什么是系统级的片上系统

系统级芯片(System on Chip，简称SoC)，也称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。 [1] [5]系统级芯片可追溯到20世纪70年代。1974年，第一个真正的SoC产品出现在Microma手表中。 [7]正式的系统级芯片的设计技术始于20世纪90年代中期。SoC是在集成电路向集成系统转变的大方向下产生的。 [8]1999年，系统级芯片增长率达63%，2000年也维持60%以上的增长。2001年，系统级芯片市场销售额下降率5%，占世界半导体总产值的12.9%。 [10]2015年，小米自己研发首款SoC芯片“澎湃S1”。 [19]截至2025年5月，具备自研SoC芯片的厂商包括苹果、三星、华为、高通、联发科等。5月15日，小米集团创始人雷军宣布，小米自主研发设计的手机SoC芯片， [19]系统级芯片由嵌入式处理器、存储器、专用功能模块、I/O接口模块、片内总线等多种功能模块构成。 [22]SoC下游应用领域众多，主要集中在消费电子和汽车电子等。 [32]此外，系统级芯片还应用于航天电子系统等。 [35]系统级芯片具有增加功能、提高性能指标、减少体积、降低功耗等优点。 [28]开发拥有自主知识产权的处理器核、核心IP和总线架构，同时又保证兼容性集成第三方IP，将使中国SoC发展具有更强的竞争力，从而带动国内IC产业往深度、广度方向发展

与集成电路类似，片上系统的设计工作流程包括计划、优化和生产等多个阶段。每个阶段都需要系统架构师、设计工程师和制造商等专业人员的紧密协作。SoC设计流程的主要阶段包括：规范：明确定义SoC的预期功能。应用、性能目标、功率限制等要求是什么?逻辑设计：用硬件描述语言(HDL)描述预期行为，并仿真功能行为，以验证其是否正确。逻辑综合：自动将HDL行为描述转换为晶体管元件及其互连列表，又被称为“网表”。物理设计：选择合适的晶体管组件，确定它们在芯片上的物理位置，以及它们之间的互连导线的轨迹。签核：利用Ansys RedHawk-SC等验证软件对设计进行分析和验证，以确保正确的功能和性能。验证布局符合所有可制造性要求。芯片无法进行修复，因此如果设计中出现任何错误，则必须废弃所有制造出来的芯片，并重新修改设计。这就是为什么在制造之前进行检查和验证如此重要。流片：生成用于创建布局光掩模的最终图形文件，并发送给制造商进行生产。测试和封装：测试以确认SoC符合规范并可直接使用。然后将硅芯片封装在保护性封装中。

System on Chip，简称SoC，也即片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上。从广义角度讲， SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。片上系统(简称SoC)是半导体工业中常用的一个术语。它指的是将计算机或其他电子系统的所有必要组件集成到单个芯片上的一种微芯片。SoC的核心是微芯片，在单个集成电路(IC)上包含了完整功能系统所需的所有电子电路。换句话说，CPU，内部存储器，I/O端口，模拟输入和输出，以及额外的应用特定的电路块，都被设计成集成在同一个芯片上。SoC与传统设备和PC架构不同，传统设备和PC架构使用单独的芯片来处理CPU、GPU、RAM和其他基本功能组件。

SoC的主要优点之一是其紧凑的尺寸和效率。通过将多个组件集成到单个芯片上，所得到的设备可以比具有单独组件的传统电路板更小，功耗更低。相比之下，传统的电路板往往需要多个组件，如单独的处理器、存储芯片和输入/输出接口，这些组件必须通过布线或其他方式进行物理连接。这可能使最终的设备更大，效率更低，更容易出现错误或故障。各种SoC的开发取决于它们的预期设备。例如，智能手机或其他物联网设备上的SoC也可能包含Wi-Fi和蜂窝网络调制解调器。在传统方法中，SoC在电路块之间使用较短的布线来降低功耗并提高效率。一般来说，工程师们希望减少能源浪费，节省开支，并进一步小型化设备。利用片上系统技术，这可以通过在单个IC上采用先进的集成方法实现。

这些紧凑而多功能的芯片推动了智能手机的兴起，在一个小的外形中实现了令人难以置信的功能。同样，由于其紧凑和节能的特性，制造商正在将SoC集成到新的物联网设备，嵌入式系统甚至汽车中。此外，我们还看到了在个人电脑和笔记本电脑中使用的SoC技术的转变，以进一步降低功耗并提高性能。更少的电路房地产通常导致更少的热量产生，更少的电力消耗，和更低的生产成本。这使得更高效的设备设计可以实现热量分配、最小延迟和加速数据传输。因为SoC是高度专门化的，所以它们通常应用于个性化的任务。定制SoC现在正在为特定应用开发，例如增强机器学习，先进的人工智能功能以及具有更快数据处理的高性能计算。SoC可以作为分布式操作执行多个计算(而不是传统CPU提供的有限并行性)，从而进一步加速计算。出于这个原因，许多公司现在都在投资开发自己的定制SoC，以支持其先进的数据和信号处理需求。

SoC芯片的结构复杂多样，但通常包含以下几个关键组成部分：

处理器核心 ：SoC芯片的核心部件，包括CPU(中央处理器)、GPU(图形处理器)、NPU(神经网络处理器)等。这些处理器负责执行指令、进行计算和控制数据流等操作。

内存子系统 ：包括高速缓存(Cache)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)等。内存子系统为处理器提供数据存储和访问服务。外设接口 ：SoC芯片通过外设接口与外部设备(如传感器、显示器、摄像头等)进行连接和通信。这些接口可能包括USB、SPI、I2C、UART等多种类型。电源管理单元 ：负责SoC芯片的电源供应和功耗管理。通过动态调整芯片的供电电压和频率，电源管理单元可以实现低功耗运行，延长设备的电池寿命。其他功能模块 ：根据应用需求的不同，SoC芯片还可能包含其他功能模块，如音频处理器、视频编码解码器、安全模块等。SoC芯片的功能强大且多样化，能够完成各种复杂的计算和数据处理任务。

SoC芯片的基本功能如下：

计算和数据处理 ：SoC芯片中的处理器核心负责执行指令、进行计算和控制数据流等操作。它们能够处理各种复杂的应用程序和数据流，满足用户的各种需求。多媒体处理 ：SoC芯片通常包含图形处理器(GPU)和视频编码解码器等多媒体处理模块。这些模块能够处理图像和视频数据，实现高质量的图形渲染和视频播放。连接和通信 ：SoC芯片通过外设接口与外部设备进行连接和通信。它们支持多种通信协议和标准，如Wi-Fi、蓝牙、USB等，实现设备之间的无线或有线连接。安全功能 ：SoC芯片中的安全模块能够保护设备免受恶意攻击的威胁，防止数据泄漏、保护数据安全。它们通过加密、解密、身份验证等机制，确保设备的安全性。低功耗管理 ：SoC芯片中的电源管理单元能够动态调整芯片的供电电压和频率，实现低功耗运行。这对于移动设备来说尤为重要，可以延长设备的电池寿命，并提高用户体验满意度。

SoC芯片的设计目标是在满足特定应用需求的同时，实现高性能、低功耗、小体积和低成本的综合优化。

SoC芯片的设计是一个复杂的过程。以下是SoC芯片的设计的基本考量：

功耗管理：SoC芯片的功耗管理对于设备的电池寿命和用户体验至关重要。设计时需要采用低功耗技术和优化算法来降低芯片的功耗。

性能优化：SoC芯片的性能直接影响到设备的运行速度和响应能力。设计时需要采用高性能的处理器核心和内存子系统来提升芯片的性能。

成本控制：SoC芯片的成本控制是制造商关注的重要问题之一。设计时需要采用成本低效益高的设计方案和制造工艺来降低芯片的成本。

集成度提升：随着技术的不断发展，SoC芯片的集成度不断提高。设计时需要采用先进的封装技术和互连技术，以实现更多功能模块的集成，减少对外部元件的依赖，进一步缩小芯片体积并提升整体性能。

可测试性和可调试性：SoC芯片的设计复杂性要求在设计阶段就充分考虑到可测试性和可调试性。这包括内置测试逻辑、调试接口以及故障检测与隔离机制等，以便在制造和部署过程中能够快速定位和解决问题。

安全性与可靠性：随着物联网和智能设备的普及，SoC芯片的安全性和可靠性变得越来越重要。设计时需要采用硬件级的安全机制，如加密引擎、安全存储、防篡改技术等，以保护数据和系统的安全。同时，还需要进行严格的可靠性测试和验证，确保芯片在恶劣环境下的稳定运行。

兼容性与标准化 ：SoC芯片的设计应遵循相关的行业标准和规范，以确保与其他设备和系统的兼容性。这有助于降低开发成本，加速产品上市，并提升用户体验。