SOC芯片技术在安防集成系统中的应用

　　集成电路(IC)的发展已有40多年的历史，它一直遵循着1965年摩尔提出的规律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2～3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，并促进其它工艺参数的提高。现按此规律，集成电路的基本单元CMOS器件已进入超深亚微米乃至纳米加工时代(即器件的栅长小于50nm)。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工(集成电路特征尺寸不断缩小)为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD芯片等等。

　　世界集成电路大生产目前已经进入纳米时代，全球多条90nm/12英寸生产线用于规模化生产，基于65nm之间水平线宽的生产技术已经基本成形，Intel公司的CPU芯片已经采用45nm的生产工艺。在世界最高水平的单片集成电路芯片上，所容纳的元器件数量已经达到80多亿个。如2006年，单片系统集成芯片的最小特征尺寸0.09μm、芯片集成度达2亿以上个晶体管、芯片面积520mm2、7～8层金属连线、管脚数4000个、工作电压0.9～1.2V、工作频率2～2.5GHz，功率160W。到2010年，己提高到0.07μm的水平。而硅IC晶片直径尺寸，如2000年～2005年己从200mm转向300mm，2006～2010年又转向到400mm。单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况如表1所示。

　　表1、单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况

　　整个半导体工艺技术的发展随着晶体管栅长及光刻间距持续地缩小，使得芯片能够在面积越来越小的同时，获得较快的运行速度，同时也使得一个晶圆所能产出的芯片数目越来越多，大幅提高晶圆工艺的生产力。整个半导体工艺技术的发展仍是呈现持续加速的状态，特别是在DRAM、MPU等领域，而光刻等微细加工技术则呈现出稳定的发展。

　　在集成电路设计中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占集成电路设计的90%以上。正因为硅集成电路设计的重要性，各国都很重视。目前，产业链的上游仍被美国、日本和欧洲等国家和地区占据，设计、生产和装备等核心技术也由其掌握。

　　以集成电路为核心的电子信息产业目前超过了以汽车、石油和钢铁为代表的传统的工业而成为第1大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%，现代经济发展数据表明，每l～2元集成电路产值，带动10元左右电子工业产值的形成，进而带动100元GDP的增长。发达的国家国民经济总产值增长部分的65%目前与集成电路相关。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路日益成为经济发展的关键、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

　　随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟与应用领域的不断扩大，不同类型的集成电路相互镶嵌，形成了各种嵌入式系统(EmbeddedSystem)和片上系统(SystemonChip即SOC)技术，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)过渡中，“硅知识产权(IP)模块”和“软、硬件协同设计”技术兴起，可以将一个电子子系统或整个电子系统“集成”在一个硅芯片上，以完成信息加工与处理的功能。如1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SOC，可能就是基于IP(IntellectualProperty)核完成SOC设计的最早报导。由于SOC可以充分利用已有的设计积累，显著地提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅速，引起了工业界和学术界的关注。

　　SOC是集成电路发展的必然趋势，其技术特点是：半导体工艺技术的系统集成;软件系统和硬件系统的集成。

　　SOC具有的优势是，能创造其产品价值与市场需求：降低耗电量;减少体积;增加系统功能;提高速度;节省成本。

　　众所周知，“IC”(IntegratedCircuit)是集成电路的最早定义，它出现于上世纪70年代，如集成电路74系列、4000系列诸逻辑器件等，它属于功能级芯片;后十年左右出现了“ASIC”(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，即具有某种特定功能的集成电路、立体声解码、维特比纠错芯片等，属于专业级芯片;到90年代后出现了直接使用系统芯片开发产品，即呈爆炸性发展的“SOC”，属于系统级芯片：再后至本世纪初“SIP”(SystemInPackage)、“MCP”(MultiChipPackage)已出现在越来越多的场合，即针对产品开发产品芯片，因而“SIP”属于产品级芯片，是SOC的一种延伸。

　　因此，“IC”--“ASIC”--“SOC”--“SIP”是现代电子系统设计的发展标志。

　　所谓SIP是指将系统所需不同SOC及其配置芯片的裸die绑定连接后再封装，需要具备SOC及SOC以外的系统设计能力。如图1所示。

　　图1、用不同SOC及其配置芯片5层绑定的SIP实物像片

　　如某集成电路暨系统集成公司，在研发完成64bitCPUSOC后，又斥巨资以SIP技术实现了单芯片系统集成，单芯片内除计算机各部功能外，内置数Gb的RAM、Flash、显示功能core;同时将Windows操作系统以及应用软件也实现了芯片内置。下一步的发展目标是将64bitCPU系统、GPRS(CDMA)系统、图像芯片整合为一颗芯片。

　　市场的需求决定着需要研发的SOC，考虑到我国巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖于进口的状况，研发数字家电类SOC已为国内各大IC设计机构、公司所看好，纷纷投入人力、物力进行这两个方面SOC的研发工作。国内移动通信类SOC的研发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司;数字家电类SOC的研发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司。目前，海尔研发出的可产品化的HMD2002芯片集传统MPEG-2芯片组于一身，含有下列成分：MPU、OSD处理器、解扰器、解复用器、MPEG-2视频解码器、音频解码器(Musicam或DolbyDigital)和PAL/NTSC/SECAM数字编码器，主要完成DVB解扰、MPEG-2解复用、MPEG-2解压缩、音视频信号恢复和模拟音视频信号合成编码等信源解码工作。随着进一步研发，海尔数字电视SOC芯片将把信道解码部分也包含进去，真正成为数字电视的单芯片解决方案。

　　值得指出的是，集成电路技术的发展，并不意味着一代淘汰一代。实际上是多代并存，以成本最低，收益/投人比最大的原则各自占领相关应用领域。如目前已使用300mm硅片，但生产上仍使用150mm、200mm硅圆片，实际上150mm和200mm硅片的生产量几乎相等。100mm硅片的产量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0.5μm的在200mm硅片生产中仍占有21%的比例。

　　未来十几年，是我国微电子发展的关键时期。要充分利用我国经济调整发展和巨大市场的优势，精心规划，重点扶持，力争通过10年或略长一些时间的努力，充分掌握集成电路设计、生产的关键技术，提高国内外市场占有率和国内市场的自给率，以满足国民经济和国防工业对集成电路的需求。并且，形成良性循环的科研、生产体系，把我国微电子产业推进到一个崭新的阶段。

　　实际上，集成系统级芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术：

　　(1)软、硬件的协同设计技术：面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论，硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大的趋势;

　　(2)IP模块库技术：IP模块有三种，即软核(主要是功能描述)、固核(主要为结构设计)和硬核(基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺和实际应用考验过的)。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A/D、D/A等都可以成为硬核，其中尤以基于超深亚微米的器件模型和电路模拟基础上在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值;

　　(3)模块界面间的综合分析技术：这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。

　　通过以上三个支持技术的创新，必将导致又一次以系统级芯片为特色的信息技术上的革命。目前SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。

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