《微电子学概论》第七章系统芯片SOC设计.ppt

系统芯片(SOC)技术,世界集成电路设计技术发展现状,世界集成电路加工工艺水平为0.13微米，正在向0.09微米、12英寸加工工艺过渡系统芯片（System-on-Chip）正在成为集成电路产品的主流超大规模集成电路IP复用（IP Reuse）和硬软件协同设计水平日益提高集成电路设计业、制造业、封装业三业并举，相对游离设计工具落后于设计水平,SOC-摆脱IC设计困境的途径,功能越来越复杂，一个团队不可能从每一个晶体管设计开始，必须用第三方的IP核多个芯片在I/O上会增加功耗，SOC方法可降低功耗产品的生命周期越来越短，制版费用越来越贵，芯片必须可以重构，以延长其生命周期，并且，产品的上市时间的压力，要求快速开发深亚微米设计的问题，时序收敛更加困难芯片复杂度增加，使得验证更加困难,集成电路发展成系统芯片（SOC）,分立元件,集成电路IC,系统芯片System On A Chip（SOC）,IC的速度很高、功耗很小，但PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法性能日益提高满足整机系统的要求,IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成109-1010个晶体管,在需求牵引和技术推动的双重作用下,将整个系统集成在微电子芯片上,OUTLINE,系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势,SOC是什么？,SOC（System on a Chip),系统芯片，片上系统，单芯片系统。,一种实现复杂系统功能的超大规模集成电路系统芯片SOC不仅包含复杂的硬件电路部分，而且还包含软件部分复杂硬件电路一般内含一个和多个芯核（特指微处理器MPU、微控制器MCU或数字信号处理器DSP等作为软件执行载体的特殊IP），而且在设计中大量复用第三方的IP核一般采用超深亚微米工艺技术实现,系统芯片SOC结构示意图,ASIC(Application Specific Integrated Circuits)设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核心，以IP 复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成芯片将一个系统的多个IC集成在一个芯片上可以提高系统性能、减小尺寸、降低成本,系统芯片SOC,封装内的系统（System in Package，SIP）,将组成系统的几个不同工艺集成电路封装在一起,早期的SOC概念 仅限于集成计算引擎、存储器及逻辑电路目前的SOC 集成多种功能电路，可满足不同的系统应用的需要 如手机、数码相机、MP3播放机、DVD播放机,蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的全球标准，基于低成本短距离无线连接。包括微处理器、存储器、RF电路、数字基带处理器、模拟和数字接口、多种音频和数据接口等,蓝牙SOC,SOC设计与目前集成电路设计的区别：,采用IP核进行设计，提高设计产能软硬件协调设计可集成不同类型的功能模块，如逻辑、模拟、光电、生物电等。需要更高的设计验证采用超深亚微米（VDSM）技术需要一个或多个嵌入式CPU和DSP对设计人员的要求高具有可从外部对芯片进行编程的功能,SOC的实现方式：其一是增加通用MPU的功能和性能，并在片上集成较大的Cache、DROM和I/O。其二是设计专用芯片，专用芯片可以大大提高芯片的面积利用率，从而减低成本。一种基于CPU和DSP Core的SOC混合实现方式可以在集成度和通用性两方面兼顾，如HP和SUN的多媒体工作站都把MPEG的图象压缩、MODEM、FAX和音频处理，同时集成在SOC中。,SOC的技术瓶颈在于：1)EDA工具的能限，EDA工具总是赶不上工艺的发展。2)IP模块的兼容性：各种IP模块综合时，很难得到最佳的速度、面积和时序预测。也缺少统一的虚拟模块界面标准。3)深亚微米带来的挑战：短沟道效应、金属层之间的交叉效应以及模块间的信号规整度都对性能影响极大。4）测试、封装和散热的困难。,OUTLINE,系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势,SOC的设计过程,OUTLINE,系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势,SOC关键技术,软硬件协同设计：传统设计以硬件为主,SOC设计中不仅有复杂硬件设计，还要考虑软件IP核技术：IP核的设计和复用超深亚微米技术,软硬件协同设计,划分理论：符合系统要求、符合实现代价约束的硬件和软件架构，使代价最小，性能优化 仍在发展中系统描述语言：定义系统级软件描述及硬件描述 传统的HDL语言，与软件设计语言不一致，难以将软件和硬件连接在一起进行协同的设计、验证从软件语言上发展起来，可以对硬件建模，考虑硬件中的并行性、时间概念、重新启动机制等,出现背景：设计复杂度高，需要进入市场的时间短进行设计复用：采用前人成功的经验和设计成果例：处理器内核的复用可以使设计人员从繁重的处理器设计中解脱出来，更加关注于系统功能的实现和系统性能的提高,IP核设计技术,IP核是什么？,IP（Intellectual Property）：知识产权1）有独立功能的、经过验证的集成电路设计；2）为了易于重用而按嵌入式要求专门设计的；3）面积、速度、功耗、工艺容差上都是优化的；,基于IP复用的SOC设计,计算引擎类:RISC（MIPS,ARM）和x86 CISC通信类:TI,LUCENT,ADI,MOTOROLA的OAK和PINE核(DSP)、MCU嵌入式存储器类混合信号类：数模混合IP其它类型：如调制/解调，数据压缩，加密，语音编码，ISDN，USB等,IP核的分类,按照应用种类划分,IP核的分类,按照描述和实现形式划分,软IP硬IP固IP,特点：以HDL描述；性能通过时序模拟验证，不依赖于工艺和实现技术，可复用性高，可将软核映射到自己的工艺上；问题：价格高，提供者不多；用于SOC设计时需要很多的设计投入；风险大；是否可以结合任一工艺库进行综合仍是问题,特点：以版图形式描述；性能和面积经过优化；经过工艺流片验证；当用于SOC设计时所需设计投入较少；安全性较高问题：与工艺有关，在具体物理功能和性能方面难以修改；与工艺的相关性使电路其他部分的设计也需要使用该工艺,特点：以网表描述；经过了FPGA硬件验证；时序特性经过严格检验，只要保证布局布线中关键路径的寄生参数不引起时序错误就可以保证芯片设计的正确性。问题：与工艺相关限制了其使用范围；网表的难读性使发生时序错误难以修改,第三方IP供应商例：ARM（advanced RISC Machines）,Rambus公司：着重一种高度优化的硬IP开发 Virtual Chips,Mentor Graphics：提供软IP库 各公司自己开发IP,FOUNDRY代工厂EDA工具开发商IP核供应商单元库开发商ASIC设计公司.,ICSOC,20世纪90年代,基于IP复用的SOC设计,系统芯片SOC一般采用基于核设计，它是指将一个系统按功能划分成若干模块，然后直接利用第三方设计好的IP核，并将他们集成为一个具有特定功能芯片的过程。基于核设计的核心就是复用IP核。IP核复用绝不等同于集成电路设计中的单元库的使用，不是一些IP核的简单堆砌，还包含IP核测试复用。为了实现IP核的测试复用，需要在结构上进行精心设计,IP核复用技术,IP核复用技术,IP核生成IP核的复用IP核保护,比IC设计更为严格完整的文件化：需要给出规格说明、设计描述、测试方案,IP核复用IP选择：目前可供选择的好的IP还有限IP集成不是IP核的简单堆砌，会出现一些问题，尤其接口和时序问题、信号完整性、功耗等问题不同电路之间的兼容问题：模拟及混合信号、射频等不同类型电路的集成要求不同 EDA工具还需发展,由于不同类型电路集成在一起，验证工作变得十分困难 数字电路、模拟电路、存储器电路的验证 混合电路仿真模拟 时延、功耗、信号完整性的验证以及后仿真,SOC验证,IP核的测试(core-level test)完成对独立IP核的测试IP核的测试访问(core test access)完成对IP核提供测试激励，并将测试响应从IP核中输出IP核测试外壳(core test wrapper)提供嵌入的IP核与其SOC环境交互的接口,SOC测试,SOC中IP核的测试,天线效应（antenna effect）电荷聚集在金属线上电迁移效应（electromigration effect）电荷的移动引起断路信号的完整性(signal integrity)电路中信号产生正确响应的能力,SOC的物理设计考虑,OUTLINE,系统芯片的基本概念和特点SOC的设计过程SOC关键技术及目前面临的主要问题SOC的发展趋势,系统集成,提高设计产能,涵盖不同技术,用IP核复用,SOC的发展趋势,系统芯片,进行混合技术设计，包括高性能或低功耗逻辑、嵌入式DRAM、模拟、射频等技术的集成。广义的SOC还可以包括微机电系统(MEMS)、光输入/输出等,它对微电子技术的推动作用不亚于自20世纪50年代末快速发展起来的集成电路技术21世纪将是SOC快速发展的时代，将成为市场的主导，加速电子产品的更新换代 随着需求的不断发展，专家预测，以硅技术为基础的集成电路产业还至少将发展12个世纪。,系统芯片(SOC)是微电子设计领域的一场革命,改变传统的IC设计思路和设计方法;促进整机系统的发展，带来革命性变化,SOC和IC的关系,IC和分立元器件的关系,类似,未来的方向1:封装内的系统（SIP）,1 基于不同工艺的技术，如砷化镓、锗硅、或硅管芯，无论是逻辑电路、存储器、RF、模拟还是数字电路，都可以装配在同一封装中，并满足热学、电学和机械性能；2 不同尺寸的工艺，如180纳米65纳米的管芯可以在一个封装内并存；3 其他技术，如MEMS、光电、视频器件都可以集成在同一个SIP内。,未来的方向1:封装内的系统（SIP）,4 不同的互连技术，如引线键合、倒装焊、都可以用于同一个封装内；5 其他无源器件如天线、不平衡变压器、滤波器、散热器、谐振器、连接器和屏蔽器等都可以制作在同一个封装内；6 OEM产品的修改和升级可以通过换用新的管芯来实现。,未来的方向2:可编程的SOC,在传统的SOC中集成一片可编程的逻辑，成为可配置的架构（FPGA SOC）；,SOC在推进人类社会信息化进程地同时，也推动微电子学科自身的发展。21世纪“半导体集成化芯片系统基础研究”的一个重要发展方向，即由集成电路(IC)向集成系统(IS)的转变。SOC的实现还面临许多挑战：传统IC设计与工艺制造的差距正在拉大，EDA工具能提供的年增长率仅为21，而按Moore定律发展的制造能力年增长率58。验证、测试和设计的差距也在拉大，验证一个复杂系统设计的正确性和测试工艺的缺陷，使之对EDA工具的计算能力的要求难以承受只有及时开展SOC设计自动化方法的基础研究，建立新的SOC设计与测试方法学，才能弥补这一差距。,SOC的设计的专业化水平越来越高，促成了设计平台的前端越来越依赖系统，设计平台的后端越来越依赖工艺：前端是一个建立系统级描述、验证的仿真平台：要有对市场需求快速反应的专业背景要有丰富的可重用的(IP)设计资源软、硬件的协同设计的能力管理设计的经验和团队合作精神后端是一个高效、可靠的实现设计的工艺环境：稳定的工艺流程(人员和素质)丰富的经工艺验证过的固核灵活的代工方式(如MPW支持等)制造、测试和封装一体化的服务,1、SOC集成方法学研究的对象：信息处理算法和协议到SOC的结构映射：建立软、硬件设计的统一框架、公共母线，处理好数据流、控制流和地址流。芯核及其可复用性和可嵌入性：以MPU和DSP为核建立RTOS支持的GPIO，实现MidWare支撑的API高性能、低功耗电路与系统：这是实现无线、可移动多媒体系统的便携电子产品的关键新型定时系统与异步系统模拟、射频及混合信号集成电路,2 SOC的综合、验证与测试理论的研究内容：芯片系统的行为表示理论：预估功耗、互连线延时、噪声、可靠性等SOC的高层次抽象模型和结构化表示理论。互连线的建模、仿真与线网综合：以互连线为中心的模式需要研究互连线的建模与快速仿真方法，以及时钟线网和电源线网的仿真和综合。与物理层相关的系统综合：当互连线决定了芯片延迟性能时，融合系统综合和布局综合可解决设计不收敛的难题。从行为级到版图级的验证与测试生成：复杂度使验证和测试生成占SOC设计时间的50%以上，必须研究新型故障模型的建模和故障模拟技术。SOC的可测试性设计：SOC中器件数与引脚数的比率大大提高，如何保证SOC的可测试性成为严峻的挑战。,3、用于SOC的集成微传感系统微观声、光、热、力、电耦合与等效分析微结构动力学建模分析：研究微观输运机制与非线性效应对微传感器敏感结构的响应的影响。集成微传感器、阵列芯片和分析系统：研究微传感器及其预处理电路的集成技术微传感器阵列形成与信号时空预处理能力。微传感与集成电路的兼容性：集成工艺的兼容性和微结构与集成电路的兼容技术。解决微传感器与数字CMOS工艺的兼容性问题,4、面向SOC的小尺寸MOS器件科学问题研究：亚0.1微米MOS器件结构：高K栅介质、及新型栅电极、源漏结构等为突破亚0.1微米MOS器件限制提供技术平台。0.1微米级MOS器件模型、参数提取和仿真：建立适于SOC设计的0.1微米级MOS器件模型，探讨参数提取及电路仿真的方法。0.1微米级MOS器件的可靠性分析：解决器件、互连可靠性及热效应问题。0.1微米级器件用硅材料的缺陷问题：研究纳米级微观缺陷在生长和后工艺过程中的演变特征，揭示相关的物理机制0.1微米级器件光刻工艺基础：X射线及电子束的新一代0.1微米级光刻技术。,5、适于SOC的新材料及新器件探索与集成研究：低功耗高性能SOC器件及材料：0.1微米和1V左右电源电压的低功耗深亚微米器件研制新型低功耗高性能SOC器件电路。射频电路用的新器件和相关材料问题：SiGe、SiGeC等新型硅基异质结构材料及器件研究GaAs射频模拟电路与硅CMOS工艺不兼容对无线通讯SOC的制约,作 业,1、简述SOC的概念，IP核的概念2、按照描述和实现形式划分，IP核的分类及其各自的特点？,