物联网应用的SoC发展和演变过程

作者：陈春章

鹏城实验室，(浙江大学/国科大兼职教授)

摘 要

基于同一个技术平台的片上系统芯片(System-on-Chip, SoC)设计概念在20世纪末期提出。当人们将CPU，GPU，存储器等集成到同一块芯片，并成功地用于广受欢迎的消费电子产品时，SoC设计从架构、设计方法到产品成了集成电路产业的主流产品之一。随着2010前后物联网(Internet of Things, IoT)技术应用的推广，包括随后4G/5G技术的成熟，SoC产品的微处理控制器(micro-controller unit, MCU)成为热门。用于人工智能机器学习的类脑芯片(neurol processing unit, NPU)出现后，多个或若干个CPU/GPU等，多核异构设计将SoC设计不断向先进工艺节点推进，并几乎到达了CMOS集成电路的技术极限。本文侧重IoT的应用，简要介绍SoC的发展和演变过程。

关键词：System-on-Chip, ASIC, SoC, CPU, IoT, MCU, NPU, IIoT, AIoT

产业发展

基于RFID标签(tag)的应用，Kevin Ashton于1999年首次提出通过英特网连接器件，即物联网(Internet of Things, IoT)的概念。IoT名词在21世纪初期得到广泛传播，首次国际IoT会议于2008年在瑞士举行，有23个国家参加。会议讨论了RFID与短程无线通信，以及传感器网络的技术细节。据此，思科公司2011年提出未来通过IoT实现的无线连接器件每人达到多个，见表1[1]。

年份	2003	2010	2015	2020
全球人口，亿	63	68	72	76
连接器件，亿	5	125	250	500
人均器件，个	0.08	1.84	3.47	6.58

物联网IoT的应用大大地推动了集成电路，尤其是片上系统芯片SoC的设计与产业发展。SoC设计是由专用集成电路(application-specific integrated circuit, ASIC)设计演变而来:通常，ASIC专为独家用户设计使用；当ASIC产品成为多家或若干用户使用时，人们将其称作专用标准产品(application-specific standard product, ASSP)。

以往的ASIC和ASSP设计中常常使用的模块称作客户自有模块(custom-owned tooling, COT)；这些设计也可以不使用处理器。当ASIC和ASSP设计集成了处理器时，这时，人们就习惯将这一类的设计称为SoC设计了[2]。

IoT的SoC设计与应用

SoC设计起初与IP复用(re-use)需求相关， Henry Chang等于1999年的著作中声称，SoC的变革来了，提醒人们加以关注[3]。2007年，苹果公司发布了iPhone手机，其基带芯片设计带动了SoC设计热潮。

由于过去10年来IoT市场的迅速发展，以(micro-controller unit, MCU)为核心的设计得到了极大关注。人们定义SoC所包括的内容有处理器，存储器和IP模块以及客户自有模块COT[4]; MCU除了包含SoC的设计内容，还包括传感器，无线等多种接口和输入输出信号控制等多种IP模块，广义地说，MCU也是一种SoC设计[4]。时至今日，数百家IP厂商已经设计出上万种IP模块，因此，COT模块已经逐步由标准化的IP模块所取代，人们甚至逐渐淡忘了COT模块过去的历史角色。

早期的ASIC设计或SoC设计通常仅有单个CPU(单核)。当更多类型的IP模块集成到SoC中，这时的SoC设计技术要点聚焦于芯片的可靠性及其解决方案，例如，对各种IP模块的设计验证，数字电路部分的可测试性等等。

对用于IoT的SoC设计，更多地集成了模拟和射频电路。虽然芯片规模比以数字电路为主的传统的SoC要小一些，这类的SoC设计技术要点还要聚焦于数模混合设计，仿真和验证等。

按照采用的 CPU不同，MCU设计主要有８位、16位、32位、64位等不同系列，最常见的有以8051为代表的早期8位处理器MCU以及以ARM Cortex-M系列为代表的 32位处理器MCU。MCU的特点是自成一体的小型计算与无线控制系统，处理能力不同的CPU，提供不同的计算处理性能和运算频率。

根据IoT的应用场景来看，基于MCU的SoC设计功能大致可分为以下几类。1）普适IoT应用：例如，电子游戏，智能穿戴（手表、耳机），智能家居家电等。2）工业IoT应用(Industry IoT, IIoT)与汽车电子：例如，生产线运行和物流运输等，汽车电子控制单元(electronic control unit, ECU)中的MCU。3）人工智能IoT(AI IoT, AIoT)：例如，基于机器学习的智慧城市，视频监控等。

IoT的原初定义是，电子器件通过无线(或有线)与英特网互联，进行数据传输和通信，达到信息交换、控制运行的目的。以上IoT, IIoT和AIoT三种应用场景所需求的SoC设计则都可以包括在内。因此，广义来看，用于IoT的SoC设计， IIoT和AIoT与IoT紧密相连，并将集成电路设计技术、工艺方法推往极限。

展 望

2005-2006年，AMD/Intel相继发布了第一个双核(dual core)处理器；2008-2009年，相继发布了第一个4核(quad core)处理器；2017年，分别发布了用于台式电脑的16核处理器(Ryzen/Core-i9)。当双核，4核，8核等多核(multiple cores)SoC设计技术成功之后，含有数十个以致数百个CPU众核(many cores)的用于AIoT的SoC设计则接踵而来。这些AIoT设计，即用于计算和通信的SoC设计规模正将CMOS工艺技术和制造从当前量产的10/7/5nm推向2/1nm的极限。另一方面，用于IoT的SoC/MCU设计内容和IP模块多样，在工艺制造方面受成本控制，以180nm为主流，一些先进设计达到28nm。因此，还有极大的工艺空间可以施展。在比较流行的ARM为主的CPU选择上， RISC-V在MCU的设计中，也正在成为新秀。

MCU产品的应用市场广阔、种类繁多。由于技术起点相对较低，国内已有近百家MCU设计团队。当前聚焦4位MCU的设计比较少见；８位和16位的MCU较多；32位和64位MCU的设计将是更重要的发展方向。顺便指出，无论哪一类SoC设计，它们都将继续依赖于EDA工具和流程方法[5]。

原文标题：物联网(IoT)应用的片上系统芯片(SoC)设计

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责任编辑：haq