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一文科普“ SoC”

KA_IX

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发表于 2023-7-11 17:27:54

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片上系统或 SoC 是一种集成电路，包含计算机上的大部分组件。顾名思义，它是在硅芯片上制造的整个系统。SoC 的优点在于它将所有组件集成在单个基板上。在半导体中，基板是用于制造集成电路的硅薄膜。与传统主板相比，SoC将可更换组件集成到单个芯片上，从而减小了尺寸并提高了效率。

除了集成电路之外，SoC 还包括软件和用于集成的互连结构。软硬件集成方法使 SoC 的尺寸更小，功耗更低，并且比标准多芯片系统更可靠。

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图 1.从 PCB 到 SoC。

SoC 的组件
SoC 可分为以下类型：围绕微控制器构建、围绕微处理器构建、针对特定应用构建以及可编程 SoC (PSoC)。SoC 的组成部分包括处理器、主存储器和辅助存储器以及输入/输出端口。其他重要组件包括图形处理器单元 (GPU)、WiFi 模块、数字信号处理器 (DSP) 以及各种外设，例如 USB、以太网、SPI（串行外设接口）、ADC、DAC，甚至 FPGA。通常，它有多个核心。根据各种决定因素和偏好，核心可以是微控制器、微处理器、DSP，甚至 ASIP（专用指令集处理器）。ASIP 具有基于特定应用的指令集。

通常，SoC使用ARM架构，这是RISC（精简指令集计算）系列，需要较少的数字设计，从而使其兼容嵌入式系统使用。ARM 架构比 8051 等处理器更加节能，因为与使用 CISC 架构的处理器相比，采用 RISC 架构的处理器需要更少的晶体管。这也减少了散热和成本。

下图显示了 SoC 框图的示例。

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图 2：SoC 框图示例。

处理器
SoC 的核心是处理器。它通常有多个处理器核心。多个核心允许同时运行不同的进程，这提高了系统的速度，因为它使您的计算机能够同时执行多个操作。基本上，操作系统将多个核心视为多个 CPU，从而提高性能。由于多个内核安装在同一芯片上，因此延迟较短，这是因为内核之间的通信速度更快。多核系统只有一个具有多个核心的 CPU 插槽。例如，以下系统有四个核心和一个插槽。

由于超线程，对于操作系统来说，一个单核表现为两个逻辑单元。超线程允许在两个 CPU 之间共享物理资源。

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图 3. 多核处理器示例及其描述。

数字信号处理器 (DSP)
数字信号处理器 (DSP) 是针对数字信号处理操作进行优化的芯片。这包括传感器、执行器、数据处理和数据分析的操作。它可以用于图像解码。使用 DSP 可以节省其他处理任务的 CPU 周期，从而提高性能。专用 DSP 的能效更高，这使得它们适合在 SoC 中使用。DSP 内核使用的指令集是 SIMD（单指令、多数据）和 VLIW（超长指令字）。该架构的使用允许指令的并行处理和超标量执行。DSP 用于执行快速傅立叶变换、卷积、乘法累加等运算。

SoC 上的存储器
SoC 具有基于应用程序的存储器。存储器是用于计算目的的半导体存储器块。半导体存储器通常指金属氧化物半导体存储单元，其制造在单个硅芯片上。记忆的类型有：

易失性存储器：断电后会丢失数据的存储器。换句话说，他们需要恒定的电源来保留信息。易失性存储器更快、更便宜，这就是它们被频繁选择的原因。

RAM 是一种易失性存储器。最常用的 RAM 是 SRAM（静态 RAM）和 DRAM（动态 RAM）。SRAM 由存储单元组成，存储单元由 1,3 或 6 个晶体管 (MOSFET) 组成。相比之下，DRAM 只有一个 MOSFET 和一个电容器，电容器根据 FET 的状态进行充电和放电。然而，DRAM 很容易出现电容器漏电流。DRAM 的一大优势是它比 SRAM 便宜。如果SoC具有缓存层次结构，则SRAM用于缓存，DRAM用于主存储器。这是因为与主存储器相比，高速缓存需要更快的存储器类型。

还有一些 RAM 类型专为非易失性功能而设计。这些是 FRAM（铁电 RAM）、MRAM（磁阻随机存取存储器），以磁性状态存储数据，PRAM（参数随机存取存储器），在 Macintosh 计算机中用于存储系统设置，包括显示和时区设置。除此之外，还有 RRAM（电阻式随机存取存储器），它有一个称为忆阻器的组件。忆阻器是一种电阻器，其电压根据施加的电压而变化。

非易失性存储器：即使在没有电源的情况下也能保留信息的存储器。ROM（只读存储器）是一种非易失性存储器。ROM 的类型包括 EPROM（可擦除可编程只读存储器），它是浮栅晶体管阵列。UVROM（紫外线可擦除可编程只读存储器），使用紫外线擦除并用数据、EEPROM（电可擦除可编程ROM）和闪存重新编程。

所选择的存储器类型取决于设计规范和应用。

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图 4：SoC 中半导体存储器的分类。

主要生产半导体存储器的公司有美光科技、英特尔公司、西部数据。

片上通信
传统上，总线架构用于 SoC 执行单元之间的通信。然而，如今，片上网络互连技术已成为取代总线架构的趋势。

总线通信的一个流行示例是 ARM 的 AMBA（高级微控制器总线架构）总线协议。总线架构用于驱动组件之间的数据。片上总线架构可分为共享总线、分层总线和环形拓扑。不同的公司根据芯片设计和应用设计了不同的架构。例如 Altera AVALON、IBM CORECONNECT、Silicore Corporation 的 WISHBONE。

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图 5. SoC 上的 AMBA 总线示例。

片上网络采用系统级网络技术进行片上流量管理。NOC 是一个同构、可扩展的交换结构网络，用于传输多用途数据包。该架构本质上是通过用户定义的技术分层的。通信通过三层通信方案进行，即事务、传输和物理。

NOC 互连结构的目的是减少片上布线拥塞、更好的时序收敛、一种对 SOC 设计更改各种 IP 的标准化方法。NOC 架构已被证明更加节能并且可以满足吞吐量要求。

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图 6. 片上网络的层。

外部接口
SOC 接口根据预期应用而有所不同。外部接口通常基于WiFi、USB、以太网、I2C、SPI、HDMI等通信协议。如果需要，可以添加模拟接口以与传感器和执行器连接。

其他组件
功能齐全的 SOC 所需的其他组件包括时钟、定时器、振荡器、锁相环系统、电压调节器和电源管理单元等定时源。

SoC设计流程
SoC设计流程旨在架构协同设计，即同时设计硬件和软件。设计流程必须考虑优化目标和各种约束。下图是从规格到制造的 SoC 设计流程示例。单独的团队执行制造 SoC 所涉及的每个步骤。

SoC是使用MOS技术制造的。如今，最小的MOS技术是台积电和三星开发的3nm技术。然而，当今大多数设备都使用 10 纳米技术。制造过程涉及设计的网表生成，然后是物理设计流程。在整个过程中，特别关注静态时序分析（STA），即数字电路中的时序计算。STA 还用于验证时序性能并检查任何时序违规。时序违规可能会导致亚稳态，即数字电路中的触发器处于未知状态（既不是 1 也不是 0）。