系统级芯片(SoC)的技术演进与未来发展趋势

本文作者为Silicon Labs(亦称“芯科科技”)产品营销经理Asem Elshimi，旨在说明系统级芯片(SoC)的技术演进与未来发展趋势。随着SoC在支持物联网(IoT)实现连接和计算功能方面发挥无可争议的作用，该术语已成为行业流行用语，以至于难以将SoC与其他类型的集成电路(IC)区分开来。与电源管理芯片等单功能芯片相比，SoC在单芯片上集成了多种电子功能，而高质量的SoC则是由在微型芯片上运行的紧密结合的软、硬件功能所组成。

其他半导体产品可以根据它们在一个芯片上集成的晶体管数量来判定是否合格;然而，这种判定方法无法准确反映SoC上集成功能的质量和复杂性。事实上，要使用更少的晶体管在SoC上构建同等数量的功能实际上是超高集成能力的体现。

少有人知的SoC发展史

SoC少有人知的发展史可能会让某些业内人士感到惊讶，实际上SoC产品在正式推出之前已有部分与SoC相关的产品问世。计算机历史博物馆声称，第一个真正的SoC产品出现在1974年的Microma手表中。此外，快速浏览1989年出版的The Art of Electronics，会发现一些示意图看起来很像SoC，其具有步进电机控制、模拟数字转换器、串行I/O、集成ROM、定时器和事件控制器。这些早期的SoC有另一个表明它们功能而非它们架构的名称：专用标准产品(ASSP)。

在SoC的发展历史中，大部分时间它都处于大众视野之外。由于是由具竞争力的科技公司所开发，SoC的大部分早期概念都掩藏在知识产权法的保密和保护之下。然而，技术经济上的显著进展不仅让SoC得以实现，还成为必要的产品。

在1990年代后期，手机革命推动了在单芯片上集成多功能的发展。还记得以前的手机有多笨重吗?旧手机至少包含十几个执行各种功能的芯片：一个中央处理器(CPU)处理网络配置、用户界面和所有高级功能;与CPU相关的RAM和Flash;一个基带数字信号处理器，执行物理信道和语音编码的数学密集型运算;以及一个管理射频(RF)收发器的混合信号IC。为持续提升手机的功能并使其更能吸引消费者，制造商在不断寻求进一步的集成和小型化。

半导体知识产权(IP)的兴起开启了这种集成的可能性。IP核和IP块是硅层面的设计(而不是物理芯片)，可以集成到其他芯片的设计中，成为更大型系统的构建模块。IP块可以是存储、I/O或处理器内核。半导体公司已开始在他们的芯片设计中添加处理器内核和存储单元。当半导体IP公司将多模块的设计当作“黑匣子”出售时，多模块的集成已然成形，进而开启了SoC的时代。

SoC能将手机上的芯片数量减少至少10倍。将分立元件集成在单芯片上显著提升了效率，缩短了互连时间，使SoC设计人员可以进行系统级优化，从而大幅降低功耗。其带来的结果是，手机越变越小，性能显著提升，且电池寿命更长。

在过去的二十年里，随着进一步集成和精心优化的实现，传统手机已演变成为智能手机。一代又一代的SoC设计和优化，为技术精进提供了载体，从早期的手机时代开始，一直引领我们走到了今天。

作为物联网构建模块继续崛起

SoC发展的另一个重要催化剂是物联网的出现。利用微型、节能芯片将所有事物连上网络的可能性意味着我们需要将越来越多的功能集成到单芯片上。对构建更快、可互操作的物联网网络的兴趣也促成了无线SoC的兴起，其集成了射频收发器、通用微控制器(MCU)、众多高性能外围设备(放大器、ADC、DAC)，以及非易失性存储器，以执行应用处理和网络协议栈，同时为无线网络提供射频连接。

无线SoC由多个硬件功能单元组成，包括运行软件代码的微处理器，以及在这些功能模块之间用于连接、控制、引导和接口的通信子系统。SoC包含许多必须经常来回发送数据和指令的执行单元，这意味着除了最普通的SoC之外，所有的SoC都需要通信子系统。最初，与其他微型计算机技术一样，SoC使用的是数据总线架构，但现在许多设计已改用更简洁的互通网络。

物联网终端节点产品需要小型化和功耗优化。如果物联网旨在将电子设备连接到所有东西上，那么电子设备必须很小，并且在小型电池上尽可能保持长时间供电。这可能需要牺牲SoC的处理能力才能实现。

个人计算机和智能手机可以在其相对可扩展的内存存储上集成通用的、可互操作的操作系统，但SoC为了小型化和降低功耗就需要牺牲其处理能力和存储容量。幸运的是，由于无线物联网SoC的特殊性，它们的软件可以针对各种特定的应用场景进行优化。虽然这可以实现更小、更高效率的器件，但它增加了SoC软件的复杂性。位于更大系统中的SoC可能需要接口软件才能在较大的系统中正常运行。对于在物联网终端节点运行的独立SoC，对软件栈的要求条件变得非常复杂。公平地说，无线SoC由两个主要的、相互依赖的子系统组成：软件和芯片。

在无线SoC中，另一个极其重要的子系统是安全性。虽然安全性与硬件和软件息息相关，但是值得将其本身视为单独的子系统，是因为SoC的安全性由其最薄弱的环节决定。物联网设备可能会遇到各种层面的威胁，因此需要在各个层面进行安全防护，包括固件、网络和用户身份验证等层面。

迈向边缘计算

据估计，到2025年，全球联网设备的净值将增长到519亿(来源：Omdia)。物联网中最受期待的发展之一是在边缘设备中加入人工智能和机器学习。边缘智能是指，针对捕获的数据，在其附近的边缘网络上进行数据收集和分析，并提供具洞察力的见解。这些过程使物联网网络能够在本地作出决策，而无须将数据发送到云端，然后再接收返回的决策。由于无线SoC中最耗能的操作之一是射频传输，边缘智能在节能方面大有裨益。除了节能之外，在边缘网络上部署机器学习甚至无须将物联网设备生成的大量数据传输到云端，这种数据传输不但非常耗时、成本高昂，而且会导致数据隐私问题。

随着人工智能和机器学习进一步集成到边缘设备中，SoC将持续在物联网的发展中发挥关键作用。得益于更好、更高效率的半导体制造和设计技术，我们预期未来一代又一代的SoC将会拥有更强大的计算能力。

审核编辑：汤梓红