積極投身于抗輻射SoC的研究和開發工作之中。

3.1.2 國外SoC發展趨勢

隨著SoC技術應用的不斷普及，市場對于先進SoC設計的需求越來越高。SoC相關產品開發商不僅要拓展系統內部設計能力，還要直接開發和交付SoC設計套件和方法。因此，SoC設計逐漸向可編程SoC方向發展。可編程SoC可在一塊現場可編程芯片上提供產品所需的系統級集成。

目前，國外多家IC供應商已在可編程SoC的實現方面取得了可喜的成果。這些新器件所提供的系統功能包括處理器、存儲器和PLC，解決了與ASIC相關的NRE（非經常性工程）存在的費用高或制造周期太長等問題。可編程SoC兼具ASIC的高集成度，以及FPGA的低風險、靈活性、上市快等特性。這也是可編程SoC技術在微電子行業受歡迎的重要原因之一。

綜上所述，SoC應用設計正逐漸從ASIC方向向可編程SoC方向發展。目前，包括Atmel公司、Xilinx公司和Altera公司在內的數家IC提供商已開發并推出了多種類型的可編程SoC產品。

3.2 我國SoC技術的發展概況及思考

3.2.1 我國SoC技術發展概況

隨著SoC技術應用潛力的日益顯現，我國多家科研單位也已開展了SoC技術研究工作，如北京控制工程研究所、北京航天自動控制研究所、北京微電子技術研究所，以及中國科學院計算技術研究所等，均開發出了面向不同應用領域的解決方案。目前，我國也有數家企業進行了SoC的研發工作，如珠海歐比特控制工程股份有限公司、和芯星通科技有限公司、北京中科億芯信息技術有限公司、北京時代民芯科技有限公司、北京神州龍芯集成電路設計公司等。以下為國內部分研究所及企業的SoC技術發展概況及相關產品：

（1）北京微電子技術研究所已研制出面向航天應用的具有自主知識產權的SoC產品——抗輻照空間處理器飛行器測控SoC。

（2）北京控制工程研究所開發出了大量適合星載電子設備的可復用、高可靠IP核，并建立起了面向空間應用的IP庫。

（3）北京中科億芯信息技術有限公司是由中科院計算技術研究所、上海單豆工藝品有限公司共同發起成立的集成電路設計公司。該公司專注于高端通用化的SoC產品設計，精心打造“聚芯”SoC品牌。該公司的代表產品有EraSoC-100系列，包括EraSoC-100A、EraSoC-100B、EraSoC-100C、EraSoC-100D等。

（4）和芯星通科技有限公司研制了國際首款、國內首創的擁有完全自主知識產權的多系統多頻率衛星導航高性能SoC——和芯星通Nrbulas芯片，打破了國外在相關技術和產品領域的壟斷，推動了我國北斗衛星導航定位系統產業化應用的快速發展。

（5）歐比特公司是具有自主知識產權的嵌入式SoC芯片及系統供應商，已開發了多款基于SPARC架構標準的高可靠嵌入式SoC芯片，其“嵌入式SoC芯片+系統集成”產業構架體現了該公司的核心競爭力。

另外，目前，我國消費類電子產品市場上所使用的移動通信和數字家電的核心芯片主要依賴于進口。為了打破這種局面，國內各大IC設計機構、企業紛紛投入人力、物力進行SoC相關研發工作。國內移動通信類SoC的開發主要集中在華為技術有限公司、中興通訊股份有限公司、大唐電信科技產業集團等通信公司，數字家電類SoC的開發主要集中在海爾集團、北京中電華大電子設計有限責任公司、上海華虹集成電路有限責任公司等公司。

3.2.2 關于國內SoC發展的思考

我國目前雖然在SoC理論和應用研究方面已經取得了一系列的成果，但是總體技術和應用水平與國際先進水平相比還存在一定的差距。因此，為了使國產SoC能夠健康、有序地發展，借鑒國外發展SoC技術的經驗教訓，我國SoC技術發展應當走平臺化和系列化的道路，規劃出若干平臺進行重點建設，圍繞這些平臺按類別構建IP庫，在同一平臺上利用不用的IP實現差異化設計，滿足最終應用的需求。另外，SoC的發展在開發模式上應采取開放式和合作型發展道路。

隨著我國微電子制造工藝水平的不斷提高，集成能力的不斷增強，以及SoC系統用戶需求更加多樣化，高度密集的功能集成和可編程SoC是未來SoC技術發展的必然趨勢。SoC技術隨著目標應用的豐富也將不斷提高。未來SoC發展的關鍵技術有電子系統級設計技術、多系統SoC技術、3D組裝技術、抗輻照加固技術等。目前，我國需要深入發展的技術主要包括低功耗設計技術、可測性設計、IP集成設計技術等。

4 結束語

目前，我國正處于由IC向SoC的轉型階段，SoC的發展已經引起高度重視，但與國外相比，我國SoC研究在理論和應用方面還存在一定差距，因此，國家應該在人才培養、理論研究、引進國外先進技術等方面提供相應支持，使我國SoC技術迅速趕上國際先進水平，為我國IC產業的整體發展奠定基礎。

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2 張志國, 劉宇, 朱輝等. 片上系統（SoC）空間應用前景及可靠性若干問題的思考[J]. 質量與可靠性, 2011, (3)∶ 29～31

3 周海洋, 于立新, 彭和平等. 面向航天的SoC技術及其應用[J]. 航天標準化, 2011, (1)∶ 39～42

4 李兵, 駱麗. SoC技術現狀及其挑戰[J]. 今日電子, 2005, (8)∶ 40～41

1009-8119（2015）07（1）-0053-03