SoC的演变：从早期手机到边缘智能

虽然SoC无可争议地实现了物联网的连接和计算，但该术语已成为行业流行语，因此很难将SoC与其他类型的集成电路（IC）区分开来。

SoC 在单个芯片上集成了多种电子功能，而不是单功能芯片，例如电源管理芯片。高质量的 SoC 由在微型硅片上运行的硬件和软件功能的内聚集合组成。

其他半导体产品可以根据它们挤在一个芯片上的晶体管数量进行鉴定;但是，此限定并不能准确反映 SoC 上集成的功能的质量和复杂性。事实上，在晶体管数量较少的SoC上构建相同数量的功能实际上是熟练集成的标志。

SoC 未知的历史

这可能会让业内一些人感到惊讶，但一些SoC实际上早于SoC类别的正式引入。计算机历史博物馆声称，第一个真正的SoC出现在1974年的Microma手表上。然而，快速浏览《电子艺术》（1989）显示的图表看起来很像SoC，包括步进电机控制、模数转换器、串行I / O，集成ROM，定时器和事件控制器。这些早期的SoC有另一个名称来表示它们的功能而不是结构：专用标准产品（ASSP）。

在其历史的大部分时间里，SoC 都在公众视野之外发展。因为它们是由竞争激烈的科技公司开发的，所以它们早期的大部分概念都笼罩在知识产权法的保密和保护中。然而，有明显的技术经济进步使SoC不仅可能，而且是必要的。

在 1990 年代后期，手机革命激励了在单个芯片上集成多种功能。还记得手机曾经有多笨重吗？旧手机包含至少十几个执行各种功能的芯片：处理网络配置、用户界面和所有高级功能的 CPU;与 CPU 相关的内存和闪存;基带数字信号处理器，运行物理信道和语音编码的数学密集型计算;以及管理射频 （RF） 收发器的混合信号 IC。为了继续推进手机的功能并使其对消费者更具吸引力，制造商寻求进一步的集成和小型化。

半导体IP的兴起开启了这种整合的可能性。IP核和IP模块是硅设计（而不是物理芯片），可以作为更大系统的构建块集成到其他芯片设计中。IP 块可以是内存、I/O 或处理器内核。半导体公司开始在其芯片设计中添加处理器内核和存储单元。当半导体IP公司将多个模块的设计作为黑匣子出售时，这些模块的集成成为可能，从而迎来了SoC时代。

今天的SoC可以做的不仅仅是早期的计算机

SoC将手机上的芯片数量减少了至少10倍。在单个芯片上集成分立元件可显著提高效率，缩短互连时间，并为 SoC 设计人员提供系统级优化，从而显著降低功耗。结果，手机变得越来越小，而性能却激增，电池的使用寿命更长。

在过去的二十年中，随着进一步集成和精心优化的出现，手机演变为智能手机。几代 SoC 设计和优化为技术改进提供了工具，这些改进始于早期手机时代，并引领我们走到了今天的位置。

崛起为物联网的基石

SoC发展的另一个重要催化剂是物联网的出现。使用微型节能芯片将所有事物连接到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个芯片上。对构建更快、可互操作的物联网网络的兴趣导致了无线 SoC 的兴起，它集成了射频收发器、通用微控制器单元 （MCU）、众多高性能外设（放大器、ADC、DAC）和非易失性存储器，以处理应用处理和网络协议栈，同时为无线网络提供射频链路。

无线 SoC 由硬件功能单元组成，包括运行软件代码的微处理器和用于连接、控制、指导和连接这些功能模块之间的通信子系统。SoC 由许多执行单元组成，这些执行单元必须经常来回发送数据和指令，这意味着除了最琐碎的 SoC 之外，所有 SoC 都需要通信子系统。最初，与其他微型计算机技术一样，使用数据总线架构，但现在许多设计使用更稀疏的相互通信网络。

物联网终端节点产品需要最佳的功耗和小型化。如果物联网的目标是将电子设备连接到所有东西上，那么电子设备需要很小，并在小型电池上尽可能长时间地保持通电状态。这是通过牺牲 SoC 的处理能力来实现的。

与可以在相对扩展的内存存储上集成通用互操作操作系统的个人计算机和智能手机不同，SoC为了小型化和降低功耗而牺牲了其处理能力和内存大小。幸运的是，由于无线物联网SoC的特殊性，他们的软件可以针对每个特定用例进行优化。虽然这可以实现更小、更高效的设备，但它增加了 SoC 软件的复杂性。位于较大系统中的 SoC 可能需要接口软件才能在更大的系统中正常运行。对于作为物联网终端节点运行的独立SoC，软件堆栈要求变得非常复杂。可以公平地说，无线SoC由两个相互依赖的主要子系统组成：软件和硅。

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纠缠在一起，但值得将其视为自己的子系统，因为SoC的安全性仅与其最薄弱的环节一样强大。IoT 设备可能会遇到不同级别的威胁，因此需要每个级别的安全性，包括固件、网络和用户身份验证级别。

向边缘及更远的地方迁移

到 2025 年，全球互联设备的净资产预计将增长到 519 亿。物联网中最受期待的发展之一是在边缘设备中注入人工智能和机器学习。边缘智能是指收集和分析数据的过程，并在边缘网络上捕获数据的位置附近提供见解。这些过程使物联网网络能够在本地做出决策，而不是将数据发送到云并接收决策。边缘智能在节能方面带来了红利，因为无线 SoC 中最耗电的操作之一是射频传输。除了节省电力之外，在边缘网络上部署机器学习将消除将物联网设备生成的大量数据传输到云的需要，这可能非常耗时、非常昂贵，并导致数据隐私问题。

随着人工智能和机器学习进一步集成到边缘设备中，SoC将继续在物联网的发展中发挥关键作用。我们可以期待看到新技术将SoC带入未来几代更高的计算能力，通过更好，更高效的半导体制造和设计技术实现。

审核编辑：郭婷