《微電子學概論》第七章系統(tǒng)芯片SOC設計.ppt

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1、系統(tǒng)芯片(SOC)技術,世界集成電路設計技術發(fā)展現狀,世界集成電路加工工藝水平為0.13微米，正在向0.09微米、12英寸加工工藝過渡 系統(tǒng)芯片（System-on-Chip）正在成為集成電路產品的主流 超大規(guī)模集成電路IP復用（IP Reuse）和硬軟件協同設計水平日益提高 集成電路設計業(yè)、制造業(yè)、封裝業(yè)三業(yè)并舉，相對游離 設計工具落后于設計水平,SOC-擺脫IC設計困境的途徑,功能越來越復雜，一個團隊不可能從每一個晶體管設計開始，必須用第三方的IP核 多個芯片在I/O上會增加功耗，SOC方法可降低功耗 產品的生命周期越來越短，制版費用越來越貴，芯片必須可以重構，以延長其生命周期，并且，產品

2、的上市時間的壓力，要求快速開發(fā) 深亞微米設計的問題，時序收斂更加困難 芯片復雜度增加，使得驗證更加困難,集成電路發(fā)展成系統(tǒng)芯片（SOC）,分 立 元 件,集成 電路 IC,系統(tǒng)芯片 System On A Chip （SOC）,,,IC的速度很高、功耗很小，但PCB板中的連線延時、噪聲、可靠性以及重量等因素的限制，已無法性能日益提高滿足整機系統(tǒng)的要求,IC設計與制造技術水平的提高，IC規(guī)模越來越大，已可以在一個芯片上集成109-1010個晶體管,在需求牽引和技術推動的雙重作用下,將整個系統(tǒng)集成在微電子芯片上,OUTLINE,系統(tǒng)芯片的基本概念和特點 SOC的設計過程 SOC關鍵技術及目前面臨的

3、主要問題 SOC的發(fā)展趨勢,,SOC是什么？,SOC（System on a Chip),系統(tǒng)芯片，片上系統(tǒng)，單芯片系統(tǒng)。,一種實現復雜系統(tǒng)功能的超大規(guī)模集成電路 系統(tǒng)芯片SOC不僅包含復雜的硬件電路部分，而且還包含軟件部分 復雜硬件電路一般內含一個和多個芯核（特指微處理器MPU、微控制器MCU或數字信號處理器DSP等作為軟件執(zhí)行載體的特殊IP），而且在設計中大量復用第三方的IP核 一般采用超深亞微米工藝技術實現,系統(tǒng)芯片SOC結構示意圖,ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 設計方法學中的新技術，是指以嵌入式系統(tǒng)為核心，以IP 復用技術

4、為基礎，集軟、硬件于一體，并追求產品系統(tǒng)最大包容的集成芯片 將一個系統(tǒng)的多個IC集成在一個芯片上可以提高系統(tǒng)性能、減小尺寸、降低成本,系統(tǒng)芯片SOC,封裝內的系統(tǒng)（System in Package，SIP）,將組成系統(tǒng)的幾個不同工藝集成電路封裝在一起,早期的SOC概念 僅限于集成計算引擎、存儲器及邏輯電路 目前的SOC 集成多種功能電路，可滿足不同的系統(tǒng)應用的需要 如手機、數碼相機、MP3播放機、DVD播放機,藍牙技術是一種無線數據和語音通信的全球標準，基于低成本短距離無線連接。 包括微處理器、存儲器、RF電路、數字基帶處理器、模擬和數字接口、多種音頻和數據接口等,藍牙SOC,SOC設計與

5、目前集成電路設計的區(qū)別：,采用IP核進行設計，提高設計產能 軟硬件協調設計 可集成不同類型的功能模塊，如邏輯、模擬、光電、生物電等。 需要更高的設計驗證 采用超深亞微米（VDSM）技術 需要一個或多個嵌入式CPU和DSP 對設計人員的要求高 具有可從外部對芯片進行編程的功能,,,SOC的實現方式： 其一是增加通用MPU的功能和性能，并在片上集成較大的Cache、DROM和I/O。 其二是設計專用芯片，專用芯片可以大大提高芯片的面積利用率，從而減低成本。 一種基于CPU和DSP Core的SOC混合實現方式可以在集成度和通用性兩方面兼顧，如HP和SUN的多媒體工作站都把MPEG的圖象壓縮、MOD

6、EM、FAX和音頻處理，同時集成在SOC中。,SOC的技術瓶頸在于： 1)EDA工具的能限，EDA工具總是趕不上工藝的發(fā)展。 2)IP模塊的兼容性：各種IP模塊綜合時，很難得到最佳的速度、面積和時序預測。也缺少統(tǒng)一的虛擬模塊界面標準。 3)深亞微米帶來的挑戰(zhàn)：短溝道效應、金屬層之間的交叉效應以及模塊間的信號規(guī)整度都對性能影響極大。 4）測試、封裝和散熱的困難。,OUTLINE,系統(tǒng)芯片的基本概念和特點 SOC的設計過程 SOC關鍵技術及目前面臨的主要問題 SOC的發(fā)展趨勢,,SOC的設計過程,OUTLINE,系統(tǒng)芯片的基本概念和特點 SOC的設計過程 SOC關鍵技術及目前面臨的主要問題 SOC

7、的發(fā)展趨勢,,SOC關鍵技術,軟硬件協同設計：傳統(tǒng)設計以硬件為主, SOC設計中不僅有復雜硬件設計，還要考慮軟件 IP核技術：IP核的設計和復用 超深亞微米技術,軟硬件協同設計,劃分理論：符合系統(tǒng)要求、符合實現代價約束的硬件和軟件架構，使代價最小，性能優(yōu)化 仍在發(fā)展中 系統(tǒng)描述語言：定義系統(tǒng)級軟件描述及硬件描述 傳統(tǒng)的HDL語言，與軟件設計語言不一致，難以將軟件和硬件連接在一起進行協同的設計、驗證 從軟件語言上發(fā)展起來，可以對硬件建模，考慮硬件中的并行性、時間概念、重新啟動機制等,出現背景：設計復雜度高，需要進入市場的時間短 進行設計復用：采用前人成功的經驗和設計 成果 例：處理器內核的復用可

8、以使設計人員從繁重的處理器設計中解脫出來，更加關注于系統(tǒng)功能的實現和系統(tǒng)性能的提高,IP核設計技術,IP核是什么？,IP（Intellectual Property）：知識產權 1）有獨立功能的、經過驗證的集成電路設計； 2）為了易于重用而按嵌入式要求專門設計的； 3）面積、速度、功耗、工藝容差上都是優(yōu)化的；,基于IP復用的SOC設計,計算引擎類:RISC（MIPS, ARM）和x86 CISC 通信類: TI, LUCENT, ADI, MOTOROLA的OAK和PINE核(DSP)、MCU 嵌入式存儲器類 混合信號類：數?；旌螴P 其它類型：如調制/解調，數據壓縮，加密，語音編碼，ISDN

9、，USB等,IP核的分類,按照應用種類劃分,IP核的分類,按照描述和實現形式劃分,軟IP 硬IP 固IP,特點：以HDL描述；性能通過時序模擬驗證，不依賴于工藝和實現技術，可復用性高，可將軟核映射到自己的工藝上； 問題：價格高，提供者不多；用于SOC設計時需要很多的設計投入；風險大；是否可以結合任一工藝庫進行綜合仍是問題,特點：以版圖形式描述；性能和面積經過優(yōu)化；經過工藝流片驗證；當用于SOC設計時所需設計投入較少；安全性較高 問題：與工藝有關，在具體物理功能和性能方面難以修改；與工藝的相關性使電路其他部分的設計也需要使用該工藝,特點：以網表描述；經過了FPGA硬件驗證；時序特性經過嚴格檢驗，

10、只要保證布局布線中關鍵路徑的寄生參數不引起時序錯誤就可以保證芯片設計的正確性。 問題：與工藝相關限制了其使用范圍；網表的難讀性使發(fā)生時序錯誤難以修改,第三方IP供應商 例：ARM（advanced RISC Machines）,Rambus公司：著重一種高度優(yōu)化的硬IP開發(fā) Virtual Chips, Mentor Graphics：提供軟IP庫 各公司自己開發(fā)IP,FOUNDRY代工廠 EDA工具開發(fā)商 IP核供應商 單元庫開發(fā)商 ASIC設計公司 ..,IC SOC,20世紀90年代,,基于IP復用的SOC設計,系統(tǒng)芯片SOC一般采用基于核設計，它是指將一個系統(tǒng)按功能劃分成若干模塊，然后

11、直接利用第三方設計好的IP核，并將他們集成為一個具有特定功能芯片的過程。 基于核設計的核心就是復用IP核。 IP核復用絕不等同于集成電路設計中的單元庫的使用，不是一些IP核的簡單堆砌，還包含IP核測試復用。 為了實現IP核的測試復用，需要在結構上進行精心設計,IP核復用技術,IP核復用技術,,IP核生成 IP核的復用 IP核保護,比IC設計更為嚴格 完整的文件化：需要給出規(guī)格說明、設計描述、測試方案,IP核復用 IP選擇：目前可供選擇的好的IP還有限 IP集成 不是IP核的簡單堆砌，會出現一些問題，尤其接口和時序問題、信號完整性、功耗等問題 不同電路之間的兼容問題：模擬及混合信號、射頻等不同類

12、型電路的集成要求不同 EDA工具還需發(fā)展,由于不同類型電路集成在一起，驗證工作變得十分困難 數字電路、模擬電路、存儲器電路的驗證 混合電路仿真模擬 時延、功耗、信號完整性的驗證以及后仿真,SOC驗證,IP核的測試(core-level test) 完成對獨立IP核的測試 IP核的測試訪問(core test access) 完成對IP核提供測試激勵，并將測試響應從IP核中輸出 IP核測試外殼(core test wrapper) 提供嵌入的IP核與其SOC環(huán)境交互的接口,SOC測試,SOC中IP核的測試,天線效應（antenna effect） 電荷聚集在金屬線上 電遷移效應（electrom

13、igration effect） 電荷的移動引起斷路 信號的完整性(signal integrity) 電路中信號產生正確響應的能力,SOC的物理設計考慮,OUTLINE,系統(tǒng)芯片的基本概念和特點 SOC的設計過程 SOC關鍵技術及目前面臨的主要問題 SOC的發(fā)展趨勢,,系統(tǒng)集成,提高設計產能,涵蓋不同技術,用IP核復用,SOC的發(fā)展趨勢,系統(tǒng)芯片,,,進行混合技術設計，包括高性能或低功耗邏輯、嵌入式DRAM、模擬、射頻等技術的集成。 廣義的SOC還可以包括微機電系統(tǒng)(MEMS)、光輸入/輸出等,它對微電子技術的推動作用不亞于自20世紀50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術 21世紀將是SOC

14、快速發(fā)展的時代，將成為市場的主導，加速電子產品的更新換代 隨著需求的不斷發(fā)展，專家預測，以硅技術為基礎的集成電路產業(yè)還至少將發(fā)展12個世紀。,系統(tǒng)芯片(SOC) 是微電子設計領域的一場革命,改變傳統(tǒng)的IC設計思路和設計方法;促進整機系統(tǒng)的發(fā)展，帶來革命性變化,SOC和IC的關系,IC和分立元器件的關系,類似,,未來的方向1: 封裝內的系統(tǒng)（SIP）,1 基于不同工藝的技術，如砷化鎵、鍺硅、或硅管芯，無論是邏輯電路、存儲器、RF、模擬還是數字電路，都可以裝配在同一封裝中，并滿足熱學、電學和機械性能； 2 不同尺寸的工藝，如180納米65納米的管芯可以在一個封裝內并存； 3 其他技術，如MEMS、

15、光電、視頻器件都可以集成在同一個SIP內。,未來的方向1: 封裝內的系統(tǒng)（SIP）,4 不同的互連技術，如引線鍵合、倒裝焊、都可以用于同一個封裝內； 5 其他無源器件如天線、不平衡變壓器、濾波器、散熱器、諧振器、連接器和屏蔽器等都可以制作在同一個封裝內； 6 OEM產品的修改和升級可以通過換用新的管芯來實現。,未來的方向2:可編程的SOC,在傳統(tǒng)的SOC中集成一片可編程的邏輯，成為可配置的架構 （FPGA SOC）；,SOC在推進人類社會信息化進程地同時，也推動微電子學科自身的發(fā)展。 21世紀“半導體集成化芯片系統(tǒng)基礎研究” 的一個重要發(fā)展方向，即由集成電路(IC)向集成系統(tǒng)(IS) 的轉變。

16、 SOC的實現還面臨許多挑戰(zhàn)： 傳統(tǒng)IC設計與工藝制造的差距正在拉大，EDA工具能提供的年增長率僅為21，而按Moore定律發(fā)展的制造能力年增長率58。 驗證、測試和設計的差距也在拉大，驗證一個復雜系統(tǒng)設計的正確性和測試工藝的缺陷，使之對EDA工具的計算能力的要求難以承受 只有及時開展SOC設計自動化方法的基礎研究，建立新的SOC設計與測試方法學，才能彌補這一差距。,,SOC的設計的專業(yè)化水平越來越高，促成了設計平臺的前端越來越依賴系統(tǒng)，設計平臺的后端越來越依賴工藝： 前端是一個建立系統(tǒng)級描述、驗證的仿真平臺： 要有對市場需求快速反應的專業(yè)背景 要有豐富的可重用的(IP)設計資源 軟、硬件的協

17、同設計的能力 管理設計的經驗和團隊合作精神 后端是一個高效、可靠的實現設計的工藝環(huán)境： 穩(wěn)定的工藝流程(人員和素質) 豐富的經工藝驗證過的固核 靈活的代工方式(如MPW支持等) 制造、測試和封裝一體化的服務,1、SOC集成方法學研究的對象： 信息處理算法和協議到SOC的結構映射：建立軟、硬件設計的統(tǒng)一框架、公共母線，處理好數據流、控制流和地址流。 芯核及其可復用性和可嵌入性：以MPU和DSP為核建立RTOS支持的GPIO，實現MidWare支撐的API 高性能、低功耗電路與系統(tǒng)：這是實現無線、可移動多媒體系統(tǒng)的便攜電子產品的關鍵 新型定時系統(tǒng)與異步系統(tǒng) 模擬、射頻及混合信號集成電路,2 SOC

18、的綜合、驗證與測試理論的研究內容： 芯片系統(tǒng)的行為表示理論：預估功耗、互連線延時、噪聲、可靠性等SOC的高層次抽象模型和結構化表示理論。 互連線的建模、仿真與線網綜合：以互連線為中心的模式需要研究互連線的建模與快速仿真方法，以及時鐘線網和電源線網的仿真和綜合。 與物理層相關的系統(tǒng)綜合：當互連線決定了芯片延遲性能時，融合系統(tǒng)綜合和布局綜合可解決設計不收斂的難題。 從行為級到版圖級的驗證與測試生成：復雜度使驗證和測試生成占SOC設計時間的50%以上，必須研究新型故障模型的建模和故障模擬技術。 SOC的可測試性設計：SOC中器件數與引腳數的比率大大提高，如何保證SOC的可測試性成為嚴峻的挑戰(zhàn)。,3、

19、用于SOC的集成微傳感系統(tǒng) 微觀聲、光、熱、力、電耦合與等效分析 微結構動力學建模分析：研究微觀輸運機制與非線性效應對微傳感器敏感結構的響應的影響。 集成微傳感器、陣列芯片和分析系統(tǒng)： 研究微傳感器及其預處理電路的集成技術 微傳感器陣列形成與信號時空預處理能力。 微傳感與集成電路的兼容性： 集成工藝的兼容性和微結構與集成電路的兼容技術。 解決微傳感器與數字CMOS工藝的兼容性問題,4、面向SOC的小尺寸MOS器件科學問題研究： 亞0.1微米MOS器件結構：高K柵介質、及新型柵電極、源漏結構等為突破亞0.1微米MOS器件限制提供技術平臺。 0.1微米級MOS器件模型、參數提取和仿真：建立適于SO

20、C設計的0.1微米級MOS器件模型，探討參數提取及電路仿真的方法。 0.1微米級MOS器件的可靠性分析：解決器件、互連可靠性及熱效應問題。 0.1微米級器件用硅材料的缺陷問題：研究納米級微觀缺陷在生長和后工藝過程中的演變特征，揭示相關的物理機制 0.1微米級器件光刻工藝基礎：X射線及電子束的新一代0.1微米級光刻技術。,5、適于SOC的新材料及新器件探索與集成研究： 低功耗高性能SOC器件及材料： 0.1微米和1V左右電源電壓的低功耗深亞微米器件 研制新型低功耗高性能SOC器件電路。 射頻電路用的新器件和相關材料問題： SiGe、SiGeC等新型硅基異質結構材料及器件研究 GaAs射頻模擬電路與硅CMOS工藝不兼容對無線通訊SOC的制約,作 業(yè),1、簡述SOC的概念，IP核的概念 2、按照描述和實現形式劃分，IP核的分類及其各自的特點？,