什么是SOC

soc

　　 SoC技术的发展

　　集成电路的发展已有40 年的历史，它一直遵循摩尔所指示的规律推进，现已进入深亚微米阶段。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入超深亚微米乃至纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等。在未来几年内，上亿个晶体管、几千万个逻辑门都可望在单一芯片上实现。 SoC ( System - on - Chip)设计技术始于20世纪90年代中期,随着半导体工艺技术的发展, IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上, SoC正是在集成电路( IC)向集成系统( IS)转变的大方向下产生的。1994 年Motorola发布的Flex Core系统(用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器)和1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SoC,可能是基于IP ( Intellectual Property)核完成SoC设计的最早报导。由于SoC可以充分利用已有的设计积累,显著地提高了ASIC的设计能力,因此发展非常迅速,引起了工业界和学术界的关注。

　　SOC是集成电路发展的必然趋势，1. 技术发展的必然2. IC 产业未来的发展。

　　 SoC基本概念

　　SoC的定义多种多样,由于其内涵丰富、应用范围广,很难给出准确定义。一般说来, SoC称为系统级芯片,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。同时它又是一种技术,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。从狭义角度讲,它是信息系统核心的芯片集成,是将系统关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲, SoC是一个微小型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的,或是面向特定用途的标准产品。

　　SoC定义的基本内容主要表现在两方面:其一是它的构成,其二是它形成过程。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、和外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块,对于一个无线SoC还有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块,更重要的是一个SoC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面:

　　1) 基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;

　　2) 再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例有效提高即开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等;

　　3) 超深亚微米(UDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。

　　SoC设计的关键技术

　　具体地说, SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等,此外还要做嵌入式软件移植、开发研究,是一门跨学科的新兴研究领域。图1是SoC设计流程的一个简单示意图。

　　（图一）

　　 SoC的发展趋势及存在问题

　　当前芯片设计业正面临着一系列的挑战,系统芯片SoC已经成为IC设计业界的焦点, SoC性能越来越强,规模越来越大。SoC芯片的规模一般远大于普通的ASIC,同时由于深亚微米工艺带来的设计困难等,使得SoC设计的复杂度大大提高。在SoC设计中,仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节,约占整个芯片开发周期的50%～80% ,采用先进的设计与仿真验证方法成为SoC设计成功的关键。SoC技术的发展趋势是基于SoC开发平台,基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法,分享IP核开发与系统集成成果,不断重整价值链,在关注面积、延迟、功耗的基础上,向成品率、可靠性、EMI 噪声、成本、易用性等转移,使系统级集成能力快速发展。

　　 SOC技术的特点

　　半导体工艺技术的系统集成

　　软件系统和硬件系统的集成

　　SOC具有以下几方面的优势，因而创造其产品价值与市场需求：

　　降低耗电量

　　减少体积

　　增加系统功能

　　提高速度

　　节省成本

　　民用航空 SOC 系统

　　南航筹建SOC系统的想法起始于1994年，公司上层领导通过对一些发达国家航空公司的考察，认为实施SOC系统，可以对航空公司的飞行运作进行集中式的实时动态管理，提高公司运营效率，降低飞行运作成本，保障安全生产，促进优质服务，为领导决策提供快速准确的飞行信息，是南航公司走向现代化管理、建设大型企业集团的必要条件。经过两年多的准备，1997年7月1日，南航公司正式启动了该系统。

　　引入的SOC系统主要包括5大应用模块：飞行计划、飞行跟踪、动态控制、配载平衡和机组管理。黄敏先生形象地比喻SOC就象是航空公司飞行运作方面的大管家，听过他对系统的详细介绍，不仅可以对每个模块的功能了然于心，也可以对航空公司的飞行运作有个大致的了解。

　　南航SOC系统首先建成并投入使用的是飞行计划子系统，意即按照飞机所飞航线做出实时的飞行计划。过去国内的航班都按照冬夏两季制定两套固定的飞行计划，但是因为每天天气情况不同、飞机状况不同、飞机的载量不同以及所飞航路高度层的变化，所以飞机的加油量也应该有所不同，否则就会造成很大浪费，飞行计划模块就是通过对这些信息的优化，根据实时的航路高空气象数据，按照最省油、最短飞行时间、最优航路、最优业载等标准，制作飞行计划书，达到降低飞行直接成本（燃油）、提高飞机利用率的目的。

　　飞行计划子系统的投入使用也结束了国内航空公司不能制定实时飞行计划的历史。现在，不论国内还是国际的飞行计划，南航公司都可以自己完成。而且，飞行计划的启动也带动了整个航空公司基础信息设施的建设。

　　动态控制子系统的功能是用进程图的方法显示航班的运行状况，对飞机误点、机组没有按时签到等各种可能出现的问题进行探测或及时警告。过去的航班调配主要靠人想，使用这套系统后，就可以在航班延误、取消或其他各种情况发生的时候，以一种科学的方法把所调配飞机对后继航班所造成的影响直观地显现出来，通过各种调整进行比较，最后选择一种成本最优的方案进行实施。这套系统已在1999年5月18日投产。

　　飞行跟踪子系统就是向签派员显示所管理航班的实时飞行动态。以往飞机离开地面就与航空公司失去了联系，一直到落地才知道飞机状况。通过飞行动态跟踪系统，就可以实时掌握飞行动态，如果出现问题，提前做出飞行预案。

　　配载系统是从民航订座、离港、货运系统中获取南航航班的乘客量、货运量等业载数据，结合机载油量，按照每种机型最大允许起飞重量、着陆重量、无油重量以及重心范围等条件，预先给货运部门提供最大容许载重限量，在航班值机关闭后，快速计算出符合安全要求的载重平衡点，以最大限度降低耗油量，优化负载率。

　　机组管理子系统主要负责航线配对和机组排班。以往飞行员的排班都采用手工进行，不能合理均匀的安排飞行员的飞行时间，而且人工排班也只能制定10天的旬计划。采用这套系统，根据航班的长期计划、根据民航有关的飞行条例以及飞行员乘务员的训练计划，可以自动生成覆盖所有航班的航线组，并且可以根据机组状况结合各种动态、静态因素，自动排出执行飞行任务的航线组。通俗地说，飞行员就可以实施长线飞行排班计划，在安全的前提下，充分利用飞行员的飞行小时限额，提前6个月做出机组排班计划。

　　飞行跟踪、配载系统、机组管理三个子系统以及其他一些相应的配合系统目前尚处在安装、测试阶段，预计都将在2000年初投入运营。