SoC可以說是現(xiàn)今工藝最復雜、生產(chǎn)最高端芯片的技術方案。

SoC

小身材 大功能

SoC即System on Chip，中文名為片上系統(tǒng)，也指系統(tǒng)級芯片，是一個有專用目標的集成電路產(chǎn)品，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部內(nèi)容。同時它又是一種技術，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。

智能手機、電腦最核心最關鍵的一顆芯片就是SoC芯片。

智能手機可能是生活中最多使用且具有SoC的電子產(chǎn)品。手機的大腦，所說的“處理器”就屬于SoC，目前主流的手機SoC有驍龍8Gen1、麒麟9000、天璣9000等。這些SoC都集成了CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）、NPU（嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡）、ISP（圖像處理），以及通信基帶和存儲等等,將眾多的功能單元集成在一個芯片上組合成為一個系統(tǒng)。簡單說來，SoC就是集CPU、GPU、存儲、顯示等功能于一體的芯片。麻雀雖小，五臟俱全。綜上可以看出，SoC的集成度極其高，這減少了外圍模和電路的使用，這對縮短開發(fā)周期和減少開發(fā)成本是非常有益的。目前電腦CPU也有朝SoC發(fā)展的趨勢，部分型號的CPU將內(nèi)存、Wi-Fi等集成至CPU中，使得有更小體積的電腦出現(xiàn)。以麒麟9000為例，集成Cortex內(nèi)核、Mali系列GPU、5G基帶等功能，而在很多廠商設計手機SoC身上，我們都可以看到Cortex內(nèi)核的身影，這體現(xiàn)了SoC的IP核可以重用的特點；而且，其使用的Cortex內(nèi)核中，使用了四個Cortex-A77和四個Cortex-A75，這也很符合SoC可以具有多個IP核心的特征。另外，對SoC性能影響最大的：CPU單核、CPU多核和GPU。CPU多核性能關鍵看架構：X2≈X1>A78>A77>A76>>A75>A73>>>A55/A53（構架相同時，頻率越高越強；其他相同時，四大核比自然雙大核強）。同級產(chǎn)品的CPU和GPU性能一般都是對應的。

SoC

分類與設計

手機的SoC可以說是屬于高端的SoC；相對的，也有低端的SoC、中低端的SoC。低端的SoC可以簡單理解為MCU內(nèi)核加上特定的功能外設，多使用的MCU內(nèi)核有8051內(nèi)核及 Cortex-M4 內(nèi)核，例如，TI設計生產(chǎn)的藍牙SoC——CC2541（億佰特具有對應產(chǎn)品：E104-BT01）使用的8051內(nèi)核，同樣也是TI生產(chǎn)設計的藍牙SoC——CC2640（億佰特也有對應產(chǎn)品：E72-2G4M05S1B）使用的Cortex-M3內(nèi)核。下圖為CC2541的簡化結(jié)構框圖：從中可以看出，該SoC包含了51內(nèi)核、內(nèi)存管理、其他外設等，而其特定的功能便為藍牙射頻功能。可以說，不同的SoC適用于不同的領域。

SoC設計流程（1）

SoC的設計需要軟硬件的同步設計。根據(jù)設計需求，進行仿真和建模，根據(jù)功能劃分軟件和硬件部分，在軟件和硬件協(xié)同完成，經(jīng)過測試，投產(chǎn)，便得到了所使用的SoC。下圖為SoC設計流程：

SoC設計流程（2）

高級別的SoC芯片，比如華為海思的麒麟990——現(xiàn)今市面上最先進的手機處理器芯片，集成了8核CPU、16核GPU和3核NPU構成的神經(jīng)網(wǎng)絡人工智能模塊、高速閃存控制模塊、圖像處理模塊、音頻和視頻處理模塊等等。與麒麟980相比，還增加了5G模塊。這種高級別的SoC需要十分復雜的設計和加工，高端SoC芯片的CPU、GPU、NPU這些模塊都得使用最先進的工藝技術，成本高、工藝復雜、成品率低。如麒麟990采用臺積電7納米加工工藝，7納米節(jié)點大概需要4000多道工序，其中僅光刻掩膜成本就得花費上千萬美元，而整體的芯片設計成本高達上億美元。因此，整顆芯片的造價才會如此昂貴。

SIP

先進封裝技術

除了SoC，有時也還會聽說SIP（System in a Package），即系統(tǒng)級封裝。比較粗略地來看，SoC與SIP都是把邏輯組件和內(nèi)存組件等整合到一個系統(tǒng)中，但兩者的區(qū)別在于，SoC是從設計的初始，它就是一個集合的單獨的芯片；而SIP是以封裝的技術，將所需的功能模塊（模塊也可單獨使用或者掛載外部使用）封裝在一起從而實現(xiàn)一個基本完整的功能。以億佰特產(chǎn)品E78-900M系列采用的ASR6505和E76系列采用的EFR32FG1P131為例。ASR6505是一顆SIP封裝，集成STM 8位核心（STM8L152）和LoRa（SX1262）無線電收發(fā)器的通用的LoRa無線通信芯片組，也屬于MCU一類。下圖為ASR6505的模塊框圖，ASR6505引出來的引腳既有STM8的、也有SX1262的引腳，其中SX1262與MCU通信相關的SPI引腳、DIO引腳、BUSY引腳已經(jīng)在芯片內(nèi)部連接在了一起。外部引出了晶振、UART、I2C等引腳用于芯片其他功能的擴展和開發(fā)。對此芯片進行開發(fā)時我們完全可以按照STM 8的開發(fā)方式進行。

ASR6505 和 ASR LoRa通信模塊的框圖

對于E76系列采用的EFR32，就屬于SoC了。如下圖，可以看出，EFR32芯片內(nèi)部系統(tǒng)包含了CPU（使用ARM的Cortex-M4內(nèi)核）和存儲部分，時鐘管理，電源管理，無線電（包含了藍牙4.2，Sub-G等），通信串行總線，I/O，定時器，模擬接口和安全功能等。這些功能集合在單一的芯片上，完成了一個電子系統(tǒng)的功能。SIP和SoC皆有各自的優(yōu)勢和特點，對于SoC，受限于技術障礙，設計周期等，SIP的發(fā)展在業(yè)界中愈被重視。

EFR32系統(tǒng)框圖

國產(chǎn) SoC

發(fā)展現(xiàn)狀

高端的SoC芯片目前具備研發(fā)實力的是蘋果、三星和華為。華為海思的麒麟系列SoC是華為自主設計研發(fā)，其對標蘋果A系列、高通驍龍，以及三星的獵戶座處理器。但因受制裁影響，臺積電不再為華為代工。華為海思倒下后，紫光展銳被認為是國內(nèi)SoC領頭羊，成為“后海思時代”最被看好的國產(chǎn)芯片廠商之一。紫光展銳已在物聯(lián)網(wǎng)領域開拓出自己的道路。據(jù)Counterpoint最新研究報告顯示，紫光展銳在2021年第三季度全球蜂窩物聯(lián)網(wǎng)芯片市場占據(jù)26.8%的市場份額排名第二，并在LTE Cat.1芯片細分賽道上超越了高通成為全球第一。此外，消費級SoC中瑞芯微、晶晨股份、富瀚微、樂鑫科技等也值得看好。瑞芯微是國內(nèi)音視頻主控SoC的先鋒，晶晨股份是國內(nèi)多媒體終端SoC龍頭，是國內(nèi)極少數(shù)的電視芯片供應商，樂鑫科技其Wi-Fi MCU SoC通信芯片及其模塊在全球市場份額中排名第一，富瀚微ISP芯片的ASP是該領域龍頭。目前國內(nèi)SoC芯片產(chǎn)品覆蓋還算廣泛，但底層架構依然依賴于國際的ARM以及X86架構。受制裁影響，國產(chǎn)SoC芯片發(fā)展之路任重而道遠。