系統級晶片（System on Chip，簡稱SoC），也稱片上系統，意指它是一個產品，是一個有專用目標的積體電路，其中包含完整系統並有嵌入軟體的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬體劃分，並完成設計的整個過程。System on Chips完整集成了CPU、GPU、通信等模組的手機主晶片。
基本介紹
- 中文名：系統級晶片
- 外文名：System on Chip（SoC）
- 別名：片上系統
- 釋義：積體電路、技術
- 功能：確定系統功能，軟/硬體劃分，完成設計
片上系統,綜述,技術發展,技術特點,優勢,存在問題,核心技術,設計思想,基本結構,設計基礎,設計過程,設計方法學,套用動態,
片上系統
從狹義角度講，它是信息系統核心的晶片集成，是將系統關鍵部件集成在一塊晶片上;從廣義角度講， SoC是一個微小型系統，如果說中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SoC定義為將微處理器、模擬IP（Intellectual Property）核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一晶片上，它通常是客戶定製的，或是面向特定用途的標準產品。
SoC定義的基本內容主要在兩方面：其一是它的構成，其二是它形成過程。系統級晶片的構成可以是系統級晶片控制邏輯模組、微處理器/微控制器CPU 核心模組、數位訊號處理器DSP模組、嵌入的存儲器模組、和外部進行通訊的接口模組、含有ADC /DAC 的模擬前端模組、電源提供和功耗管理模組，對於一個無線SoC還有射頻前端模組、用戶定義邏輯(它可以由FPGA 或ASIC實現)以及微電子機械模組，更重要的是一個SoC 晶片內嵌有基本軟體(RDOS或COS以及其他套用軟體)模組或可載入的用戶軟體等。系統級晶片形成或產生過程包含以下三個方面:
1) 基於單片集成系統的軟硬體協同設計和驗證;
2) 再利用邏輯面積技術使用和產能占有比例有效提高即開發和研究IP核生成及復用技術，特別是大容量的存儲模組嵌入的重複套用等；IP核復用技術在SoC晶片設計中被廣泛採用。先進工藝條件下，SoC系統級晶片設計規模越來越大，晶片上所集成的IP種類和數量也隨之暴增。IP數據如何高效管理和追蹤變得尤為重要。
3) 超深亞微米(VDSM) 、納米積體電路的設計理論和技術。
SoC設計的關鍵技術
並且包含做嵌入式軟體移植、開發研究，是一門跨學科的新興研究領域。
綜述
SoC是System on Chip的縮寫，直譯是“晶片級系統”，通常簡稱“片上系統”。因為涉及到“Chip”，SoC身上也會體現出“積體電路”與“晶片”之間的聯繫和區別，其相關內容包括積體電路的設計、系統集成、晶片設計、生產、封裝、測試等等。跟“晶片”的定義類似，SoC更強調的是一個整體，在積體電路領域，給它的定義為：由多個具有特定功能的積體電路組合在一個晶片上形成的系統或產品，其中包含完整的硬體系統及其承載的嵌入式軟體。
這意味著，在單個晶片上，就能完成一個電子系統的功能，而這個系統在以前往往需要一個或多個電路板，以及板上的各種電子器件、晶片和互連線共同配合來實現。前面我們說積體電路的時候提到過樓房對平房的集成，而SoC可以看作是城鎮對樓房的集成；賓館、飯店、商場、超市、醫院、學校、汽車站和大量的住宅，集中在一起，構成了一個小鎮的功能，滿足人們吃住行的基本需求。SoC更多的是對處理器（包括CPU、DSP）、存儲器、各種接口控制模組、各種互聯匯流排的集成，其典型代表為手機晶片（參見術語“終端晶片”的介紹）。SoC還達不到單晶片實現一個傳統的電子產品的程度，可以說SoC只是實現了一個小鎮的功能，還不能實現一個城市的功能。
SOC積體電路
SoC有兩個顯著的特點：一是硬體規模龐大，通常基於IP設計模式；二是軟體比重大，需要進行軟硬體協同設計。可以類比為城市相比農村的優勢很明顯：配套齊全、交通便利、效率高。SoC也有類似特點：在單個晶片上集成了更多配套的電路，節省了積體電路的面積，也就節省了成本，相當於城市的能源利用率提高了；片上互聯相當於城市的快速道路，高速、低耗，原來分布在電路板上的各器件之間的信息傳輸，集中到同一個晶片中，相當於本來要坐長途汽車才能到達的地方，已經挪到城裡來了，坐一趟捷運或BRT就到了，這樣明顯速度快了很多；城市的第三產業發達，更具有競爭力，而SoC上的軟體則相當於城市的服務業務，不單硬體好，軟體也要好；同樣一套硬體，今天可以用來做某件事，明天又可以用來做另一件事，類似於城市中整個社會的資源配置和調度、利用率方面的提高。可見SoC在性能、成本、功耗、可靠性，以及生命周期與適用範圍各方面都有明顯的優勢，因此它是積體電路設計發展的必然趨勢。在性能和功耗敏感的終端晶片領域，SoC已占據主導地位；而且其套用正在擴展到更廣的領域。單晶片實現完整的電子系統，是IC 產業未來的發展方向。
技術發展
積體電路的發展已有40年的歷史，它一直遵循摩爾所指示的規律推進，現已進入深亞微米階段。由於信息市場的需求和微電子自身的發展，引發了以微細加工（積體電路特徵尺寸不斷縮小）為主要特徵的多種工藝集成技術和面向套用的系統級晶片的發展。隨著半導體產業進入超深亞微米乃至納米加工時代，在單一積體電路晶片上就可以實現一個複雜的電子系統，諸如手機晶片、數位電視晶片、DVD 晶片等。在未來幾年內，上億個電晶體、幾千萬個邏輯門都可望在單一晶片上實現。 SoC (System - on - Chip)設計技術始於20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的發展，IC設計者能夠將愈來愈複雜的功能集成到單矽片上， SoC正是在積體電路( IC)向集成系統( IS)轉變的大方向下產生的。1994年Motorola發布的FlexCore系統(用來製作基於68000和PowerPC的定製微處理器)和1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SoC，可能是基於IP( IntellectualProperty)核完成SoC設計的最早報導。由於SoC可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高了ASIC的設計能力，因此發展非常迅速，引起了工業界和學術界的關注。
SOC是積體電路發展的必然趨勢，是技術發展的必然，也是IC 產業未來的發展。
技術特點
半導體工藝技術的系統集成
軟體系統和硬體系統的集成
優勢
降低耗電量
減少體積
增加系統功能
提高速度
節省成本
存在問題
當前晶片設計業正面臨著一系列的挑戰，系統晶片SoC已經成為IC設計業界的焦點， SoC性能越來越強，規模越來越大。SoC晶片的規模一般遠大於普通的ASIC，同時由於深亞微米工藝帶來的設計困難等，使得SoC設計的複雜度大大提高。在SoC設計中，仿真與驗證是SoC設計流程中最複雜、最耗時的環節，約占整個晶片開發周期的50%～80% ，採用先進的設計與仿真驗證方法成為SoC設計成功的關鍵。SoC技術的發展趨勢是基於SoC開發平台，基於平台的設計是一種可以達到最大程度系統重用的面向集成的設計方法，分享IP核開發與系統集成成果，不斷重整價值鏈，在關注面積、延遲、功耗的基礎上，向成品率、可靠性、電磁干擾（EMI） 噪聲、成本、易用性等轉移，使系統級集成能力快速發展。 所謂SoC技術，是一種高度集成化、固件化的系統集成技術。使用SoC技術設計系統的核心思想，就是要把整個套用電子系統全部集成在一個晶片中。在使用SoC技術設計套用系統，除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外，其他所有的系統電路全部集成在一起。
核心技術
系統功能集成是SoC的核心技術。在傳統的套用電子系統設計中，需要根據設計要求的功能模組對整個系統進行綜合，即根據設計要求的功能，尋找相應的積體電路，再根據設計要求的技術指標設計所選電路的連線形式和參數。這種設計的結果是一個以功能積體電路為基礎，器件分散式的套用電子系統結構。設計結果能否滿足設計要求不僅取決於電路晶片的技術參數，而且與整個系統PCB版圖的電磁兼容特性有關。同時，對於需要實現數位化的系統，往往還需要有單片機等參與，所以還必須考慮分散式系統對電路固件特性的影響。很明顯，傳統套用電子系統的實現採用的是分布功能綜合技術。
對於SoC來說，套用電子系統的設計也是根據功能和參數要求設計系統，但與傳統方法有著本質的差別。SoC不是以功能電路為基礎的分散式系統綜合技術。而是以功能IP為基礎的系統固件和電路綜合技術。首先，功能的實現不再針對功能電路進行綜合，而是針對系統整體固件實現進行電路綜合，也就是利用IP技術對系統整體進行電路結合。其次，電路設計的最終結果與IP功能模組和固件特性有關，而與PCB板上電路分塊的方式和連線技術基本無關。因此，使設計結果的電磁兼容特性得到極大提高。換句話說，就是所設計的結果十分接近理想設計目標。
SoC設計的關鍵技術主要包括匯流排架構技術、IP核可復用技術、軟硬體協同設計技術、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等，此外還要做嵌入式軟體移植、開發研究，是一門跨學科的新興研究領域。
設計思想
固件集成是SoC的基礎設計思想
在傳統分散式綜合設計技術中，系統的固件特性往往難以達到最優，原因是所使用的是分散式功能綜合技術。一般情況下，功能積體電路為了滿足儘可能多的使用面，必須考慮兩個設計目標：一個是能滿足多種套用領域的功能控制要求目標；另一個是要考慮滿足較大範圍套用功能和技術指標。因此，功能積體電路（也就是定製式積體電路）必須在I/O和控制方面附加若干電路，以使一般用戶能得到儘可能多的開發性能。但是，定製式電路設計的套用電子系統不易達到最佳，特別是固件特性更是具有相當大的分散性。
對於SoC來說，從SoC的核心技術可以看出，使用SoC技術設計套用電子系統的基本設計思想就是實現全系統的固件集成。用戶只須根據需要選擇並改進各部分模組和嵌入結構，就能實現充分最佳化的固件特性，而不必花時間熟悉定製電路的開發技術。固件基礎的突發優點就是系統能更接近理想系統，更容易實現設計要求。
基本結構
嵌入式系統是SoC的基本結構
在使用SoC技術設計的套用電子系統中，可以十分方便地實現嵌入式結構。各種嵌入結構的實現十分簡單，只要根據系統需要選擇相應的核心，再根據設計要求選擇之相配合的IP模組，就可以完成整個系統硬體結構。尤其是採用智慧型化電路綜合技術時，可以更充分地實現整個系統的固件特性，使系統更加接近理想設計要求。必須指出，SoC的這種嵌入式結構可以大大地縮短套用系統設計開發周期。
設計基礎
IP是SoC的設計基礎
傳統套用電子設計工程師面對的是各種定製式積體電路，而使用SoC技術的電子系統設計工程師所面對的是一個巨大的IP庫，所有設計工作都是以IP模組為基礎。SoC技術使套用電子系統設計工程師變成了一個面向套用的電子器件設計工程師。由此可見，SoC是以IP模組為基礎的設計技術，IP是SoC套用的基礎。
設計過程
SoC技術中的不同階段
用SoC技術設計套用電子系統的幾個階段。在功能設計階段，設計者必須充分考慮系統的固件特性，並利用固件特性進行綜合功能設計。當功能設計完成後，就可以進入IP綜合階段。IP綜合階段的任務利用強大的IP庫實現系統的功能IP結合結束後，首先進行功能仿真，以檢查是否實現了系統的設計功能要求。功能仿真通過後，就是電路仿真，目的是檢查IP模組組成的電路能否實現設計功能並達到相應的設計技術指標。設計的最後階段是對製造好的SoC產品進行相應的測試，以便調整各種技術參數，確定套用參數。
SoC晶片生產過程的每個步驟都有其相對應的測試步驟，包括設計驗證、晶圓測試、最終測試和系統級測試。
設計方法學
1、設計重用技術
數百萬門規模的系統級晶片設計，不能一切從頭開始，要將設計建立在較高的層次上。需要更多地採用IP復用技術，只有這樣，才能較快地完成設計，保證設計成功，得到價格低的 SoC，滿足市場需求。
設計再利用是建立在芯核(CORE)基礎上的，它是將己經驗證的各種超級宏單元模組電路製成芯核，以便以後的設計利用。芯核通常分為三種，一種稱為硬核，具有和特定工藝相連繫的物理版圖，己被投片測試驗證。可被新設計作為特定的功能模組直接調用。第二種是軟核，是用硬體描述語言或C語言寫成，用於功能仿真。第三種是固核(firm core)，是在軟核的基礎上開發的，是一種可綜合的並帶有布局規劃的軟核。設計時候覆用方法在很大程度上要依靠固核，將RTL級描述結合具體標準單元庫進行邏輯綜合最佳化，形成門級網表，再通過布局布線工具最終形成設計所需的硬核。這種軟的RTL綜合方法提供一些設計靈活性，可以結合具體套用，適當修改描述，並重新驗證，滿足具體套用要求。另外隨著工藝技術的發展，也可利用新的庫重新綜合最佳化、布局布線、重新驗證以獲得新工藝條件下的硬核。用這種方法實現設計再利用和傳統的模組設計方法相比其效率可以提高2－3倍，因此，0.35um工藝以前的設計再利用多用這種RTL軟核
2、綜合方法實現
隨著工藝技術的發展，深亞微米(DSM)使系統級晶片更大更複雜。這種綜合方法將遇到新的問題，因為隨著工藝向0.18um或更小尺寸發展，需要精確處理的不是門延遲而是互連線延遲。再加之數百兆的時鐘頻率，信號間時序關係十分嚴格，因此很難用軟的RTL綜合方法達到設計再利用的目的。
3、低功耗的設計技術
隨著市場需求的多樣化，系統級晶片的設計已經不僅僅是對面積和性能的要求，對功耗的要求也已經越來越高，因為在晶片設計中，要考慮面積、性能、功耗等多方面的平衡。系統級晶片因為百萬門以上的集成度和數百兆時鐘頻率下工作，將有數十瓦乃至上百瓦的功耗。巨大的功耗給使用封裝以及可靠性方面都帶來問題，因此降低功耗的設計是系統級晶片設計的必然要求。尤其是隨著智慧型和移動設備的快速發展，晶片的功耗成為SoC 設計中一個非常重要的指標。設計中應從多方面著手降低晶片功耗。
套用動態
2014年8月20日，國產彩電巨頭創維在京召開以“見證奇G的時刻”為主題的新品發布會，高調發布全球首款GLED電視。此次發布會堪稱重量級，不僅創維集團高層領導悉數出席，更是邀請到工信部刁司長，以及國內160餘家主流媒體及行業專家。
會上工信部刁司長發表了講話，講話內容表示：創維集團與華為海思以項目為紐帶結成了緊密的合作夥伴，並成功研製我國首款自主研發並成功實現量產的高端智慧型電視晶片，晶片性能優於市場同類晶片，對改變我國彩電行業缺芯少屏的局面，提升電子信息產業核心競爭力有著重要的意義！
2014年8月21日《新聞聯播》報導：“中國本土企業創維聯合海思自主研發的智慧型電視SOC晶片研製成功並首次實現量產。搭載這款晶片的創維GLED新品的系統速度、解碼能力等智慧型電視核心性能居行業領先水平。”同時，創維此“智慧型電視SOC晶片研發及產業化”項目已經申報“核心電子器件、高端通用晶片及基礎軟體產品”國家科技重大專項(簡稱“核高基重大專項”)課題，創維將與海思在晶片定義、晶片驗證、晶片的整機研發和產業化等核心領域展開深度合作。首批搭載此晶片的創維G8200系列新品4000台已於2014年8月20日上市。
