SOC芯片技术及在安防集成系统中的应用

　　1、概述

　　从1959年美国TI公司发明第一块集成电路（IC）以后，集成电路工艺技术即向着两个方向发展：

　　（1）沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高方向，使得器件特征尺寸从亚微米、深亚微米、超深亚微米（VDSM）到纳米(nm)，并能形成各种结构；

　　（2）沿匀场范围的扩大方向，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（CommutationAverageGrowthRate）每年达到58％。这就是摩尔(Moore)定律指出的三年翻四番。

　　微电子的加工技术已达到这样的程度：能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，已具有了由集成电路(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，有效地缩小了和工艺能力的差距。

　　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，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的出现和普及，使传统电子系统全方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。而SOC技术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，使系统工程师能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。因此，无论从IC工艺条件还是设计能力及产业需求来说，都已将SOC推到了技术发展的前沿。

　　SOC的设计技术始于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。所谓的SOC主要有三个含义：

　　(1)SOC是System-on-a-Chip的缩写，称为系统级芯片，也称片上系统，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；
　　(2)SOC也是Service-OrientedComputing的缩写，即“面向服务的计算”；
　　(3)SOC也是SignalOperationControl的缩写，也称为信号操作控制器。它不是创造概念的发明，而是针对工业自动化现状提出的一种融合性产品。它采用的技术是正在工业现场大量使用的成熟技术，但又不是对现有技术的简单堆砌，是对众多实用技术进行封装、接口、集成，形成全新的一体化的控制器。以前需要一个集成商来做的工作，现在由一个控制器就可以完成，这就是SOC。

　　显然，用英文缩写的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。但SOC多用上面的第1种定义，即为系统级芯片或片上系统。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。

　　所谓SOC技术，就是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。

　　从狭义角度讲，SOC是信息系统核心的芯片集成，是将系统的关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SOC是一个微型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，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一种标准产品。

　　SOC定义的基本内容主要表现在两方面：

　　(1)它的构成。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、与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还要有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA或ASIC实现)以及微电子机械模块；更为重要的是，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。

　　(2)它的形成过程。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利用逻辑面积技术使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。

　　因此，SOC是将信息处理的算法、逻辑电路的结构、各个层次的电路以器件的方式集成在一块芯片上，从而具备整机的功能。这里包括：

　　①算法功能的突破。增加模糊算法、神经元算法以及安全算法。
　　②电路结构突破。因CMOS有很长的生命力，由于引入RF和Flash等又将有新的发展。

　　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、开发研究等。

　　下面再介绍芯片SOC技术的发展现状及其在安防集成中的应用。

　　2、芯片SOC技术的发展现状

　　集成电路(IC)的发展已有40多年的历史，它一直遵循着1965年摩尔提出的规律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2～3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，并促进其它工艺参数的提高。现按此规律，集成电路的基本单元CMOS器件已进入超深亚微米乃至纳米加工时代(即器件的栅长小于50nm)。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芯片等等。

　　世界集成电路大生产目前已经进入纳米时代，全球多条90nm/12英寸生产线用于规模化生产，基于65nm之间水平线宽的生产技术已经基本成形，Intel公司的CPU芯片已经采用45nm的生产工艺。在世界最高水平的单片集成电路芯片上，所容纳的元器件数量已经达到80多亿个。如2006年，单片系统集成芯片的最小特征尺寸0.09μm、芯片集成度达2亿以上个晶体管、芯片面积520mm2、7～8层金属连线、管脚数4000个、工作电压0.9～1.2V、工作频率2～2.5GHz，功率160W。到2010年，己提高到0.07μm的水平。而硅IC晶片直径尺寸，如2000年～2005年己从200mm转向300mm，2006～2010年又转向到400mm。单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况如表1所示。 

　　表1、单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况

　　整个半导体工艺技术的发展随着晶体管栅长及光刻间距持续地缩小，使得芯片能够在面积越来越小的同时，获得较快的运行速度，同时也使得一个晶圆所能产出的芯片数目越来越多，大幅提高晶圆工艺的生产力。整个半导体工艺技术的发展仍是呈现持续加速的状态，特别是在DRAM、MPU等领域，而光刻等微细加工技术则呈现出稳定的发展。

　　在集成电路设计中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占集成电路设计的90%以上。正因为硅集成电路设计的重要性，各国都很重视。目前，产业链的上游仍被美国、日本和欧洲等国家和地区占据，设计、生产和装备等核心技术也由其掌握。

　　以集成电路为核心的电子信息产业目前超过了以汽车、石油和钢铁为代表的传统的工业而成为第1大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%，现代经济发展数据表明，每l～2元集成电路产值，带动10元左右电子工业产值的形成，进而带动100元GDP的增长。发达的国家国民经济总产值增长部分的65%目前与集成电路相关。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路日益成为经济发展的关键、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

　　随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟与应用领域的不断扩大，不同类型的集成电路相互镶嵌，形成了各种嵌入式系统(EmbeddedSystem)和片上系统(SystemonChip即SOC)技术，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)过渡中，“硅知识产权(IP)模块”和“软、硬件协同设计”技术兴起，可以将一个电子子系统或整个电子系统“集成”在一个硅芯片上，以完成信息加工与处理的功能。如1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SOC，可能就是基于IP(IntellectualProperty)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，其技术特点是：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具有的优势是，能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。

　　众所周知，“IC”(IntegratedCircuit)是集成电路的最早定义，它出现于上世纪70年代，如集成电路74系列、4000系列诸逻辑器件等，它属于功能级芯片；后十年左右出现了“ASIC”(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，即具有某种特定功能的集成电路、立体声解码、维特比纠错芯片等，属于专业级芯片；到90年代后出现了直接使用系统芯片开发产品，即呈爆炸性发展的“SOC”，属于系统级芯片：再后至本世纪初“SIP”(SystemInPackage)、“MCP”(MultiChipPackage)已出现在越来越多的场合，即针对产品开发产品芯片，因而“SIP”属于产品级芯片，是SOC的一种延伸。

　　因此，“IC”--“ASIC”--“SOC”--“SIP”是现代电子系统设计的发展标志。

　　所谓SIP是指将系统所需不同SOC及其配置芯片的裸die绑定连接后再封装，需要具备SOC及SOC以外的系统设计能力。如图1所示。 

　　图1、用不同SOC及其配置芯片5层绑定的SIP实物像片

　　如某集成电路暨系统集成公司，在研发完成64bitCPUSOC后，又斥巨资以SIP技术实现了单芯片系统集成，单芯片内除计算机各部功能外，内置数Gb的RAM、Flash、显示功能core；同时将Windows操作系统以及应用软件也实现了芯片内置。下一步的发展目标是将64bitCPU系统、GPRS(CDMA)系统、图像芯片整合为一颗芯片。