摘要 本文阐述了SoC研究内容与分类技术特点,从CSoC,SoPC,ASIC SoC的实现技术对应构令流C,数据流D,指令流I等体系结构概念,提出SoC体系结构CDI三维模型来反映SoC发展规律,并指出SoC技术发展趋势.
关键词 体系结构,CSoC,SoPC,ASIC SoC,构令流,数据流,指令流
引 言
回顾计算机发展史,计算机技术发展与IC(集成电路)技术发展紧密相关.半个多世纪以来,计算机发展主要经历了真空管(1代),晶体管(2代),集成电路(3代),微处理器(4代)等时代.目前IC设计产业中出现了系统设计和IP核设计的分工,形成了以SoC (System On a Chip) 技术为主导的chipless设计方式,对计算机技术发展将产生较为深远影响.
SoC设计方法学已引起了工业界和学术界的极大关注,是后PC时代的重要发展方向.SoC可以充分利用已有的设计积累,显著地提高ASIC的设计能力,缩小设计能力与IC工艺能力的差距.其设计方法学与计算机的发展紧密相关,会进一步拓展计算机体系结构发展方向[1].
SoC通常将微处理器,模拟IP核,数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上[2].SoC可以使应用产品实现小型,轻量,低功耗,多功能,高速度和低成本,因此具备较强的市场竞争力,主要广泛用于计算机,通信,消费,工控,交通运输等领域.在过去6,7年中,SoC得到了快速发展.据估计,到2007年销售额将达347亿美元,年增长率超过20%[2].二十一世纪初将是SoC快速发展的时期.
当前,无论在国际上还是国内,在SoC设计领域已展开激烈竞争.SoC按实现技术可分为三类,一类是CSoC,当前仍以学术研究机构为主导,注重体系结构探索性工作;另一类是SoPC,以FPGA厂商和科研机构为主导,适合多品种少批量产品开发;第三类是ASIC SoC,以微处理器和芯片设计公司为主导,追求良好的性价比,适合大批量规模生产;其它如PSoC,EPGA均可归入SoPC类.SoC按指令集来划分,主要有X86系列,ARM 系列,MIPS系列和类指令系列,性能成本各有千秋.
在国际上,基于x86 SoC的产品有国家半导体公司的SC2200,适合做无线浏览器(WebPad),瘦客户机和机顶盒等产品.在我国台湾地区,如Rise Technology公司的SCX501,SiS公司的SiS550系列,均属于x86系列的SoC,适合做信息家电产品;基于ARM系列的SoC更是数不胜数,如Sharp的LH7A400,Samsung的S3C44AOA,OKI的ML67Q530等;基于MIPS系列的产品主要是AMD Alchemy Au1000,Au1500等系列产品;基于类指令系列的产品,如Crusoe TM5800,采用超长指令,代码效率高.国内SoC研制开发者主要基于MIPS系列和类指令系列,如中科院计算所中科SoC(基于龙芯CPU核,兼容MIPSIII指令集),北大众志(定义少许特殊指令),方舟2号(自定义指令集),国芯C*Core(继承M*Core)等,提供了面向不同应用领域的解决方案.方舟与国芯走低功耗发展之路,北大走嵌入式发展之路,计算所走高性能系统集成发展之路.
SoC自20世纪90年代后期出现以来,随着超深亚微米工艺的不断发展,以3C融合为特征的后PC时代给SoC发展创造了广阔的发展空间,也日益引起学术界和工业界的极大关注[3].SoC品种日益繁多,在关注面积,延迟,功耗的基础上,设计目标在向高成品率,高可靠性,低EMI噪声,低成本,高易用性等方面转移,这将使系统级集成能力快速发展.本文从计算机体系角度刻画SoC总体架构的分类,力求把握其发展规律,共同探讨SoC学科的发展趋势.
SoC研究内容
尽管SoC沿CSoC,SoPC,ASIC SoC这三个方向发展,但最具挑战性的还是ASIC SoC研究领域.SoC设计方法学主要研究总线架构技术,IP核可复用技术,可靠性设计技术,软硬件协同设计技术,SoC设计验证技术,芯片综合/时序分析技术,可测性/可调试性设计技术,低功耗设计技术,新型电路实现技术等[4][5],此外还要做操作系统/嵌入式软件移植,开发研究,是一门跨学科的新兴研究领域.
2.1 总线架构技术
总线结构及互连技术,直接影响芯片总体性能发挥.对于单一应用领域,可选用成熟的总线架构;对于系列化或综合性能要求很高的,可进行深入的体系结构研究,构建各具特色的总线架构,做精做强,不受制于第三方,与系统同步发展,更具竞争力.目前SoC开发研制主要有基于平台(包括自主构建总体架构),基于核,基于合成等方法,不断推出性能更好,扩展性更强的总线规范,如AXI总线(AMBA总线升级),L*BUS总线(中科院计算所)等.