SOC技術概述

半導體核心技術的發(fā)展推動SOC時代的到來
SOC特點
SOC對產(chǎn)業(yè)所產(chǎn)生的巨大沖擊
SOC面臨的商業(yè)挑戰(zhàn)
SOC面臨的技術挑戰(zhàn)
SOC設計技術簡介
SOC設計過程的質(zhì)量保證

半導體核心技術的發(fā)展推動SOC時代到來
系統(tǒng)級芯片(System on Chip) SOC可定義為具備完整系統(tǒng)構架與功能的晶片，其構架包含可執(zhí)行控制/運算或信號處理功能的處理器、記憶體、周邊電路及系統(tǒng)IP特定邏輯電路。
20世紀90年代后期，隨著半導體加工技術跨人深亞微米時代，可提供晶體管門電路在百萬以上的設計和加工能力，使SOC的概念有了實現(xiàn)的可能。

作為ASIC(Application Specific IC)設計方法學中的新技術，SOC始于20世紀90年代中期。

1994年Motorola公司發(fā)布的Flex CoreTM系統(tǒng)(用來制作基于68000TM和PowerPCTM的定制微處理器)和1995年LSI Logic公司為SONY公司設計的SOC，是基于IP(Intellectual Property)核完成SOC設計的最早報道。由于SOC可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高ASIC的設計能力，因此發(fā)展非常迅速。
進入21世紀，標志著ASIC設計時代結束，嶄新的SOC時代的到來。

為了適應科技發(fā)展和市場競爭的需要，系統(tǒng)設計者不斷尋求更短的上市時間，更高的性能和更低的成本，所有這些都是推動SOC需求的主要因素。世界SOC市場1998年只有57億美元，而到2003年已經(jīng)達到了265億美元，市場保持36％的年增長率。

作為IC設計技術和未來市場的走向，SOC也逐漸受到了國內(nèi)IC行業(yè)的重視。

SOC技術的特點
半導體工藝技術的系統(tǒng)集成

軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的集成
SOC具有以下幾方面的優(yōu)勢，因而創(chuàng)造其產(chǎn)品價值與市場需求：

降低耗電量
減少體積
增加系統(tǒng)功能
提高速度
節(jié)省成本

SOC對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的巨大沖擊 ????????????????????????????? 一. 從產(chǎn)品邁向解決方案
以前，IC產(chǎn)業(yè)者可以單憑系統(tǒng)中特定功能的離散IC，如微處理器、周邊IC或界面IC，在市場上創(chuàng)造不錯的業(yè)績。

一旦跨入SOC時代，單一SOC便可含括某一特定應用的完整系統(tǒng)功能，此產(chǎn)品趨勢將導致市場領域的細化與業(yè)者間的跨界競爭。

SOC對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的巨大沖擊 ????????? 二. 系統(tǒng)業(yè)者/IC產(chǎn)品業(yè)者分工模式的改變
SOC會促使系統(tǒng)產(chǎn)品硬件規(guī)劃的附加價值，由系統(tǒng)業(yè)者端向IC產(chǎn)品業(yè)者端移動。

對系統(tǒng)業(yè)者而言，以硬件設計與組裝來降低生產(chǎn)成本或增加性能與功能的能力將為之減弱，所以必須靠其他要素來維持自身附加價值。除了可強化品牌/通路外，產(chǎn)品本身的優(yōu)勢則將轉進至IC功效的發(fā)揮或應用軟件的支援。
對IC產(chǎn)品業(yè)者而言，在供應鏈中的附加價值等可進一步提升，更有機會在供應鏈間利潤重分配的過程中取得主動權。而供應鏈中IC產(chǎn)品業(yè)者與終端消費者間的距離亦將得以壓縮。

此外，在系統(tǒng)業(yè)者與IC產(chǎn)品業(yè)者分工模式改變的情況下，系統(tǒng)業(yè)者內(nèi)部研發(fā)資源亦將逐步向IC產(chǎn)品業(yè)者流動。

SOC對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的巨大沖擊 ????????????? 三. 供應鏈各部門間聯(lián)盟合作之風盛行
由于打造SOC需要軟件、硬件、IC設計、IC制造、封裝、測試、半導體設備、IP、IC設計服務與EDA業(yè)者間價值活動的整臺方得以實現(xiàn)，其牽連到的各產(chǎn)業(yè)部門非常廣泛，且單一部門／業(yè)者往往無力于公司內(nèi)部建置所有資源，而必須向外取得，因此跨各產(chǎn)業(yè)部門間的聯(lián)盟合作將頗為盛行。

由于IC產(chǎn)品業(yè)者由于無法接觸到“終端客戶”，對系統(tǒng)需求的掌握度往往不夠精確，因此促使IC產(chǎn)品業(yè)者與系統(tǒng)業(yè)者結盟，共同進行產(chǎn)品定義，以使SOC產(chǎn)品能在市場上獲得成功。

SOC對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的巨大沖擊 ??????????????????????????????????? 四.晶圓制造的生態(tài)變動
SOC對晶圓制造的生態(tài)分布將造成莫大打擊。

目前晶圓制造業(yè)者可分為晶圓代工、邏輯/非揮發(fā)性記憶體IDM廠、DRAM廠等族群，各族群有著不同的核心能力。

SOC則適于晶片內(nèi)整合不同的功能線路區(qū)塊，此產(chǎn)品的改變打破了傳統(tǒng)制程上、產(chǎn)品上的分別，乃至晶圓制造族群間的界限，各族群將由自身核心競爭力出發(fā)，尋求最有利于自己的SOC產(chǎn)品定義方式，規(guī)劃一條自目前產(chǎn)業(yè)位置至SOC時代的演化之路，并期待能在跨族群的競爭下?lián)屨忌巷L。

SOC對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生的巨大沖擊 ??????????????????????????????????? 五. IC業(yè)的虛擬再集成

今天IC業(yè)和許多構成IC業(yè)價值鏈的焦點專業(yè)分層，將繼續(xù)沿著已經(jīng)走了十幾年的分工之路走下去，即從垂直結構逐步向水平結構過渡。這種分工促進了SOC技術的成長，縮短了上市周期，降低了芯片造價，提高了經(jīng)營效率。

分工的發(fā)展經(jīng)歷了兩個階段：第一個階段是20世紀80年代后期的設計與加工分離。在這個階段，從事設計的無生產(chǎn)線（Fabless）公司銷售產(chǎn)品，但不擁有加工條件；而加工公司專門提供加工服務。負擔著芯片加工設施大量開支的加工公司，基本上可以不用面對產(chǎn)品公司跨入IC業(yè)時所面臨的風險。

第二個階段是20世紀90年代末獨立lP供應商的出現(xiàn)。SOC技術的復雜度很高，大大加重了設計負擔，于是，產(chǎn)生了對驗證好的第三方IP核的需求，以簡化多功能芯片的設計。在這個階段，加工公司再提供IP硬核，以及加速經(jīng)過驗證的IP核向更小幾何尺寸移植等方面扮演著重要的角色。因此，加工公司處于未來開放式IP時代的焦點，將促進系統(tǒng)設計、IC設計、第三方IP和電子設計自動化等這些商業(yè)增值活動的虛擬再集成。
SOC趨勢將進一步加速分工的進化。分析家預測，設計服務和IP將成為分工的主旨，然后是純粹的加工。第三方IP供應商將為無生產(chǎn)線公司、集成器件制造商和系統(tǒng)設計公司進一步減少進入市場和縮短上市周期方面的種種障礙。
分工進化有幾個主要的推動力量：

第一，使用委托加工是進入IC業(yè)的一個低風驗、很有競爭力的途徑。使用加工服務，無生產(chǎn)線公司進入市場時，沒有加工工廠的沉重經(jīng)濟負擔。而且，IC業(yè)也經(jīng)歷反復的商業(yè)周期。在衰退期時，使用加工的IC公司有低得多的固定成本，會更有競爭力；

第二，SOC趨勢大大增加了設計復雜度，促使無加工線公司和集成器件制造商專注于它們的核心競爭產(chǎn)品：高層次設計和IP。
分析家預測新的IP時代要經(jīng)歷一個根本的改變。這個改變是系統(tǒng)開發(fā)和IC芯片開發(fā)將按職能劃分為兩部分：

一個將專門進行IP核設計

另外一個專門進行系統(tǒng)級集成
IC業(yè)的分工繼續(xù)發(fā)展，它將從一個垂直結構變成由各個專業(yè)分層構成的水平結構。這種轉變又產(chǎn)生了再集成為另外一個商業(yè)模型的要求，由EDA工具、庫、IP核、加工等公司構成的一個緊密的相互聯(lián)系的網(wǎng)絡，要比分層關系有更高的生產(chǎn)率。尤其是在深亞微米設計中，這種強有力的網(wǎng)絡保證了設計平臺高性能、產(chǎn)品周期更短。各供應商的緊密伙伴關系為用戶提供了一個完整的解決方案。在這種關系中，委托加工是核心，也是SOC發(fā)展關注的焦點，是這種虛擬再集成的組織者。無論是IP的開發(fā)、授權、SOC的加工和驗證，都是圍繞委托加工來進行的。

SOC所面臨的商業(yè)挑戰(zhàn)

過去，半導體業(yè)者僅需掌握生產(chǎn)終端產(chǎn)品的系統(tǒng)廠商的需求，SOC的趨勢加使IC產(chǎn)品業(yè)者必須開始傾聽終端產(chǎn)品使用者的心聲，方能在產(chǎn)品規(guī)格與開發(fā)速度上符合市場需求。但IC產(chǎn)品業(yè)者并沒有真正接觸終端客戶的管道，這是產(chǎn)品開發(fā)上的一大挑戰(zhàn)。
在產(chǎn)品規(guī)劃時，系統(tǒng)公司規(guī)劃的是下一周期的市場，從確認需求和規(guī)格，到開發(fā)產(chǎn)品，乃至銷售至市場，這樣一周期通常至少需要一年多的時間，而IC公司則必須提早看2個周期后的市場，方能及時完成設計。因此，從選好系統(tǒng)客戶，拿下設計訂單，直到等客尸完成產(chǎn)品開發(fā)，系統(tǒng)產(chǎn)品銷售至市場，IC產(chǎn)品出貨量才能提升，所以IC公司必須早三、四年預測市場，而對SOC來說，要掌握足夠的系統(tǒng)Know-How，并看到未來的市場，會是難度極高的挑戰(zhàn)。
SOC是市場導向、應用導向的IC產(chǎn)品，在許多領域中產(chǎn)品生命周期較短，但SOC的開發(fā)整合工作往往多而復雜，這使得由設計至真正大量產(chǎn)品出貨的時間會相對拉長，成本增加，未必能有理想獲益。
當SOC的目的是在價格導向的市場時，例如PC或消費類電子產(chǎn)品市場，在采用SOC芯片時，所能支付的價格較低，但SOC從設計到制造的總成本會比傳統(tǒng)的方法更高，尤其是當采用先進制程時，如此一來，產(chǎn)生附加價值雖高，但獲利卻相對有限。

此外，SOC往往需要先進的制程，但EDA工具的建置、光照成本與量產(chǎn)時的投片費用將十分高昂，對許多小資本的IC設計公司來說，更是進入市場的先天障礙。

SOC所面臨的技術挑戰(zhàn)
雖然SOC將帶來許多市場新契機，下過，隨著晶片集成度的提高與系統(tǒng)架構落實于晶片層次，不論在設計方法學、晶圓制程、封裝、測試等方面，都面臨著極大的挑戰(zhàn)。

SOC所面臨的技術挑戰(zhàn) ???????????????????????????????????? 一. SOC設計
目前，半導體業(yè)界的現(xiàn)象是半導體制造技術越走越快，但IC設計與驗證能力卻追趕不上，制造與設計間出現(xiàn)明顯落差，成為SOC發(fā)展的最大瓶頸。SOC設計所遇到的主要技術問題在于需要一套IP重復使用與以平臺為基礎的設計方法學。

SOC所面臨的技術挑戰(zhàn) ???????????????????????????????????? 二. SOC制造
SOC制造設計各類制程的整合，必須克服不同電路區(qū)塊不同制程相容性的問題，其中較簡單的是邏輯電路間的整臺，難度較高的是模擬電路與邏輯電路間的整合，最難的是邏輯電路與記憶體間的整合，特別是嵌入DRAM的情況。

此類制程整合疊加的狀況，全使SOC制程過于繁雜，影響技術可行性或經(jīng)濟效益。
而由于各種特殊制程之微縮進展不一，使得在打造SOC制程時，微縮進展最落后的功能區(qū)塊部分將成為SOC之瓶頸所莊，整體的SOC制程均需遷就于其中。

以SOC的各功能模塊為例，微處理器及DSP需要先進制程技術，但模擬IC卻需要低階制程技術，使用模擬技術把各個元件整合在一起后，有可能使得成本不一定是最佳情況。

SOC所面臨的技術挑戰(zhàn) ???????????????????????????????????? 三. SOC封裝?
在封裝技術方面，改善晶片與接腳的連接方式，提高晶片與封裝基板的熱導傳輸，進而提高散熱率，已是勢在必行。此外，由于晶片功能提高，工作頻率過高，將導致連接線上的電感效應，造成信號互相干擾所引發(fā)的雜信，因而限制晶片達到更高的性能，這是性能導向的SOC需面對的問題。

在IC朝小型化、高速化、高集成度發(fā)展的趨勢下，以打線為主的傳統(tǒng)封裝技術，己無法滿足未來技術需要，晶片級封裝及I/O高腳位錫球封裝、CSP(Chip Scale Packaging)、BGA與TAB將是未來SOC封裝技術的主流。

SOC所面臨的技術挑戰(zhàn) ???????????????????????????????????? 四. SOC測試??
以往測試設備商大都是針對單一功能設計機器，因此不僅是記憶體與邏輯IC的測試機臺涇渭分明，就算是邏輯IC機臺也會因應不同功能需求設計專屬機種。

SOC趨勢下，測試機臺走向多功能單一機型，以測試各種邏輯、模擬與存儲電路，縮短測試時間，加快測試速度，并滿足客戶“一機多用”的需求。
此外，隨著SOC復雜度提高，要在短時間內(nèi)完成測試程式設計也有困難，在設計階段即加入測試概念，如內(nèi)建自動測試技術BIST，以及可測試性設計DFT，可有效縮短測試時程與降低測試成本。

SOC設計技術簡介 ??????????????????????????? 一. 軟硬件協(xié)同設計
SOC設計技術簡介 ??????????????????????????? 二. 平臺化設計
由于跨入SOC時代，由應用面導致市場區(qū)隔的細化、過多的產(chǎn)品市場，從而將導致IC業(yè)者研發(fā)資源需求大增，并造成產(chǎn)品開發(fā)時程的嚴重負荷，這都將促使SOC產(chǎn)品走向平臺化的設計模式，即提高設計生產(chǎn)力。迅速針對不同市場區(qū)隔推出SOC產(chǎn)品。

此SOC平臺將包括微處理器／DSP、作業(yè)系統(tǒng)、芯片總線、關鍵的特定功能IP，以及完整的軟/硬件設計開發(fā)環(huán)境，并具備彈性而可擴充的特性，使IC產(chǎn)品業(yè)者得以憑此平臺，快速打造符合市場需求的產(chǎn)品。

SOC設計技術簡介 ?????????????????????????????? 二. IP復用技術
數(shù)百萬門規(guī)模的SOC設計，不能一切從頭開始，要將設計建立在較高的層次上。

更多地采用IP復用技術，只有這樣，才能較快地完成設計，保證設計成功，得到低價格的SOC，滿足市場需求。

設計再利用是建立在芯核(core)基礎上的，它是將已經(jīng)驗證的各種超級宏單元模塊電路制成芯核，以便以后的設計利用。

芯核通常分為3種，一種稱為硬核，具有和特定工藝相聯(lián)系的物理版圖，已被投片測試驗證，可被新設計作為特定的功能模塊直接調(diào)用；
第二種是軟核，是用硬件描述語言或C語言寫成，用于功能仿真；
第三種是固核(firm core)，是在軟核的基礎上開發(fā)的，是一種可綜合的并帶有布局規(guī)劃的軟核。
隨著工藝技術的發(fā)展，深亞微米使SOC更大更復雜，這種綜合方法將遇到新的問題，因為隨著工藝向0.18或更小尺寸發(fā)展，需要精確處理的不是門延遲而是互連線延遲。再加之數(shù)百兆的時鐘頻率，信號間時序關系十分嚴格，因此很難用軟的RTL綜合方法達到設計再利用的目的。
建立在芯核基礎上的SOC設計，使設計方法從電路設計轉向系統(tǒng)設計，設計重心將從今天的邏輯綜合、門級布局布線、后模擬轉向系統(tǒng)級模擬，軟硬件聯(lián)合仿真，以及若干個芯核組合在一起的物理設計。

SOC設計技術簡介 ?????????????????????????????? 三.低功耗設計
SOC因為百萬門以上的集成度和數(shù)百兆時鐘頻率下工作，將有數(shù)十瓦乃至上百瓦的功耗；巨大的功耗給封裝以及可靠性方面都帶來問題，因此降低功耗的設計是SOC設計的必然要求。

SOC設計技術簡介 ?????????????????????????????? 四.可測性設計?
SOC是將芯核和用戶自己定義的邏輯(UDL)一起集成。芯核深埋在芯片中，芯核不能事先測試，只能在SOC被制造出來后作為SOC的一部分和芯片同時測試。

因此對SOC測試存在許多困難，首先，芯核是別人的，選用芯核的設計者不一定對芯核十分了解，不具備對芯核的測試知識和能力，再加之芯核深埋在芯片之中，不能用測試單個獨立芯核的方法去處理集成后的芯核測試。
SOC設計技術簡介 ??????????????????????????? 五.深亞微米SOC的物理綜合??
由于深亞微米時互連線延遲是主要延遲因素，而延遲又取決于物理版圖。因此，傳統(tǒng)的自上而下的設計方法只有在完成物理版圖后才知道延遲大小。如果這時才發(fā)現(xiàn)時序錯誤，必須返回前端，修改前端設計或重新布局，這種從布局布線到重新綜合的重復設計可能要進行多次，才能達到時序目標。

隨著特征尺寸的減少，互連線影響越來越大。傳統(tǒng)的邏輯綜合和布局布線分開的設計方法已經(jīng)無法滿足設計要求。必須將邏輯綜合和布局布線更緊密地聯(lián)系起來，用物理綜合方法，使設計人員同時兼顧考慮高層次的功能問題、結構問題和低層次上的布局布線問題。

SOC設計技術簡介 ??????????????????????????????? 六.設計驗證技術
設計驗證是設計工作中十分重要的一環(huán)，電路規(guī)模越大系統(tǒng)越復雜占用驗證時間越長。目前市場上已經(jīng)有了適合不同設計領域和設計對象的CAD工具。但如果用這些工具來驗證SOC設計需將它們桉需要組合，并集成在同一環(huán)境中。
模擬電路模擬需要晶體管級模型，大部分模擬工具部是從SPICE衍生出來，由于要求解電路方程，電路越復雜模擬時間越長。利用并行結構分別進行數(shù)值解算和利用模型進行模擬，可大大提高模擬速度，能對數(shù)萬元器件電路乃至芯核進行模擬。但要對整個數(shù)百萬門規(guī)模的SOC進行模擬還是有困難的。

SOC設計過程的質(zhì)量保證
現(xiàn)在，還沒有驗證SOC的標準方法。由于大約70％的設計工作都在驗證上，驗證途徑標準化已經(jīng)變得非常必要。
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SOC設計過程的質(zhì)量保證 ????????????????????????????? 以平臺為基礎的SOC驗證
平臺為基礎SOC驗證強調(diào)軟/硬件的協(xié)同設計和仿真，驗證方式上有基于數(shù)學推導的形式驗證方法和基于仿真的動態(tài)功能驗證。

形式驗證的代碼覆蓋率好，但涉及較復雜的數(shù)學推導，推導本身的正確性難以把握。而且，系統(tǒng)較復雜時，形式驗證會成為整個項目進展的瓶頸，甚至由于成本太高而不能實施。

動態(tài)驗證關注整個系統(tǒng)或其中某些部分的仿真運行，對仿真結果做出判斷和調(diào)試。
SOC設計過程的質(zhì)量保證 ??????????????????????????? 以模塊為基礎SOC的驗證
SOC一般是由統(tǒng)一的總線結構連接起來的IP核的聚集。基于總線結構的驗證模型是目前SOC中比較成熟的技術。

總線結構一般通過總線功能模型(BFM)來模擬，該模型的復雜度由總線協(xié)議來決定，分為預捆包的PLI（編程函言接口）為基礎的BFM和用戶定制的Verilog BFM。
一個完整測試工作臺（testbench）的建立需要5要素：驗證計劃、測試實例、完整BFM、待測部件DUT和測試工作臺。

黑盒驗證方法
驗證計劃與設計規(guī)范
統(tǒng)一驗證語言文本
部件級的測試實例移植到系統(tǒng)級
測試工作臺

SOC設計過程的質(zhì)量保證?????? 可驗證性設計
基于斷言的代碼設計