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SOC技术及国内发展现状

SOC技术及国内发展现状
SOC :Technology and Development in China
■北京海尔集成电路设计有限公司 赖祥宁


SOC的基本概念

SOC(系统级芯片System On Chip),也有称片上系统,意指它是一个产品,是一个有专用目标的集成电路,其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。SOC也有译为“系统芯片集成”,意指它是一种技术,用以实现从确定系统功能开始,到软/硬件划分,并完成设计的整个过程。

从第一块集成电路(IC)(1959年美国TI公司)发明以后,集成电路工艺技术的发展表现在两个方面:一是沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高,使得器件特征尺寸从亚微米的0.5 m、深亚微米(DSM)的0.35 m一直下降到0.13 m,甚至超深亚微米(VDSM)的0.1 m及以下,并可以形成各种结构;二是匀场范围的扩大,使得芯片面积由100mm2增加到200mm2甚至300mm2及以上。每个管子在缩小,芯片面积在扩大,两者的乘积使得IC集成度的CAGR(Commutation Average Growth Rate)每年达到58%。这就是Moore定律指出的三年翻四番。可以说微电子的加工技术已经达到这样的程度:可以在硅片上制作出电子系统需要的所有部件,包括各种有源和无源的元器件、互连线,甚至机械部件。因此,已经具备了由集成电路(IC)向系统集成(IS)发展的条件。

在工艺能力提高的同时,IC的设计能力也在不断提高,由于新的ICCAD工具不断出现,使得IC设计能力大约每10年出现一次阶跃式的提高,有效地缩小了与工艺能力的差距。

第一代ICCAD,把IC中的重复结构建立版图库。利用系统的复制功能,提高了版图设计效率;80年代出现的以门阵列、标准单元布局布线为主要内容的第二代ICCAD系统,以及90年代出现的综合(synthesis)系统,把设计水平从原理图输入提高到行为描述,进一步缩短了设计周期,提高了设计效率。特别是标准单元库包括IP核的发展,从基本单元电路,到功能模块、子系统、系统,充分利用已有的设计积累,实现设计重用,提高了设计的起点。

同时,IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成,直到今天基于计算机软硬件的知识集成。特别是MCU的出现与普及,使传统电子系统全面进入了现代电子系统。电子系统追求的目标之一就是最大限度地简化电路设计,达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。SOC将电路系统设计的可靠性、低功耗等都考虑在IC设计之中,把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决,使系统工程师可以将精力集中在研究对象领域中的诸问题。SOC理所当然成为微电子领域IC设计的最终目标和现代电子系统的最佳选择。

从上可知,无论从IC工艺条件还是设计能力以及产业需求来说,都已将SOC推到了技术发展的前沿。


研发SOC所涉及的关键技术


SOC作为系统级集成电路,能在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能,将数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上实现一个系统功能。这是一个非常复杂的技术,它的实现主要涉及如下9个方面:

1.深亚微米技术

工艺加工线宽的不断减少,给电路的设计仿真带来了新的挑战。原可忽略的器件模型的二级三级也必须加以考虑。线与线、器件与器件间的相互影响将变得不可忽略。

2.低电压、低功耗技术

线宽的变小,使电源电压也变小,给电路设计与阈值电压提出了新的要求。同时随着集成度的提高,电路功耗也会相应提高,所以必须采取相应措施,以降低功耗。

3.低噪声设计及隔离技术

随着电路工作频率和集成度的提高,噪声影响将变得越来越严重,降噪和隔离技术变得十分重要。对要求较高的电路,用PN结隔离和挖槽还不能达到要求。作为过渡,目前提出了SiP电路(System in Package),即把几个电路封装在一起,多片集成成SOC。

4.特殊电路的工艺兼容技术

SOC工艺技术主要考虑一些特殊工艺的相互兼容性,例如DRAM、Flash与Logic工艺的兼容、数字与模拟的相互兼容等。IP核的集成必须考虑工艺、电参数等条件的相互兼容。

5.设计方法的研究

SOC的出现对设计方法也提出了更高要求。这主要包括设计软件和设计方法的研究和提高,使设计工程师在设计阶段就能正确地仿真出电路系统的全部功能和真实性能指标。

6.嵌入式IP核设计技术

如前所述,SOC是许多嵌入式IP核的集成,所以有许多IP核亟待研究开发,例如Controller、DSP、Interface、Bus及Memory技术等。IP核不仅指数字IP核,同时还包括模拟IP核。模拟IP核通常还含有电容、电感等。同时IP核还分为软核(Soft Core)、硬核(Hard Core)、固核(Firm Core)。

7.测试策略和可测性技术

为了检测设计中的错误,可测性设计是必需的。SOC测试可用结构测试和可测性设计等方法。DFT技术包括内建自测试、扫描测试及特定测试等。

8.软硬件协同设计技术

目前的系统若不包括软件则不成为一个完整的系统,所以SOC应该说是一个软件和硬件整合的系统。系统仿真时必须将软件和硬件结合在一起进行仿真。

9.安全保密技术

该技术涵盖算法和软硬件实现,在通信和金融(例如IC卡)中尤为重要。常用加密算法有DES和RSA等。

这9个方面是进行SOC开发时必须要认真考虑的问题,任何一个忽视,都会在产品的性能和成本方面带来巨大影响。因此,研究开发SOC首先应从市场需要出发,选定一个研究开发的目标,然后从上述9个方面着手考虑,确定SOC系统定义、系统指标,同时反复做系统仿真和不断修正,最后才能确定SOC的体系结构,并最终进行软硬件的开发。


国内SOC技术的发展现状


中国电子信息产业一直保持20%以上的增长率,主要集中在移动通信设备、数据通信设备、计算机及消费产品领域。中国是世界上最大的消费类电子产品的生产国,其中电视机、收录机、电话机、电子手表等产品已占世界第一;手机、软硬驱动器、显示器、计算机板卡等也是世界的主要生产基地。市场的需求决定着需要开发的SOC,考虑到我国电子信息市场的特殊性,即巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖于进口的状况,开发数字家电类SOC已经为国内各大IC设计机构、公司所看好,纷纷投入人力、物力进行这两个方面SOC的研发工作。

国内移动通信类SOC的开发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司,数字家电类SOC的开发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司。

目前,海尔开发出的可产品化的HMD2002芯片集传统MPEG-2芯片组于一身,含有下列成分:MPU、OSD处理器、解扰器、解复用器、MPEG-2视频解码器、音频解码器(Musicam或Dolby Digital)和PAL/NTSC/SECAM数字编码器,主要完成DVB解扰、MPEG-2解复用、MPEG-2解压缩、音视频信号恢复和模拟音视频信号合成编码等信源解码工作。随着进一步研发,将来海尔数字电视SOC芯片将把信道解码部分也包含进去,真正成为数字电视的单芯片解决方案。


结语

SOC是一项综合的系统工程,需要大量的人力和财力的投入,国家应该在产业分工、人才培养、基础理论研究、国外先进技术的引进等方面提供更好的政策扶持,使我国SOC技术的发展,迅速赶上世界先进水平,为我国集成电路产业的整体发展奠定稳定的基础。

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