系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)的技術(shù)演進(jìn)與未來發(fā)展趨勢

本文作者為Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)產(chǎn)品營銷經(jīng)理Asem Elshimi，旨在說明系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)的技術(shù)演進(jìn)與未來發(fā)展趨勢。隨著SoC在支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)實(shí)現(xiàn)連接和計(jì)算功能方面發(fā)揮無可爭議的作用，該術(shù)語已成為行業(yè)流行用語，以至于難以將SoC與其他類型的集成電路(IC)區(qū)分開來。與電源管理芯片等單功能芯片相比，SoC在單芯片上集成了多種電子功能，而高質(zhì)量的SoC則是由在微型芯片上運(yùn)行的緊密結(jié)合的軟、硬件功能所組成。

其他半導(dǎo)體產(chǎn)品可以根據(jù)它們在一個(gè)芯片上集成的晶體管數(shù)量來判定是否合格;然而，這種判定方法無法準(zhǔn)確反映SoC上集成功能的質(zhì)量和復(fù)雜性。事實(shí)上，要使用更少的晶體管在SoC上構(gòu)建同等數(shù)量的功能實(shí)際上是超高集成能力的體現(xiàn)。

少有人知的SoC發(fā)展史

SoC少有人知的發(fā)展史可能會(huì)讓某些業(yè)內(nèi)人士感到驚訝，實(shí)際上SoC產(chǎn)品在正式推出之前已有部分與SoC相關(guān)的產(chǎn)品問世。計(jì)算機(jī)歷史博物館聲稱，第一個(gè)真正的SoC產(chǎn)品出現(xiàn)在1974年的Microma手表中。此外，快速瀏覽1989年出版的The Art of Electronics，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些示意圖看起來很像SoC，其具有步進(jìn)電機(jī)控制、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、串行I/O、集成ROM、定時(shí)器和事件控制器。這些早期的SoC有另一個(gè)表明它們功能而非它們架構(gòu)的名稱：專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)。

在SoC的發(fā)展歷史中，大部分時(shí)間它都處于大眾視野之外。由于是由具競爭力的科技公司所開發(fā)，SoC的大部分早期概念都掩藏在知識(shí)產(chǎn)權(quán)法的保密和保護(hù)之下。然而，技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的顯著進(jìn)展不僅讓SoC得以實(shí)現(xiàn)，還成為必要的產(chǎn)品。

在1990年代后期，手機(jī)革命推動(dòng)了在單芯片上集成多功能的發(fā)展。還記得以前的手機(jī)有多笨重嗎?舊手機(jī)至少包含十幾個(gè)執(zhí)行各種功能的芯片：一個(gè)中央處理器(CPU)處理網(wǎng)絡(luò)配置、用戶界面和所有高級(jí)功能;與CPU相關(guān)的RAM和Flash;一個(gè)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，執(zhí)行物理信道和語音編碼的數(shù)學(xué)密集型運(yùn)算;以及一個(gè)管理射頻(RF)收發(fā)器的混合信號(hào)IC。為持續(xù)提升手機(jī)的功能并使其更能吸引消費(fèi)者，制造商在不斷尋求進(jìn)一步的集成和小型化。

半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)的興起開啟了這種集成的可能性。IP核和IP塊是硅層面的設(shè)計(jì)(而不是物理芯片)，可以集成到其他芯片的設(shè)計(jì)中，成為更大型系統(tǒng)的構(gòu)建模塊。IP塊可以是存儲(chǔ)、I/O或處理器內(nèi)核。半導(dǎo)體公司已開始在他們的芯片設(shè)計(jì)中添加處理器內(nèi)核和存儲(chǔ)單元。當(dāng)半導(dǎo)體IP公司將多模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)作“黑匣子”出售時(shí)，多模塊的集成已然成形，進(jìn)而開啟了SoC的時(shí)代。

SoC能將手機(jī)上的芯片數(shù)量減少至少10倍。將分立元件集成在單芯片上顯著提升了效率，縮短了互連時(shí)間，使SoC設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，從而大幅降低功耗。其帶來的結(jié)果是，手機(jī)越變越小，性能顯著提升，且電池壽命更長。

在過去的二十年里，隨著進(jìn)一步集成和精心優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)手機(jī)已演變成為智能手機(jī)。一代又一代的SoC設(shè)計(jì)和優(yōu)化，為技術(shù)精進(jìn)提供了載體，從早期的手機(jī)時(shí)代開始，一直引領(lǐng)我們走到了今天。

作為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建模塊繼續(xù)崛起

SoC發(fā)展的另一個(gè)重要催化劑是物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)。利用微型、節(jié)能芯片將所有事物連上網(wǎng)絡(luò)的可能性意味著我們需要將越來越多的功能集成到單芯片上。對構(gòu)建更快、可互操作的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的興趣也促成了無線SoC的興起，其集成了射頻收發(fā)器、通用微控制器(MCU)、眾多高性能外圍設(shè)備(放大器、ADC、DAC)，以及非易失性存儲(chǔ)器，以執(zhí)行應(yīng)用處理和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，同時(shí)為無線網(wǎng)絡(luò)提供射頻連接。

無線SoC由多個(gè)硬件功能單元組成，包括運(yùn)行軟件代碼的微處理器，以及在這些功能模塊之間用于連接、控制、引導(dǎo)和接口的通信子系統(tǒng)。SoC包含許多必須經(jīng)常來回發(fā)送數(shù)據(jù)和指令的執(zhí)行單元，這意味著除了最普通的SoC之外，所有的SoC都需要通信子系統(tǒng)。最初，與其他微型計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，SoC使用的是數(shù)據(jù)總線架構(gòu)，但現(xiàn)在許多設(shè)計(jì)已改用更簡潔的互通網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品需要小型化和功耗優(yōu)化。如果物聯(lián)網(wǎng)旨在將電子設(shè)備連接到所有東西上，那么電子設(shè)備必須很小，并且在小型電池上盡可能保持長時(shí)間供電。這可能需要犧牲SoC的處理能力才能實(shí)現(xiàn)。

個(gè)人計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)可以在其相對可擴(kuò)展的內(nèi)存存儲(chǔ)上集成通用的、可互操作的操作系統(tǒng)，但SoC為了小型化和降低功耗就需要犧牲其處理能力和存儲(chǔ)容量。幸運(yùn)的是，由于無線物聯(lián)網(wǎng)SoC的特殊性，它們的軟件可以針對各種特定的應(yīng)用場景進(jìn)行優(yōu)化。雖然這可以實(shí)現(xiàn)更小、更高效率的器件，但它增加了SoC軟件的復(fù)雜性。位于更大系統(tǒng)中的SoC可能需要接口軟件才能在較大的系統(tǒng)中正常運(yùn)行。對于在物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的獨(dú)立SoC，對軟件棧的要求條件變得非常復(fù)雜。公平地說，無線SoC由兩個(gè)主要的、相互依賴的子系統(tǒng)組成：軟件和芯片。

在無線SoC中，另一個(gè)極其重要的子系統(tǒng)是安全性。雖然安全性與硬件和軟件息息相關(guān)，但是值得將其本身視為單獨(dú)的子系統(tǒng)，是因?yàn)镾oC的安全性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)遇到各種層面的威脅，因此需要在各個(gè)層面進(jìn)行安全防護(hù)，包括固件、網(wǎng)絡(luò)和用戶身份驗(yàn)證等層面。

邁向邊緣計(jì)算

據(jù)估計(jì)，到2025年，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的凈值將增長到519億(來源：Omdia)。物聯(lián)網(wǎng)中最受期待的發(fā)展之一是在邊緣設(shè)備中加入人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)。邊緣智能是指，針對捕獲的數(shù)據(jù)，在其附近的邊緣網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析，并提供具洞察力的見解。這些過程使物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能夠在本地作出決策，而無須將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，然后再接收返回的決策。由于無線SoC中最耗能的操作之一是射頻傳輸，邊緣智能在節(jié)能方面大有裨益。除了節(jié)能之外，在邊緣網(wǎng)絡(luò)上部署機(jī)器學(xué)習(xí)甚至無須將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生成的大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，這種數(shù)據(jù)傳輸不但非常耗時(shí)、成本高昂，而且會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)隱私問題。

隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)一步集成到邊緣設(shè)備中，SoC將持續(xù)在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。得益于更好、更高效率的半導(dǎo)體制造和設(shè)計(jì)技術(shù)，我們預(yù)期未來一代又一代的SoC將會(huì)擁有更強(qiáng)大的計(jì)算能力。

審核編輯：湯梓紅