電子設計自動化 (EDA)
系統
矽智財 (Silicon IP)
SolvNetPlus
教育與訓練課程
定義
系統單晶片（SoC）是一種 積體電路 (IC) 將系統的所有核心元件整合於單一矽晶片上，從而省去了獨立且笨重的系統組件。這種整合不僅簡化了電路板設計，還能提升電源效率與運作速度，同時不影響功能表現。
系統單晶片（SoC）中所包含的元件可包括：
- 資料處理器
- 嵌入式記憶體
- 圖形處理器 (GPU)
- USB 介面
- 視訊與音訊處理
在電子領域中，首要目標始終是「更高效能、更低功耗、更小體積」。這對平板電腦和智慧型手機等行動裝置而言尤為關鍵，因為這些裝置必須將先進技術整合於盡可能小的佔用空間內，並將功耗降至最低。透過將所有必要元件整合至單一封裝中，系統單晶片（SoC）使工程師能夠打造出既快速又緊湊的裝置。
緊湊型系統單晶片（SoC）已成為各市場不可或缺的解決方案，其應用範圍涵蓋從資料中心、人工智慧（AI）及高效能運算（HPC）等有線應用，到手機與穿戴式裝置等電池供電裝置。
了解系統單晶片（SoC）的組成元件與結構
顧名思義，系統單晶片（SoC）在單一晶片上集成了完整系統所需的幾乎所有功能性電路模組。一般而言，任何 SoC 上都會包含以下元件：
- 多核心：一種 具備多核心的處理器，其形式可為微控制器、微處理器、數位訊號處理器或特定應用指令集處理器。
- 記憶體功能： 包括 RAM、ROM、FLASH、EEPROM 及／或快取記憶體等記憶體功能 。
- 外部介面： 用於有線通訊協定的外部介面 ，例如HDMI 、USB4 、FireWire、USART、SPI、I²C 或乙太網路。
- 無線功能： 例如 Wi-Fi 或藍牙等無線 功能，以及其他無線電頻率功能。
- GPU： 用於加速特定任務的 圖形處理單元（GPU）。
- 電壓調節：電壓調節器、相位鎖定迴路（PLL）控制系統、內建振盪器、計時器，以及類比數位（ADC）轉換器。
- 晶片內通訊： 用於連接個別電路模組的晶片內 通訊子系統，例如介面匯流排，或是較新的通訊網路，即所謂的「晶片上網路」（NoC）。
- 訊號處理： 適用於各類感測器、致動器、資料蒐集及資料分析的數位 、類比與混合訊號處理電路模組。
- 次世代功能： 驅動次世代發展的系統單晶片（SoC） 功能。
一般而言，工程師都希望減少能源浪費、節省開支，並進一步縮小裝置的體積。透過系統單晶片（SoC）技術，藉由在單一積體電路上採用先進的整合方法，便能實現這些目標。
這些體積小巧且功能多樣的晶片，推動了智慧型手機的崛起，使其能在小巧的機身中展現驚人的效能。同樣地，正因其體積小巧且節能的特性，製造商正將系統單晶片（SoC）整合至新型物聯網裝置、嵌入式系統，甚至汽車中。
此外，我們也觀察到個人電腦和筆記型電腦所採用的系統單晶片（SoC）技術已出現轉變，旨在進一步降低功耗並提升效能。電路佔用面積的減少，通常能帶來發熱量降低、功耗減少，以及生產成本的降低。這使得裝置設計能更有效地進行熱量散佈、將延遲降至最低，並加速資料傳輸。
由於系統單晶片（SoC）具有高度專用性，因此常被應用於特定任務。 目前，針對特定應用（例如強化機器學習、先進的人工智慧能力，以及具備更快速資料處理能力的高效能雲端運算）的客製化 SoC 正陸續開發中。SoC 能夠以分散式運算的方式執行多項計算（而非傳統 CPU 所提供的有限並行處理能力），從而進一步加速運算。正因如此，許多企業現正投資於自主開發客製化 SoC，以滿足其先進的資料與訊號處理需求。
系統單晶片的歷史
隨著小型裝置在我們日常生活中如此普遍，實在很難想像曾經有個時代，系統單晶片（SoC）尚未無所不在。但直到 1970 年代，將整個系統整合到單一晶片上的概念 微晶片 的概念才首次成為現實。
- 1970年代：根據 電腦歷史博物館的資料，首款系統單晶片於1974年出現在一款液晶顯示手錶中。在此之前，微處理器僅是獨立運作的晶片，需要外部晶片的支援。
- 1980年代至1990年代：半導體製造技術的進步，使得單一晶片上能夠整合更多元件。混合訊號整合技術使晶片能夠同時處理類比與數位訊號。
- 2000 至 2010 年代：系統單晶片（SoC）開始整合 Wi-Fi、藍牙和行動通訊調製解調器，為我們的行動裝置帶來無線通訊功能。強大的處理器與圖形處理能力的加入，促使智慧型手機成為一種嶄新的生活方式。
- 現況：系統單晶片（SoC） 正變得日益專業化，其應用範圍也已超越行動裝置，延伸至汽車系統、穿戴式裝置、工業自動化等領域。新功能包括人工智慧（AI）、機器學習（ML）以及邊緣運算 。
系統單晶片應用
由於系統單晶片（SoC）具備針對高度專業化需求進行客製化的能力，因此可應用於各種領域，從兒童玩具、門鈴攝影機到工業引擎皆然。系統單晶片（SoC）的應用範例包括：
- 行動裝置：系統單晶片（SoC） 將無線連線功能與多媒體功能整合於智慧型手機和平板電腦中。
- 汽車系統：各類車輛皆採用系統單晶片（SoC）來驅動導航系統、感測器介面、資訊娛樂系統以及避險系統。
- 物聯網（IoT）： 系統單晶片（SoC）在低功耗應用場景中表現極為 高效，因此廣泛應用於物聯網裝置，例如穿戴式裝置和智慧家庭監測器。
- 網路設備：在 路由器、交換器及網路設備中，系統單晶片（SoC）整合了封包處理能力、安全功能以及專用元件，以實現高效的数据路由。
- 消費性電子產品：系統單晶片（SoC） 為各式各樣的常見多媒體裝置（例如遊戲主機和數位媒體播放器）提供圖形處理能力與連線功能。
- 工業應用：系統單晶片（SoC） 具備即時處理、連線及介面功能，有助於實現高效且智慧的工業解決方案。
- 醫療器材：系統單晶片（SoC） 透過提升病患監測系統、診斷設備及植入式裝置的運算能力與連線能力，有助於改善病患照護品質。
SoC 設計：優點與缺點
將多個元件整合至單一晶片上，能帶來諸多好處。但在判斷系統單晶片（SoC）是否為某種裝置的合適解決方案時，必須在這些好處與如此複雜設計所帶來的挑戰之間權衡取捨。
系統單晶片的優點
- 空間優化：系統單晶片（SoC） 所佔空間比多個獨立元件更少，因此能夠實現更小巧的裝置設計。
- 功耗效率：透過以 系統單晶片（SOC）取代 大型元件與電路，可大幅降低功耗，並能達到所需的 PPA（功耗、效能與面積）指標。
- 更便宜：單一 SoC晶片 比原本所需的多顆獨立晶片組合更便宜。
- 可靠性：單一系統單晶片 （SoC）的 連接點較少，因此比透過基板 連接的多組件系統可靠得多。
- 效能：由於 訊號可完全在晶片內處理，因此系統單晶片（SoC）能比多組件解決方案達到更高的效能與速度。
系統單晶片的缺點
- 單點故障：由於 所有元件都整合 在單一晶片中，任何一個元件的故障都會影響整個系統（這也限制了升級的可能性）。
- 產品上市時間：相較於 現成元件，設計客製化系統單晶片（SoC）需要更多專業知識與專用工具，且開發時間與成本都會增加。唯有當該系統單晶片（SoC）的市場規模足夠大，足以消化這些成本時，才能收回這些額外支出。
- 類比/數位混合：由於 系統單晶片（SoC）上的所有元件皆採用單一製程技術製造，因此無法針對類比部分選用最合適的製程技術。這導致類比性能下降，也使得 SoC 更適合用於數位應用。
- 靈活性：系統單晶片（ SoC） 雖能完美勝任其預定任務，但在應用於其他任務方面的適用範圍卻相當有限。
系統單晶片設計流程
與積體電路類似，系統單晶片（SoC）的設計工作流程包含多個階段，用以進行規劃、優化與生產。每個階段都需要系統架構師、設計工程師及製造商等專家通力合作。SoC 設計流程的主要里程碑包括：
- 規格：明確 界定 SoC 的預期功能。其應用領域、效能目標、功耗限制等為何？
- 邏輯設計： 使用硬體描述語言（HDL）描述 預期行為，並透過功能模擬來驗證其正確性。
- 邏輯合成： 將 HDL行為描述自動 轉換為一組電晶體元件及其互連關係的清單，稱為「網表」。
- 實體設計: 選擇適當的電晶體元件，確定它們在矽片上的物理位置，以及它們之間互連線路的走線路徑。
- 最終核准：使用驗證軟體，例如 RedHawk-SC 來分析並驗證設計，以確保其功能與效能正常。確認佈局符合所有可製造性要求。晶片無法修復，因此若設計中存在任何錯誤，所有已製造的晶片都必須報廢，且必須重新修改設計。這正是為何在進入製造階段前進行檢查與驗證至關重要的原因。
- 流片：產生 用於製作佈局光罩的最終圖形檔案，並將其送交製造商進行生產。
- 測試與封裝：進行測試 以確認系統單晶片（SoC）符合規格要求且已可投入使用。隨後，將該矽晶片封裝於保護性封裝中。
系統單晶片設計與模擬
在日益嚴苛的空間環境中，對更智慧、更高速電子產品的需求，將持續推動系統單晶片（SoC）創新的需求。隨著系統單晶片為滿足市場需求而日益複雜，設計工程師應遵循一套標準化的方法來設計與驗證這些晶片。模擬是打造成功系統單晶片（SoC）設計、以滿足所需設計與製造規格的重要關鍵。供電網路日益複雜，而低功耗考量則導致供電電壓不斷降低。因此，針對訊號完整性 與電源完整性 進行設計簽核至關重要。
繼續閱讀
