SoC可以說是現今工藝最復雜、生產最高端芯片的技術方案。
SoC
小身材 大功能
SoC即System on Chip,中文名為片上系統,也指系統級芯片,是一個有專用目標的集成電路產品,其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術,用以實現從確定系統功能開始,到軟/硬件劃分,并完成設計的整個過程。
智能手機可能是生活中最多使用且具有SoC的電子產品。手機的大腦,所說的“處理器”就屬于SoC,目前主流的手機SoC有驍龍8Gen1、麒麟9000、天璣9000等。這些SoC都集成了CPU(中央處理器)、GPU(圖形處理器)、NPU(嵌入式神經網絡)、ISP(圖像處理),以及通信基帶和存儲等等,將眾多的功能單元集成在一個芯片上組合成為一個系統。
簡單說來,SoC就是集CPU、GPU、存儲、顯示等功能于一體的芯片。麻雀雖小,五臟俱全。
綜上可以看出,SoC的集成度極其高,這減少了外圍模和電路的使用,這對縮短開發周期和減少開發成本是非常有益的。目前電腦CPU也有朝SoC發展的趨勢,部分型號的CPU將內存、Wi-Fi等集成至CPU中,使得有更小體積的電腦出現。
以麒麟9000為例,集成Cortex內核、Mali系列GPU、5G基帶等功能,而在很多廠商設計手機SoC身上,我們都可以看到Cortex內核的身影,這體現了SoC的IP核可以重用的特點;而且,其使用的Cortex內核中,使用了四個Cortex-A77和四個Cortex-A75,這也很符合SoC可以具有多個IP核心的特征。
另外,對SoC性能影響最大的:CPU單核、CPU多核和GPU。CPU多核性能關鍵看架構:X2≈X1>A78>A77>A76>>A75>A73>>>A55/A53(構架相同時,頻率越高越強;其他相同時,四大核比自然雙大核強)。同級產品的CPU和GPU性能一般都是對應的。
SoC
分類與設計
手機的SoC可以說是屬于高端的SoC;相對的,也有低端的SoC、中低端的SoC。低端的SoC可以簡單理解為MCU內核加上特定的功能外設,多使用的MCU內核有8051內核及 Cortex-M4 內核,例如,TI設計生產的藍牙SoC——CC2541(億佰特具有對應產品:E104-BT01)使用的8051內核,同樣也是TI生產設計的藍牙SoC——CC2640(億佰特也有對應產品:E72-2G4M05S1B)使用的Cortex-M3內核。
下圖為CC2541的簡化結構框圖:從中可以看出,該SoC包含了51內核、內存管理、其他外設等,而其特定的功能便為藍牙射頻功能??梢哉f,不同的SoC適用于不同的領域。
SoC設計流程(1)
SoC的設計需要軟硬件的同步設計。根據設計需求,進行仿真和建模,根據功能劃分軟件和硬件部分,在軟件和硬件協同完成,經過測試,投產,便得到了所使用的SoC。下圖為SoC設計流程:
SoC設計流程(2)
高級別的SoC芯片,比如華為海思的麒麟990——現今市面上最先進的手機處理器芯片,集成了8核CPU、16核GPU和3核NPU構成的神經網絡人工智能模塊、高速閃存控制模塊、圖像處理模塊、音頻和視頻處理模塊等等。與麒麟980相比,還增加了5G模塊。
這種高級別的SoC需要十分復雜的設計和加工,高端SoC芯片的CPU、GPU、NPU這些模塊都得使用最先進的工藝技術,成本高、工藝復雜、成品率低。如麒麟990采用臺積電7納米加工工藝,7納米節點大概需要4000多道工序,其中僅光刻掩膜成本就得花費上千萬美元,而整體的芯片設計成本高達上億美元。因此,整顆芯片的造價才會如此昂貴。
SIP
先進封裝技術
除了SoC,有時也還會聽說SIP(System in a Package),即系統級封裝。比較粗略地來看,SoC與SIP都是把邏輯組件和內存組件等整合到一個系統中,但兩者的區別在于,SoC是從設計的初始,它就是一個集合的單獨的芯片;而SIP是以封裝的技術,將所需的功能模塊(模塊也可單獨使用或者掛載外部使用)封裝在一起從而實現一個基本完整的功能。
以億佰特產品E78-900M系列采用的ASR6505和E76系列采用的EFR32FG1P131為例。ASR6505是一顆SIP封裝,集成STM 8位核心(STM8L152)和LoRa(SX1262)無線電收發器的通用的LoRa無線通信芯片組,也屬于MCU一類。
下圖為ASR6505的模塊框圖,ASR6505引出來的引腳既有STM8的、也有SX1262的引腳,其中SX1262與MCU通信相關的SPI引腳、DIO引腳、BUSY引腳已經在芯片內部連接在了一起。外部引出了晶振、UART、I2C等引腳用于芯片其他功能的擴展和開發。對此芯片進行開發時我們完全可以按照STM 8的開發方式進行。
ASR6505 和 ASR LoRa通信模塊的框圖
對于E76系列采用的EFR32,就屬于SoC了。如下圖,可以看出,EFR32芯片內部系統包含了CPU(使用ARM的Cortex-M4內核)和存儲部分,時鐘管理,電源管理,無線電(包含了藍牙4.2,Sub-G等),通信串行總線,I/O,定時器,模擬接口和安全功能等。這些功能集合在單一的芯片上,完成了一個電子系統的功能。SIP和SoC皆有各自的優勢和特點,對于SoC,受限于技術障礙,設計周期等,SIP的發展在業界中愈被重視。
EFR32系統框圖
國產 SoC
發展現狀
高端的SoC芯片目前具備研發實力的是蘋果、三星和華為。華為海思的麒麟系列SoC是華為自主設計研發,其對標蘋果A系列、高通驍龍,以及三星的獵戶座處理器。但因受制裁影響,臺積電不再為華為代工。
華為海思倒下后,紫光展銳被認為是國內SoC領頭羊,成為“后海思時代”最被看好的國產芯片廠商之一。紫光展銳已在物聯網領域開拓出自己的道路。據Counterpoint最新研究報告顯示,紫光展銳在2021年第三季度全球蜂窩物聯網芯片市場占據26.8%的市場份額排名第二,并在LTE Cat.1芯片細分賽道上超越了高通成為全球第一。
此外,消費級SoC中瑞芯微、晶晨股份、富瀚微、樂鑫科技等也值得看好。瑞芯微是國內音視頻主控SoC的先鋒,晶晨股份是國內多媒體終端SoC龍頭,是國內極少數的電視芯片供應商,樂鑫科技其Wi-Fi MCU SoC通信芯片及其模塊在全球市場份額中排名第一,富瀚微ISP芯片的ASP是該領域龍頭。
目前國內SoC芯片產品覆蓋還算廣泛,但底層架構依然依賴于國際的ARM以及X86架構。受制裁影響,國產SoC芯片發展之路任重而道遠。
審核編輯:湯梓紅
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原文標題:片上系統SoC:小身材,大功能(內附設計框架圖?。?/p>
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