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Soc芯片技术在安防集成系统中的应用

2014-12-22 11:35
木中君
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  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。

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