《微电子学概论》第七章系统芯片SOC设计

1、系统芯片系统芯片(SOC)(SOC)技术技术世界集成电路设计技术发展现状世界集成电路设计技术发展现状世界集成电路加工工艺水平为世界集成电路加工工艺水平为0.130.13微米，正在微米，正在向向0.090.09微米、微米、1212英寸加工工艺过渡英寸加工工艺过渡系统芯片（系统芯片（System-on-ChipSystem-on-Chip）正在成为集成电）正在成为集成电路产品的主流路产品的主流超大规模集成电路超大规模集成电路IPIP复用（复用（IP ReuseIP Reuse）和硬软）和硬软件协同设计水平日益提高件协同设计水平日益提高集成电路设计业、制造业、封装业三业并举，集成电路设计业、制造业、

2、封装业三业并举，相对游离相对游离设计工具落后于设计水平设计工具落后于设计水平SOC-摆脱IC设计困境的途径 功能越来越复杂，一个团队不可能从每一个晶体管设计开始，必须用第三方的IP核 多个芯片在I/O上会增加功耗，SOC方法可降低功耗 产品的生命周期越来越短，制版费用越来越贵，芯片必须可以重构，以延长其生命周期，并且，产品的上市时间的压力，要求快速开发 深亚微米设计的问题，时序收敛更加困难 芯片复杂度增加，使得验证更加困难集成电路发展成系统芯片（集成电路发展成系统芯片（SOCSOC）分分立立元元件件集成集成电路电路IC系统芯片系统芯片System On A ChipSystem On A Ch

3、ip（SOCSOC）ICIC的速度很高、功耗很小，但的速度很高、功耗很小，但PCBPCB板板中的连线延时、噪声、可靠性以及中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法性能日重量等因素的限制，已无法性能日益提高满足整机系统的要求益提高满足整机系统的要求ICIC设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，ICIC规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个芯片上集成芯片上集成10109 9-10-101010个晶体管个晶体管在需求牵引和技术在需求牵引和技术推动的双重作用下推动的双重作用下将整个系统集成在将整个系统集成在微电子芯片上微电子芯片上OUTLINE系统芯片的基本概

4、念和特点系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势SOC是什么？SOC（System on a Chip),系统芯片，片上系统，单芯片系统。一种实现复杂系统功能的超大规模集成电路系统芯片SOC不仅包含复杂的硬件电路部分，而且还包含软件部分复杂硬件电路一般内含一个和多个芯核（特指微处理器MPU、微控制器MCU或数字信号处理器DSP等作为软件执行载体的特殊IP），而且在设计中大量复用第三方的IP核一般采用超深亚微米工艺技术实现系统芯片系统芯片SOCSOC结构示意图结构示意图nASIC(Application Specific Integrated C

5、ircuits) 设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以IP 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片n将一个系统的多个ICIC集成在一个芯片上可以提高系统性能、减小尺寸、降低成本系统芯片SOC封装内的系统（封装内的系统（System in PackageSystem in Package，SIPSIP）将组成系统的几个不同工艺集成电路封装在一起n早期的SOCSOC概念 仅限于集成计算引擎、存储器及逻辑电路n目前的SOCSOC 集成多种功能电路，可满足不同的系统应用的需要 如手机、数码相机、MP3MP3播放机、DVDDVD播放机蓝牙技术是一种无线数据和语音通

6、信的全球标准，基于低成本短距离无线连接。包括微处理器、存储器、RFRF电路、数字基带处理器、模拟和数字接口、多种音频和数据接口等蓝牙蓝牙SOCSOCnSOCSOC设计与目前集成电路设计的区别：采用IPIP核进行设计，提高设计产能软硬件协调设计可集成不同类型的功能模块，如逻辑、模拟、光电、生物电等。需要更高的设计验证采用超深亚微米（VDSMVDSM）技术需要一个或多个嵌入式CPUCPU和DSPDSP对设计人员的要求高具有可从外部对芯片进行编程的功能SOCSOC的实现方式：的实现方式：其一是增加通用其一是增加通用MPUMPU的功能和性能，并在片上集的功能和性能，并在片上集成较大的成较大的Cache

7、Cache、DROMDROM和和I/OI/O。其二是设计专用芯片，专用芯片可以大大提高其二是设计专用芯片，专用芯片可以大大提高芯片的面积利用率，从而减低成本。芯片的面积利用率，从而减低成本。一种基于一种基于CPUCPU和和DSP CoreDSP Core的的SOCSOC混合实现方式可混合实现方式可以在集成度和通用性两方面兼顾，如以在集成度和通用性两方面兼顾，如HPHP和和SUNSUN的的多媒体工作站都把多媒体工作站都把MPEGMPEG的图象压缩、的图象压缩、MODEMMODEM、FAXFAX和音频处理，同时集成在和音频处理，同时集成在SOCSOC中。中。SOCSOC的技术瓶颈在于：的技术瓶颈在

8、于：1)EDA1)EDA工具的能限，工具的能限，EDAEDA工具总是赶不上工艺的发展。工具总是赶不上工艺的发展。2)IP2)IP模块的兼容性：各种模块的兼容性：各种IPIP模块综合时，很难得到最模块综合时，很难得到最佳的速度、面积和时序预测。也缺少统一的虚拟模块佳的速度、面积和时序预测。也缺少统一的虚拟模块界面标准。界面标准。3)3)深亚微米带来的挑战：短沟道效应、金属层之间的深亚微米带来的挑战：短沟道效应、金属层之间的交叉效应以及模块间的信号规整度都对性能影响极大。交叉效应以及模块间的信号规整度都对性能影响极大。4 4）测试、封装和散热的困难。）测试、封装和散热的困难。OUTLINE系统芯片

9、的基本概念和特点SOCSOC的设计过程的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势SOCSOC的设计过程的设计过程OUTLINE系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOCSOC关键技术及目前面临的主要问题关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势SOCSOC关键技术关键技术n软硬件协同设计：传统设计以硬件为主, SOC设计中不仅有复杂硬件设计，还要考虑软件nIP核技术：IP核的设计和复用n超深亚微米技术软硬件协同设计n划分理论：符合系统要求、符合实现代价约束的硬件和软件架构，使代价最小，性能优化 仍在发展中n系统描述语言：定义系统级软件描述及硬件描述 传统的HDLHDL语

10、言，与软件设计语言不一致，难以将软件和硬件连接在一起进行协同的设计、验证n从软件语言上发展起来，可以对硬件建模，考虑硬件中的并行性、时间概念、重新启动机制等 n出现背景：设计复杂度高，需要进入市场的时间短n进行设计复用：采用前人成功的经验和设计成果例：处理器内核的复用可以使设计人员从繁重的处理器设计中解脱出来，更加关注于系统功能的实现和系统性能的提高IP核设计技术IP核是什么？IP（Intellectual Property）：知识产权1）有独立功能的、经过验证的集成电路设计；2）为了易于重用而按嵌入式要求专门设计的；3）面积、速度、功耗、工艺容差上都是优化的；基于基于IPIP复用的复用的SO

11、CSOC设计设计计算引擎类:RISC:RISC（MIPS, ARMMIPS, ARM）和x86 CISCx86 CISC通信类: TI, LUCENT, ADI, MOTOROLA: TI, LUCENT, ADI, MOTOROLA的OAKOAK和PINEPINE核(DSP)(DSP)、MCUMCU嵌入式存储器类混合信号类：数模混合IPIP其它类型：如调制/ /解调，数据压缩，加密，语音编码，ISDNISDN，USBUSB等IPIP核的分类n按照应用种类划分IPIP核的分类n按照描述和实现形式划分软IP硬IP固IP特点：以HDLHDL描述；性能通过时序模拟验证，不依赖于工艺和实现技术，可复用

12、性高，可将软核映射到自己的工艺上；问题：价格高，提供者不多；用于问题：价格高，提供者不多；用于SOCSOC设计设计时需要很多的设计投入；风险大；是否可以时需要很多的设计投入；风险大；是否可以结合任一工艺库进行综合仍是问题结合任一工艺库进行综合仍是问题特点：以版图形式描述；性能和面积经过优化；经过工艺流片验证；当用于SOC设计时所需设计投入较少；安全性较高问题：与工艺有关，在具体物理功能和性能方面难以修改；与工艺的相关性使电路其他部分的设计也需要使用该工艺特点：以网表描述；经过了FPGAFPGA硬件验证；时序特性经过严格检验，只要保证布局布线中关键路径的寄生参数不引起时序错误就可以保证芯片设计的

13、正确性。问题：与工艺相关限制了其使用范围；网表的难读性使发生时序错误难以修改n第三方IPIP供应商例：ARMARM（advanced RISC Machinesadvanced RISC Machines）,Rambus,Rambus公司：着重一种高度优化的硬IPIP开发 Virtual Chips, Mentor GraphicsVirtual Chips, Mentor Graphics：提供软IPIP库n 各公司自己开发IPIPFOUNDRYFOUNDRY代工厂代工厂EDAEDA工具开发商工具开发商IPIP核供应商核供应商单元库开发商单元库开发商ASICASIC设计公司设计公司.ICSO

14、C20世纪90年代基于IP复用的SOC设计n系统芯片SOC一般采用基于核设计，它是指将一个系统按功能划分成若干模块，然后直接利用第三方设计好的IP核，并将他们集成为一个具有特定功能芯片的过程。n基于核设计的核心就是复用IP核。nIP核复用绝不等同于集成电路设计中的单元库的使用，不是一些IP核的简单堆砌，还包含IP核测试复用。n为了实现IP核的测试复用，需要在结构上进行精心设计IPIP核复用技术核复用技术IPIP核复用技术核复用技术IP核生成IP核的复用IP核保护比ICIC设计更为严格完整的文件化：需要给出规格说明、设计描述、测试方案nIPIP核核复用IPIP选择：目前可供选择的好的IPIP还有

15、限IPIP集成不是IPIP核的简单堆砌，会出现一些问题，尤其接口和时序问题、信号完整性、功耗等问题不同电路之间的兼容问题：模拟及混合信号、射频等不同类型电路的集成要求不同 EDAEDA工具还需发展n由于不同类型电路集成在一起，验证工作变得十分困难n 数字电路、模拟电路、存储器电路的验证n 混合电路仿真模拟n 时延、功耗、信号完整性的验证以及后仿真SOCSOC验证验证nIP核的测试(core-level test) 完成对独立IP核的测试nIP核的测试访问(core test access) 完成对IP核提供测试激励，并将测试响应从IP核中输出nIP核测试外壳(core test wrapper

16、) 提供嵌入的IP核与其SOC环境交互的接口SOCSOC测试测试SOCSOC中中IPIP核的测试核的测试n天线效应（antenna effect） 电荷聚集在金属线上n电迁移效应（electromigration effect） 电荷的移动引起断路n信号的完整性(signal integrity) 电路中信号产生正确响应的能力SOCSOC的物理设计考虑的物理设计考虑OUTLINE系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOCSOC的发展趋势的发展趋势系统集成提高设计产能涵盖不同技术用IPIP核复用SOCSOC的发展趋势的发展趋势n系统芯片进行混合技术设计，包括

17、高性能或低功耗逻辑、嵌入式DRAMDRAM、模拟、射频等技术的集成。广义的SOCSOC还可以包括微机电系统(MEMS)(MEMS)、光输入/ /输出等它对微电子技术的推动作用不亚于自2020世纪5050年代末快速发展起来的集成电路技术2121世纪将是SOCSOC快速发展的时代，将成为市场的主导，加速电子产品的更新换代 随着需求的不断发展，专家预测，以硅技术为基础的集成电路产业还至少将发展1 12 2个世纪。n系统芯片(SOC)(SOC) 是微电子设计领域的一场革命, ,改变传统的ICIC设计思路和设计方法; ;促进整机系统的发展，带来革命性变化SOC和IC的关系IC和分立元器件的关系类似未来的

18、方向1: 封装内的系统（SIP）1 基于不同工艺的技术，如砷化镓、锗硅、或硅管芯，无论是逻辑电路、存储器、RF、模拟还是数字电路，都可以装配在同一封装中，并满足热学、电学和机械性能；2 不同尺寸的工艺，如180纳米65纳米的管芯可以在一个封装内并存；3 其他技术，如MEMS、光电、视频器件都可以集成在同一个SIP内。 未来的方向1: 封装内的系统（SIP）4 不同的互连技术，如引线键合、倒装焊、都可以用于同一个封装内；5 其他无源器件如天线、不平衡变压器、滤波器、散热器、谐振器、连接器和屏蔽器等都可以制作在同一个封装内；6 OEM产品的修改和升级可以通过换用新的管芯来实现。 未来的方向2:可编

19、程的SOC 在传统的SOC中集成一片可编程的逻辑，成为可配置的架构 （FPGA SOC）；SOCSOC在推进人类社会信息化进程地同时，也推动微电子学科自身在推进人类社会信息化进程地同时，也推动微电子学科自身的发展。的发展。 2121世纪世纪“半导体集成化芯片系统基础研究半导体集成化芯片系统基础研究” 的一个重的一个重要发展方向，即由集成电路要发展方向，即由集成电路(IC)(IC)向集成系统向集成系统(IS) (IS) 的转变。的转变。SOCSOC的实现还面临许多挑战：的实现还面临许多挑战：传统传统ICIC设计与工艺制造的差距正在拉大，设计与工艺制造的差距正在拉大，EDAEDA工具能提供的年增长

20、工具能提供的年增长率仅为率仅为2121，而按，而按MooreMoore定律发展的制造能力年增长率定律发展的制造能力年增长率5858。验证、测试和设计的差距也在拉大，验证一个复杂系统设计的正确验证、测试和设计的差距也在拉大，验证一个复杂系统设计的正确性和测试工艺的缺陷，使之对性和测试工艺的缺陷，使之对EDAEDA工具的计算能力的要求难以承受工具的计算能力的要求难以承受只有及时开展只有及时开展SOCSOC设计自动化方法的基础研究，建立新的设计自动化方法的基础研究，建立新的SOCSOC设计设计与测试方法学，才能弥补这一差距。与测试方法学，才能弥补这一差距。 SOCSOC的设计的专业化水平越来越高，促

21、成了设计平台的前端越的设计的专业化水平越来越高，促成了设计平台的前端越来越依赖系统，设计平台的后端越来越依赖工艺：来越依赖系统，设计平台的后端越来越依赖工艺：前端是一个建立系统级描述、验证的仿真平台：前端是一个建立系统级描述、验证的仿真平台：要有对市场需求快速反应的专业背景要有对市场需求快速反应的专业背景要有丰富的可重用的要有丰富的可重用的(IP)(IP)设计资源设计资源软、硬件的协同设计的能力软、硬件的协同设计的能力管理设计的经验和团队合作精神管理设计的经验和团队合作精神后端是一个高效、可靠的实现设计的工艺环境：后端是一个高效、可靠的实现设计的工艺环境：稳定的工艺流程稳定的工艺流程( (人员

22、和素质人员和素质) )丰富的经工艺验证过的固核丰富的经工艺验证过的固核灵活的代工方式灵活的代工方式( (如如MPWMPW支持等支持等) )制造、测试和封装一体化的服务制造、测试和封装一体化的服务1 1、SOCSOC集成方法学研究的对象：集成方法学研究的对象：信息处理算法和协议到信息处理算法和协议到SOCSOC的结构映射：建立软、硬件的结构映射：建立软、硬件设计的统一框架、公共母线，处理好数据流、控制流和设计的统一框架、公共母线，处理好数据流、控制流和地址流。地址流。芯核及其可复用性和可嵌入性：以芯核及其可复用性和可嵌入性：以MPUMPU和和DSPDSP为核建立为核建立RTOSRTOS支持的支持

23、的GPIOGPIO，实现，实现MidWareMidWare支撑的支撑的APIAPI高性能、低功耗电路与系统：这是实现无线、可移动多高性能、低功耗电路与系统：这是实现无线、可移动多媒体系统的便携电子产品的关键媒体系统的便携电子产品的关键新型定时系统与异步系统新型定时系统与异步系统模拟、射频及混合信号集成电路模拟、射频及混合信号集成电路2 SOC2 SOC的综合、验证与测试理论的综合、验证与测试理论的研究内容：研究内容：芯片系统的行为表示理论：预估功耗、互连线延时、噪声、芯片系统的行为表示理论：预估功耗、互连线延时、噪声、可靠性等可靠性等SOCSOC的高层次抽象模型和结构化表示理论。的高层次抽象模

24、型和结构化表示理论。互连线的建模、仿真与线网综合：以互连线为中心的模式互连线的建模、仿真与线网综合：以互连线为中心的模式需要研究互连线的建模与快速仿真方法，以及时钟线网和需要研究互连线的建模与快速仿真方法，以及时钟线网和电源线网的仿真和综合。电源线网的仿真和综合。与物理层相关的系统综合：当互连线决定了芯片延迟性能与物理层相关的系统综合：当互连线决定了芯片延迟性能时，融合系统综合和布局综合可解决设计不收敛的难题。时，融合系统综合和布局综合可解决设计不收敛的难题。从行为级到版图级的验证与测试生成：复杂度使验证和测从行为级到版图级的验证与测试生成：复杂度使验证和测试生成占试生成占SOCSOC设计时间

25、的设计时间的50%50%以上，必须研究新型故障模型以上，必须研究新型故障模型的建模和故障模拟技术。的建模和故障模拟技术。SOCSOC的可测试性设计：的可测试性设计：SOCSOC中器件数与引脚数的比率大大提中器件数与引脚数的比率大大提高，如何保证高，如何保证SOCSOC的可测试性成为严峻的挑战。的可测试性成为严峻的挑战。3 3、用于、用于SOCSOC的集成微传感系统的集成微传感系统微观声、光、热、力、电耦合与等效分析微观声、光、热、力、电耦合与等效分析微结构动力学建模分析：研究微观输运机制与非线性效微结构动力学建模分析：研究微观输运机制与非线性效应对微传感器敏感结构的响应的影响。应对微传感器敏感结构的响应的影响。集成微传感器、阵列芯片和分析系统：集成微传感器、阵列芯片和分析系统：研究微传感器及其预处理电路的集成技术研究微传感器及其预处理电路的集成技术微传感器阵列形成与信号时空预处理能力。微传感器阵列形成与信号时空预处理能力。微传感与集成电路的兼容性：微传感与集成电路的兼容性：集成工艺的兼容性和微结构与集成电路的兼容技术。集成工艺的兼容性和微结构与集成电路的兼容技术。解决微传感器与数字解决微传感器与数字CMOSCM