什么是SOC?一文了解系统级芯片的优点与挑战

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原标题: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。

什么是SOC?一文了解系统级芯片的优点与挑战插图

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。

来源:网络整理

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