SOC及IP复用技术探讨

摘要：随着集成电路按照摩尔定律的发展，芯片设计已经进入了系统级芯片（SOC）阶段，在这里介绍了SOC的概念，尤其介绍关键技术IP核的复用。

关键字：摩尔定律；按比例缩小原理；系统级芯片（SOC）；IP核

中图分类号：C96 文献标识码：A

1概述

1.1微电子芯片的发展

微电子芯片技术发展迄今为止经历了4个阶段：小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI），即将进入第5个阶段ELSI。目前，微电子技术已经成为衡量一个国家综合国力的重要指标。而电子芯片（IC） 则是电子技术的核心部分。

1.2摩尔定律和按比例缩小原理

从1959年问世开始，硅集成电路一直按照摩尔定律在高速发展。所谓摩尔定律：硅集成电路的按照4年为一代，每代的芯片继承度要翻两番、工艺线宽大约缩小30%、IC工作速度提高1.5倍。也就是我们通常表述的每个芯片的晶体管数量每18个月会翻一番。

而比例缩小原理是晶体管的横向线宽每三年缩小三分之一，其纵向结深也随之按照一定的比例缩小。这个原理指明了晶体管在硅片上增加的技术线路，20多年来一直有人在探索其他的技术方法都没有获得成功。

比例缩小原理是摩尔定律的充实和支撑。电子芯片的发展过程一直是按照这个技术路线发展到当前的甚大规模集成电路阶段的。

2 系统芯片（SOC）

2.1从IC到SOC

加工技术曾是IC发展的瓶颈。而电子芯片的集成电路发展几乎完全遵循Moore定律，并且国际范围内的芯片设计和大量加工都按照比例缩小的技术路线进行。于是，越来越多的功能、甚至是一个完整的系统都能够被嵌入到单个芯片之中。这样，以前需要由一块电路板实现的系统，现在只需要一只单个芯片就可以完成。电子系统设计开始向系统级芯片的方向发展。

2.2 SOC的概念

SOC技术以超深亚微米工艺和知识产权核IP复用技术为支撑，对微电子技术及其应用领域是一种革命性的变革。SOC可提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板（PCB） 空间和更低的成本，是21世纪集成电路（IC）技术应用的主流，SOC技术的研究发展和应用对社会信息化建设有重大意义。

2.3 SOC的优势

SOC具有以下几方面的优势，因而创造其产品价值与市场需求，是微电子芯片进一步发展的必然方向。

降低耗电量

减少体积

增加系统功能

提高速度

节省成本

2.4主要影响SOC的因素

系统级芯片SOC的关键技术为IP核，但同时也受到半导体工艺的影响。

3 复用技术

传统的IC设计流程有构想、设计、验证和实现四个环节。其中大部分时间花在设计和验证的环节中。

只有采用复用技术才能较快地完成设计，保证设计成功并得到低价的系统级芯片。复用技术与过去的积木块设计方法（BBC）类似，但是其规模和范围比积木块设计方法更大、更广。

3.1 IP核的定义

IP核为知识产权模块，可定义为密封在硬件设计中的可重复利用的软件。按其功能也可定义为SOC的基本电路功能块或内核，也称为系统宏单元，虚拟部件VC或芯核，可由用户或专用IC公司或独立公司开发。

IP核分为软核、硬核和固核。

软核

软IP核通常在抽象的、较高层次的功能描述，是对设计的算法级描述或功能级描述。他的特点是灵活性大、可移植性好。但与硬IP相比，可预测性差，设计时间长。

硬核

硬IP核的电路布局及其与特定工艺相联系的物理版图是固定的。特点是提供可预测的性能和快速的设计，可以被新设计作为特定的功能模块直接调用。

固核

固IP核在软核基础上开发，是介于硬IP和软IP之间的IP，是一种可综合的P并带时序信息以及布局布线规划的设计。对SOC的开发而言，固核具有一定的工艺独立性，由于在设计中考虑了时序等关键问题，因此能保证设计源码的可综合性和物理实现效率。

3.2 IP核的特征

由于IP核是被除了设计它的IP提供者和IC加工厂商之外的第3方使用，而且往往不止是一个系统开发者使用。因此，IP核必须具有以下特征：

可读性

这是针对软核和固核来说的。使用方不能或很少对硬核作进一步的设计优化，一般都直接使用。对固核和软核，使用者需要对芯核进行进一步的综合或模拟。因此，必须对调用的芯核的功能、算法等有比较详细的了解，才可能正确使用和充分发挥芯核的优点。

设计的衍展性和工艺适应性。

芯核是经过精心设计、验证并且优化的。芯核一经定型就要求其具有一定的应用范围。即针对不同的设计应用，具有一定的适应性。当芯核被应用到不同的领域时，不需要做重大的修改就能方便地使用。

可测性

芯核必须是经过测试验证的。但是，当芯核被应用到各个具体的设计中时，除了硬核外，并不是一点改变都没有。因此，芯核的功能和性能还应该被使用方测试。芯核的设计要求具有可测试性。不仅能对芯核进行单独的测试，还要在芯核应用到的系统环境中进行测试。

端口定义标准化

由于芯核是为第三方提供的设计，而第三方不是唯一的。这就要求芯核的提供者对设计的端口有一个严格的定义，以不引起二义性为目的。

版权保护

芯核设计中必须考虑知识版权的保护问题，保护技术可以在芯核的设计中采用一些加密技术或在工艺实现时加上保密技术。

3.3IP核的开发

上面讨论了IP核作为IP提供者和IC加工厂商之外的第3方使用应该具备的特征，而对于IP开发者IP核又应具备以下特点：

（1）高的可预测性

（2）可能达到的最好性能

（3）根据需要可灵活重塑

（4）可接受的成本

3.4重用IP核进行设计

含芯核的系统设计与传统的系统设计有两大方面的不同：一是系统的模块划分，二是软硬件协同设计。由于调用了芯核，使模块的划分是按芯核及其支持电路为单元进行。而不像过去结构化设计方法那样完全按照功能划分模块。

软硬件协同设计包括两方面，协同仿真和协同设计。现在应用得比较多的是协同仿真。因为，软件的开发依赖于硬件的结构和功能，在硬件没有完全设计好之前，软件将很难完全确定。

软硬件协同仿真，是将一个HDL语言的软件仿真器和HDL语言的硬件仿真器结合起来对SOC系统进行仿真。HDL语言的软件仿真器是运行在工作站平台上。每个时钟周期或每当有操作发生时通过工作站的接口与硬件仿真平台比较结果。

基于芯核的软硬件协同设计，通常是以一个微处理器核作为硬件系统的核心加上存储单元。需要开发的软件包括：实时操作系统、任务调度、任务间通信和应用软件等等。软硬件协同设计的关键是对软硬件要实现的功能做一个合适的划分，并在系统设计的复杂度和系统的性能之间达到最好的平衡。

4机遇与挑战

SOC设计概念的出现给电子系统的设计带来诸多优点：进一步提高了系统性能、大大缩小了系统尺寸；降低了系统造价、更易于编译、节能等。SOC设计概念将极大地促进半导体技术向前发展，可以说是一个经济增长点。

而在SOC设计中大量采用了IP复用技术，缩短了设计的周期。目前，很多厂商例如Lattice、Synopsys等公司都提供了免费的IP核以及设计文档，在应用领域发展的前景广阔。在21的集成电路设计中，IP核是必不可少的。

参考文献

[1]王诚.P275计算机组成原理，清华大学出版社，2002.

[2]徐善锋，初秀琴等.21世纪微电子芯片设计技术发展方向，西安电子科技大学，登载于《微电子》39卷.

[3]吴洪江，郑滨. SOC 的现状与发展，半导体情报.

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[5]陈岚，唐志敏.单片系统SOC设计技术，计算机研究与发展，39（1）.