什么是SOC？一文了解系统级芯片的优点与挑战

将数个功能不同的芯片，整合成“一个”具有完整功能的芯片，再封装成“一个”集成电路，称为“系统级芯片（SoC：System on a Chip）”。

例如：将处理器变成“CPU 单元”，北桥芯片变成“MCH 单元”，整合在同一个光罩上，制作成一个芯片，如下图所示，目前 Intel公司就是朝向这个方向努力，以缩小笔记本电脑的体积。

SoC芯片的优点

➤ 减小体积：以印刷电路板组合数个不同功能的集成电路，体积较大；如果整合成一个 SoC 芯片，体积则被缩小。

➤ 减少成本：需要封装测试多颗集成电路，成本较高；如果整合成一个 SoC 芯片，只需要封装测试一颗集成电路，成本较低。
➤ 降低耗电量同时提高运算速度：以印刷电路板组合数个不同功能的集成电路，电信号必须在印刷电路板上传送较长的距离才能进行运算，耗电量较高，运算速度较慢；如果整合成一个 SoC 芯片，电信号在同一个集成电路内传送较短的距离就能进行运算，耗电量较低，运算速度较快。

➤ 提升系统功能：将不同功能的集成电路整合成一个 SoC 芯片，体积较小，可以整合更多的“功能单元”，形成功能更强大的芯片。

SoC芯片的挑战

由于 SoC 芯片的设计与验证必须与半导体制造技术配合，再加上必须具备完整的混合信号、数字与类比、低频与高频、存储器等相关的智慧财产权（IP）产业互相配合，因此系统单晶片的设计仍然有许多困难极待克服，系统单晶片的设计瓶颈包括：

➤ 制造瓶颈：不同功能单元的制程技术不同，要同时制作在硅芯片上非常困难，数字电路的整合比较容易，数字与模拟电路两者要整合在一起就比较困难。➤ 封装瓶颈：SoC 芯片功能强大，工作频率增加，必定会造成线路的信号产生杂讯互相干扰，必须使用覆晶封装、锡球封装、 晶圆级封装等技术加以克服。

➤ 测试瓶颈：测试机器必须同时具备多种数字与模拟信号的测试功能，因此必须发展多功能单一机型的测试机器，同时测试不同功能的 SoC 芯片。

为何需要SoC？智能手机的发展自 2007 年苹果发表 iPhone 3G 后，到之后苹果开始设计自己的 A 系列芯片，从 2010 的 A4 芯片，到现在 M2系列，性能的爆炸性增长，同时却能维持住省电，而在同一面积下能塞的晶体管还愈来愈多。当然不能忽视的是这也是投入很多金钱即研究人员出来的成果，但可以证明 SoC 带来的优势，是非同小可的。

物联网的需求

物联网也是 SoC 其中的推力之一。苹果 Airpod具有蓝牙、音乐播放功能，Apple Watch 有 Wifi、显示以及声音功能。但这却很难利用同一颗 CPU 来完成这两种截然不同的应用，因此面对物联网多样化的应用需求，SoC 刚好就是很棒的解决方案。

透过整合不同的芯片，并针对不同的应用设计 SoC 芯片，再让架构师设计适合的微架构，进行优化、测试，来解决物联网应用的需求，如：更长的使用时间搭配更棒的音质效果、或者更棒的感测技术搭配无线功能等等。

人工智能的成长

事实上，神经网络的概念很早就被提出，之所以近十年快速发展是因为 GPU 算力的突破性成长，让以前要花几个礼拜训练的模型，如今在几天甚至几个小时就能完成，这也带领世界走进大数据时代。

通过CPU 与GPU的整合，同时也推动着AI SoC 芯片的发展。

除此之外，市场需求、应用层面的扩张、额外的数据处理，也推动了SoC 的需求增加。