作者：陳春章

鵬城實驗室，(浙江大學/國科大兼職教授)

摘 要

基于同一個技術平臺的片上系統芯片(System-on-Chip, SoC)設計概念在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品時，SoC設計從架構、設計方法到產品成了集成電路產業的主流產品之一。隨著2010前后物聯網(Internet of Things, IoT)技術應用的推廣，包括隨后4G/5G技術的成熟，SoC產品的微處理控制器(micro-controller unit, MCU)成為熱門。用于人工智能機器學習的類腦芯片(neurol processing unit, NPU)出現后，多個或若干個CPU/GPU等，多核異構設計將SoC設計不斷向先進工藝節點推進，并幾乎到達了CMOS集成電路的技術極限。本文側重IoT的應用，簡要介紹SoC的發展和演變過程。

關鍵詞：System-on-Chip, ASIC, SoC, CPU, IoT, MCU, NPU, IIoT, AIoT

產業發展

基于RFID標簽(tag)的應用，Kevin Ashton于1999年首次提出通過英特網連接器件，即物聯網(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，以及傳感器網絡的技術細節。據此，思科公司2011年提出未來通過IoT實現的無線連接器件每人達到多個，見表1[1]。

物聯網IoT的應用大大地推動了集成電路，尤其是片上系統芯片SoC的設計與產業發展。SoC設計是由專用集成電路(application-specific integrated circuit, ASIC)設計演變而來:通常，ASIC專為獨家用戶設計使用；當ASIC產品成為多家或若干用戶使用時，人們將其稱作專用標準產品(application-specific standard product, ASSP)。

以往的ASIC和ASSP設計中常常使用的模塊稱作客戶自有模塊(custom-owned tooling, COT)；這些設計也可以不使用處理器。當ASIC和ASSP設計集成了處理器時，這時，人們就習慣將這一類的設計稱為SoC設計了[2]。

IoT的SoC設計與應用

SoC設計起初與IP復用(re-use)需求相關， Henry Chang等于1999年的著作中聲稱，SoC的變革來了，提醒人們加以關注[3]。2007年，蘋果公司發布了iPhone手機，其基帶芯片設計帶動了SoC設計熱潮。

由于過去10年來IoT市場的迅速發展，以(micro-controller unit, MCU)為核心的設計得到了極大關注。人們定義SoC所包括的內容有處理器，存儲器和IP模塊以及客戶自有模塊COT[4]; MCU除了包含SoC的設計內容，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設計[4]。時至今日，數百家IP廠商已經設計出上萬種IP模塊，因此，COT模塊已經逐步由標準化的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設計或SoC設計通常僅有單個CPU(單核)。當更多類型的IP模塊集成到SoC中，這時的SoC設計技術要點聚焦于芯片的可靠性及其解決方案，例如，對各種IP模塊的設計驗證，數字電路部分的可測試性等等。

對用于IoT的SoC設計，更多地集成了模擬和射頻電路。雖然芯片規模比以數字電路為主的傳統的SoC要小一些，這類的SoC設計技術要點還要聚焦于數?；旌显O計，仿真和驗證等。

按照采用的 CPU不同，MCU設計主要有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，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IoT的應用場景來看，基于MCU的SoC設計功能大致可分為以下幾類。1）普適IoT應用：例如，電子游戲，智能穿戴（手表、耳機），智能家居家電等。2）工業IoT應用(Industry IoT, IIoT)與汽車電子：例如，生產線運行和物流運輸等，汽車電子控制單元(electronic control unit, ECU)中的MCU。3）人工智能IoT(AI IoT, AIoT)：例如，基于機器學習的智慧城市，視頻監控等。

IoT的原初定義是，電子器件通過無線(或有線)與英特網互聯，進行數據傳輸和通信，達到信息交換、控制運行的目的。以上IoT, IIoT和AIoT三種應用場景所需求的SoC設計則都可以包括在內。因此，廣義來看，用于IoT的SoC設計， IIoT和AIoT與IoT緊密相連，并將集成電路設計技術、工藝方法推往極限。

展 望

2005-2006年，AMD/Intel相繼發布了第一個雙核(dual core)處理器；2008-2009年，相繼發布了第一個4核(quad core)處理器；2017年，分別發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設計技術成功之后，含有數十個以致數百個CPU眾核(many cores)的用于AIoT的SoC設計則接踵而來。這些AIoT設計，即用于計算和通信的SoC設計規模正將CMOS工藝技術和制造從當前量產的10/7/5nm推向2/1nm的極限。另一方面，用于IoT的SoC/MCU設計內容和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的設計中，也正在成為新秀。

MCU產品的應用市場廣闊、種類繁多。由于技術起點相對較低，國內已有近百家MCU設計團隊。當前聚焦4位MCU的設計比較少見；８位和16位的MCU較多；32位和64位MCU的設計將是更重要的發展方向。順便指出，無論哪一類SoC設計，它們都將繼續依賴于EDA工具和流程方法[5]。

原文標題：物聯網(IoT)應用的片上系統芯片(SoC)設計

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責任編輯：haq