设为首页   在线评论   推广技巧   发布求购   免费注册   激活帐号
一卡通世界
当前位置:一卡通世界 >> 技术文章 >> 安防 >> SOC芯片技术及在安防集成系统中的应用

SOC芯片技术及在安防集成系统中的应用

来源:电子技术应用      2011-7-25 10:12:31

    1、概述

    从1959年美国TI公司发明第一块集成电路(IC)以后,集成电路工艺技术即向着两个方向发展:

    (1)沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高方向,使得器件特征尺寸从亚微米、深亚微米、超深亚微米(VDSM)到纳米(nm),并能形成各种结构;

    (2)沿匀场范围的扩大方向,使得芯片面积由100mm2增加到200mm2甚至300mm2及以上。每个管子在缩小,芯片面积在扩大,两者的乘积使得IC集成度的CAGR(CommutationAverageGrowthRate)每年达到58%。这就是摩尔(Moore)定律指出的三年翻四番。

    微电子的加工技术已达到这样的程度:能在硅片上制作出电子系统需要的所有部件,包括各种有源和无源的元器件、互连线,甚至机械部件。因此,已具有了由集成电路(IC)向系统集成(IS)发展的条件。

    在工艺能力提高的同时,IC的设计能力也在不断提高,由于新的ICCAD工具不断出现,使得IC设计能力大约每10年出现一次阶跃式的提高,有效地缩小了和工艺能力的差距。

    第一代ICCAD,把IC中的重复结构建立版图库。利用系统的复制功能,提高了版图设计效率;80年代出现的以门阵列、标准单元布局布线为主要内容的第二代ICCAD系统,及90年代出现的综合(synthesis)系统,把设计水平从原理图输入提高到行为描述,进一步缩短了设计周期,提高了设计效率。特别是标准单元库包括IP核的发展,从基本单元电路,到功能模块、子系统、系统,充分利用已有的设计积累,实现设计重用,提高了设计的起点。

    同时,IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成,直到今天基于计算机软硬件的知识集成。特别是MCU的出现和普及,使传统电子系统全方面进入了现代电子系统。电子系统追求的目标之一就是最大限度地简化电路设计,达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。而SOC技术将电路系统设计的可靠性、低功耗等都考虑在IC设计之中,把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决,使系统工程师能将精力集中在研究对象领域中的诸问题。SOC理所当然成为微电子领域IC设计的最终目标和现代电子系统的最佳选择。因此,无论从IC工艺条件还是设计能力及产业需求来说,都已将SOC推到了技术发展的前沿。

    SOC的设计技术始于20世纪90年代中期,随着半导体工艺技术的发展,IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上,SOC正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的。所谓的SOC主要有三个含义:

    (1)SOC是System-on-a-Chip的缩写,称为系统级芯片,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;
    (2)SOC也是Service-OrientedComputing的缩写,即“面向服务的计算”;
    (3)SOC也是SignalOperationControl的缩写,也称为信号操作控制器。它不是创造概念的发明,而是针对工业自动化现状提出的一种融合性产品。它采用的技术是正在工业现场大量使用的成熟技术,但又不是对现有技术的简单堆砌,是对众多实用技术进行封装、接口、集成,形成全新的一体化的控制器。以前需要一个集成商来做的工作,现在由一个控制器就可以完成,这就是SOC。

    显然,用英文缩写的SOC的定义多种多样,由于其内涵丰富、应用范围广,很难给出准确定义。但SOC多用上面的第1种定义,即为系统级芯片或片上系统。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。

    所谓SOC技术,就是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计应用系统,除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外,其他所有的系统电路全部集成在一起。

    从狭义角度讲,SOC是信息系统核心的芯片集成,是将系统的关键部件集成在一块芯片上;从广义角度讲,SOC是一个微型系统,如果说中央处理器(CPU)是大脑,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一种标准产品。

    SOC定义的基本内容主要表现在两方面:

    (1)它的构成。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、与外部进行通讯的接口模块、含有ADC/DAC的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块;对于一个无线SOC还要有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA或ASIC实现)以及微电子机械模块;更为重要的是,一个SOC芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。

    (2)它的形成过程。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面:

    ①基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证;
    ②利用逻辑面积技术使使用和产能占有比例有效提高,即开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等;
    ③超深亚微米(UDSM)、纳米集成电路的设计理论和技术。

    因此,SOC是将信息处理的算法、逻辑电路的结构、各个层次的电路以器件的方式集成在一块芯片上,从而具备整机的功能。这里包括:

    ①算法功能的突破。增加模糊算法、神经元算法以及安全算法。
    ②电路结构突破。因CMOS有很长的生命力,由于引入RF和Flash等又将有新的发展。

    具体地说,SOC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SOC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等;此外,还要做嵌入式软件移植、开发研究等。

    下面再介绍芯片SOC技术的发展现状及其在安防集成中的应用。

    2、芯片SOC技术的发展现状

    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。

 单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况

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。

 用不同SOC及其配置芯片5层绑定的SIP实物像片

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。

分享到新浪微博      分享到腾讯微博         责任编辑:苏洁   投稿邮箱:editor@yktworld.com
关于 SOC芯片  芯片  安防 的文章
  • 第二代身份证专用芯片噪声检测及标定方法研究
  • 国内智能卡芯片市场的主要厂家及产品表
  • 非接触智能卡安全分析
  • 浅谈视频安防系统硬件故障的排查
  • 指纹锁新时代之单芯片指纹锁设计与研究
  • 基于超高频无源电子标签芯片的模拟电路设计
  • 基于物联网技术的智能楼宇管理系统设计
    基于物联网技术的智能楼宇管理系统设计
    高清数字视频监控系统在钻井现场的研究与应用
    高清数字视频监控系统在钻井现场的研究与应用
    基于单片机的可视对讲门禁系统通信设计
    基于单片机的可视对讲门禁系统通信设计
    电信局动力系统集中监控的研究及其实现
    电信局动力系统集中监控的研究及其实现
    一周点击热点
    相关产品
    资料下载
    最新收录
    新闻   产品   企业   招标   求购
    技术   方案   下载
    关于我们
    网站介绍   广告服务   会员分类   联系方式
    企业推广   产品推广
    Copyright © 一卡通世界网 (粤ICP备11061396号)