片上系统SoC：小身材，大功能（内附设计框架图！）

 

SoC可以说是现今工艺最复杂、生产最高端芯片的技术方案。

SoC

小身材 大功能

SoC即System on Chip，中文名为片上系统，也指系统级芯片，是一个有专用目标的集成电路产品，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。

智能手机、电脑最核心最关键的一颗芯片就是SoC芯片。

 

智能手机可能是生活中最多使用且具有SoC的电子产品。手机的大脑，所说的“处理器”就属于SoC，目前主流的手机SoC有骁龙8Gen1、麒麟9000、天玑9000等。这些SoC都集成了CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器）、NPU（嵌入式神经网络）、ISP（图像处理），以及通信基带和存储等等,将众多的功能单元集成在一个芯片上组合成为一个系统。简单说来，SoC就是集CPU、GPU、存储、显示等功能于一体的芯片。麻雀虽小，五脏俱全。综上可以看出，SoC的集成度极其高，这减少了外围模和电路的使用，这对缩短开发周期和减少开发成本是非常有益的。目前电脑CPU也有朝SoC发展的趋势，部分型号的CPU将内存、Wi-Fi等集成至CPU中，使得有更小体积的电脑出现。以麒麟9000为例，集成Cortex内核、Mali系列GPU、5G基带等功能，而在很多厂商设计手机SoC身上，我们都可以看到Cortex内核的身影，这体现了SoC的IP核可以重用的特点；而且，其使用的Cortex内核中，使用了四个Cortex-A77和四个Cortex-A75，这也很符合SoC可以具有多个IP核心的特征。另外，对SoC性能影响最大的：CPU单核、CPU多核和GPU。CPU多核性能关键看架构：X2≈X1>A78>A77>A76>>A75>A73>>>A55/A53（构架相同时，频率越高越强；其他相同时，四大核比自然双大核强）。同级产品的CPU和GPU性能一般都是对应的。

 

SoC

分类与设计

手机的SoC可以说是属于高端的SoC；相对的，也有低端的SoC、中低端的SoC。低端的SoC可以简单理解为MCU内核加上特定的功能外设，多使用的MCU内核有8051内核及 Cortex-M4 内核，例如，TI设计生产的蓝牙SoC——CC2541（亿佰特具有对应产品：E104-BT01）使用的8051内核，同样也是TI生产设计的蓝牙SoC——CC2640（亿佰特也有对应产品：E72-2G4M05S1B）使用的Cortex-M3内核。下图为CC2541的简化结构框图：从中可以看出，该SoC包含了51内核、内存管理、其他外设等，而其特定的功能便为蓝牙射频功能。可以说，不同的SoC适用于不同的领域。

 SoC设计流程（1）
 

 

SoC的设计需要软硬件的同步设计。根据设计需求，进行仿真和建模，根据功能划分软件和硬件部分，在软件和硬件协同完成，经过测试，投产，便得到了所使用的SoC。下图为SoC设计流程：

SoC设计流程（2）
 

 

高级别的SoC芯片，比如华为海思的麒麟990——现今市面上最先进的手机处理器芯片，集成了8核CPU、16核GPU和3核NPU构成的神经网络人工智能模块、高速闪存控制模块、图像处理模块、音频和视频处理模块等等。与麒麟980相比，还增加了5G模块。这种高级别的SoC需要十分复杂的设计和加工，高端SoC芯片的CPU、GPU、NPU这些模块都得使用最先进的工艺技术，成本高、工艺复杂、成品率低。如麒麟990采用台积电7纳米加工工艺，7纳米节点大概需要4000多道工序，其中仅光刻掩膜成本就得花费上千万美元，而整体的芯片设计成本高达上亿美元。因此，整颗芯片的造价才会如此昂贵。

 

SIP

先进封装技术

除了SoC，有时也还会听说SIP（System in a Package），即系统级封装。比较粗略地来看，SoC与SIP都是把逻辑组件和内存组件等整合到一个系统中，但两者的区别在于，SoC是从设计的初始，它就是一个集合的单独的芯片；而SIP是以封装的技术，将所需的功能模块（模块也可单独使用或者挂载外部使用）封装在一起从而实现一个基本完整的功能。以亿佰特产品E78-900M系列采用的ASR6505和E76系列采用的EFR32FG1P131为例。ASR6505是一颗SIP封装，集成STM 8位核心（STM8L152）和LoRa（SX1262）无线电收发器的通用的LoRa无线通信芯片组，也属于MCU一类。下图为ASR6505的模块框图，ASR6505引出来的引脚既有STM8的、也有SX1262的引脚，其中SX1262与MCU通信相关的SPI引脚、DIO引脚、BUSY引脚已经在芯片内部连接在了一起。外部引出了晶振、UART、I2C等引脚用于芯片其他功能的扩展和开发。对此芯片进行开发时我们完全可以按照STM 8的开发方式进行。

 ASR6505 和 ASR LoRa通信模块的框图
 

 

对于E76系列采用的EFR32，就属于SoC了。如下图，可以看出，EFR32芯片内部系统包含了CPU（使用ARM的Cortex-M4内核）和存储部分，时钟管理，电源管理，无线电（包含了蓝牙4.2，Sub-G等），通信串行总线，I/O，定时器，模拟接口和安全功能等。这些功能集合在单一的芯片上，完成了一个电子系统的功能。SIP和SoC皆有各自的优势和特点，对于SoC，受限于技术障碍，设计周期等，SIP的发展在业界中愈被重视。

 EFR32系统框图
 

 

国产 SoC

发展现状

 

高端的SoC芯片目前具备研发实力的是苹果、三星和华为。华为海思的麒麟系列SoC是华为自主设计研发，其对标苹果A系列、高通骁龙，以及三星的猎户座处理器。但因受制裁影响，台积电不再为华为代工。华为海思倒下后，紫光展锐被认为是国内SoC领头羊，成为“后海思时代”最被看好的国产芯片厂商之一。紫光展锐已在物联网领域开拓出自己的道路。据Counterpoint最新研究报告显示，紫光展锐在2021年第三季度全球蜂窝物联网芯片市场占据26.8%的市场份额排名第二，并在LTE Cat.1芯片细分赛道上超越了高通成为全球第一。此外，消费级SoC中瑞芯微、晶晨股份、富瀚微、乐鑫科技等也值得看好。瑞芯微是国内音视频主控SoC的先锋，晶晨股份是国内多媒体终端SoC龙头，是国内极少数的电视芯片供应商，乐鑫科技其Wi-Fi MCU SoC通信芯片及其模块在全球市场份额中排名第一，富瀚微ISP芯片的ASP是该领域龙头。目前国内SoC芯片产品覆盖还算广泛，但底层架构依然依赖于国际的ARM以及X86架构。受制裁影响，国产SoC芯片发展之路任重而道远。