作者:陳春章
鵬城實驗室,(浙江大學(xué)/國科大兼職教授)
摘 要
基于同一個技術(shù)平臺的片上系統(tǒng)芯片(System-on-Chip, SoC)設(shè)計概念在20世紀末期提出。當人們將CPU,GPU,存儲器等集成到同一塊芯片,并成功地用于廣受歡迎的消費電子產(chǎn)品時,SoC設(shè)計從架構(gòu)、設(shè)計方法到產(chǎn)品成了集成電路產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品之一。隨著2010前后物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)技術(shù)應(yīng)用的推廣,包括隨后4G/5G技術(shù)的成熟,SoC產(chǎn)品的微處理控制器(micro-controller unit, MCU)成為熱門。用于人工智能機器學(xué)習(xí)的類腦芯片(neurol processing unit, NPU)出現(xiàn)后,多個或若干個CPU/GPU等,多核異構(gòu)設(shè)計將SoC設(shè)計不斷向先進工藝節(jié)點推進,并幾乎到達了CMOS集成電路的技術(shù)極限。本文側(cè)重IoT的應(yīng)用,簡要介紹SoC的發(fā)展和演變過程。
關(guān)鍵詞:System-on-Chip, ASIC, SoC, CPU, IoT, MCU, NPU, IIoT, AIoT
產(chǎn)業(yè)發(fā)展
基于RFID標簽(tag)的應(yīng)用,Kevin Ashton于1999年首次提出通過英特網(wǎng)連接器件,即物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的概念。IoT名詞在21世紀初期得到廣泛傳播,首次國際IoT會議于2008年在瑞士舉行,有23個國家參加。會議討論了RFID與短程無線通信,以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)細節(jié)。據(jù)此,思科公司2011年提出未來通過IoT實現(xiàn)的無線連接器件每人達到多個,見表1[1]。
年份 | 2003 | 2010 | 2015 | 2020 |
全球人口,億 | 63 | 68 | 72 | 76 |
連接器件,億 | 5 | 125 | 250 | 500 |
人均器件,個 | 0.08 | 1.84 | 3.47 | 6.58 |
物聯(lián)網(wǎng)IoT的應(yīng)用大大地推動了集成電路,尤其是片上系統(tǒng)芯片SoC的設(shè)計與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。SoC設(shè)計是由專用集成電路(application-specific integrated circuit, ASIC)設(shè)計演變而來:通常,ASIC專為獨家用戶設(shè)計使用;當ASIC產(chǎn)品成為多家或若干用戶使用時,人們將其稱作專用標準產(chǎn)品(application-specific standard product, ASSP)。
以往的ASIC和ASSP設(shè)計中常常使用的模塊稱作客戶自有模塊(custom-owned tooling, COT);這些設(shè)計也可以不使用處理器。當ASIC和ASSP設(shè)計集成了處理器時,這時,人們就習(xí)慣將這一類的設(shè)計稱為SoC設(shè)計了[2]。
IoT的SoC設(shè)計與應(yīng)用
SoC設(shè)計起初與IP復(fù)用(re-use)需求相關(guān), Henry Chang等于1999年的著作中聲稱,SoC的變革來了,提醒人們加以關(guān)注[3]。2007年,蘋果公司發(fā)布了iPhone手機,其基帶芯片設(shè)計帶動了SoC設(shè)計熱潮。
由于過去10年來IoT市場的迅速發(fā)展,以(micro-controller unit, MCU)為核心的設(shè)計得到了極大關(guān)注。人們定義SoC所包括的內(nèi)容有處理器,存儲器和IP模塊以及客戶自有模塊COT[4]; MCU除了包含SoC的設(shè)計內(nèi)容,還包括傳感器,無線等多種接口和輸入輸出信號控制等多種IP模塊,廣義地說,MCU也是一種SoC設(shè)計[4]。時至今日,數(shù)百家IP廠商已經(jīng)設(shè)計出上萬種IP模塊,因此,COT模塊已經(jīng)逐步由標準化的IP模塊所取代,人們甚至逐漸淡忘了COT模塊過去的歷史角色。
早期的ASIC設(shè)計或SoC設(shè)計通常僅有單個CPU(單核)。當更多類型的IP模塊集成到SoC中,這時的SoC設(shè)計技術(shù)要點聚焦于芯片的可靠性及其解決方案,例如,對各種IP模塊的設(shè)計驗證,數(shù)字電路部分的可測試性等等。
對用于IoT的SoC設(shè)計,更多地集成了模擬和射頻電路。雖然芯片規(guī)模比以數(shù)字電路為主的傳統(tǒng)的SoC要小一些,這類的SoC設(shè)計技術(shù)要點還要聚焦于數(shù)?;旌显O(shè)計,仿真和驗證等。
按照采用的 CPU不同,MCU設(shè)計主要有8位、16位、32位、64位等不同系列,最常見的有以8051為代表的早期8位處理器MCU以及以ARM Cortex-M系列為代表的 32位處理器MCU。MCU的特點是自成一體的小型計算與無線控制系統(tǒng),處理能力不同的CPU,提供不同的計算處理性能和運算頻率。
根據(jù)IoT的應(yīng)用場景來看,基于MCU的SoC設(shè)計功能大致可分為以下幾類。1)普適IoT應(yīng)用:例如,電子游戲,智能穿戴(手表、耳機),智能家居家電等。2)工業(yè)IoT應(yīng)用(Industry IoT, IIoT)與汽車電子:例如,生產(chǎn)線運行和物流運輸?shù)?,汽車電子控制單?electronic control unit, ECU)中的MCU。3)人工智能IoT(AI IoT, AIoT):例如,基于機器學(xué)習(xí)的智慧城市,視頻監(jiān)控等。
IoT的原初定義是,電子器件通過無線(或有線)與英特網(wǎng)互聯(lián),進行數(shù)據(jù)傳輸和通信,達到信息交換、控制運行的目的。以上IoT, IIoT和AIoT三種應(yīng)用場景所需求的SoC設(shè)計則都可以包括在內(nèi)。因此,廣義來看,用于IoT的SoC設(shè)計, IIoT和AIoT與IoT緊密相連,并將集成電路設(shè)計技術(shù)、工藝方法推往極限。
展 望
2005-2006年,AMD/Intel相繼發(fā)布了第一個雙核(dual core)處理器;2008-2009年,相繼發(fā)布了第一個4核(quad core)處理器;2017年,分別發(fā)布了用于臺式電腦的16核處理器(Ryzen/Core-i9)。當雙核,4核,8核等多核(multiple cores)SoC設(shè)計技術(shù)成功之后,含有數(shù)十個以致數(shù)百個CPU眾核(many cores)的用于AIoT的SoC設(shè)計則接踵而來。這些AIoT設(shè)計,即用于計算和通信的SoC設(shè)計規(guī)模正將CMOS工藝技術(shù)和制造從當前量產(chǎn)的10/7/5nm推向2/1nm的極限。另一方面,用于IoT的SoC/MCU設(shè)計內(nèi)容和IP模塊多樣,在工藝制造方面受成本控制,以180nm為主流,一些先進設(shè)計達到28nm。因此,還有極大的工藝空間可以施展。在比較流行的ARM為主的CPU選擇上, RISC-V在MCU的設(shè)計中,也正在成為新秀。
MCU產(chǎn)品的應(yīng)用市場廣闊、種類繁多。由于技術(shù)起點相對較低,國內(nèi)已有近百家MCU設(shè)計團隊。當前聚焦4位MCU的設(shè)計比較少見;8位和16位的MCU較多;32位和64位MCU的設(shè)計將是更重要的發(fā)展方向。順便指出,無論哪一類SoC設(shè)計,它們都將繼續(xù)依賴于EDA工具和流程方法[5]。
原文標題:物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的片上系統(tǒng)芯片(SoC)設(shè)計
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