Analysis and Design of System-on-Chip——Course Notes

SoC课笔记，简略PPT，扩展重要内容

评分规则

• 课堂10% + 平时作业45% + 期末课程设计45%

参考书

• 《SoC设计方法与实现（第4版）》 魏继增等

第一章 SoC概述

什么是集成电路？

• 芯片从下线到最终应用所经历的各个环节：晶圆与裸片->封装->芯片成品->方案与系统->终端产品

集成电路内部是啥？

• 集成电路内部包含几万至几百亿支晶体管

这么复杂，怎么做？

• 交叉性很强，涵盖材料、器件、电路、软件、工艺、制造

水泥：器件、CMOS标准单元、设计规则

图纸：功能定义、RTL、网表和版图

施工：制造、封装、测试

集成电路设计的任务

• 借助EDA,在不同抽象层次描述设计，完成从SPEC到GDSII
  • 顶层：SPEC（需求规格） 设计的起点，是对芯片功能、性能（如速度、功耗）、接口的文字 / 图表定义（如 “实现某型号处理器的运算单元，支持 1GHz 频率，功耗≤50mW”），不涉及任何电路细节。
  • 抽象层次 1：算法 / 架构级（最高层） 用工具将 SPEC 转化为架构方案，比如确定运算单元用 “流水线架构” 还是 “并行架构”，明确模块划分（如运算器、控制器、寄存器组），验证架构是否满足性能需求。
  • 抽象层次 2： RTL 级（寄存器传输级） 用硬件描述语言（如 Verilog、VHDL）描述各模块的逻辑功能，比如 “当输入信号 A 为高时，寄存器 B 的数据传输到运算器 C”，本质是定义 “数据在寄存器间的传输逻辑”，这是设计的核心抽象层，EDA 工具会在此阶段做逻辑仿真验证（确保逻辑正确）。
  • 抽象层次 3：门级（逻辑级） 通过 EDA 工具的 “逻辑综合”，将 RTL 代码转化为具体的 “门电路组合”（如与门、或门、触发器），并映射到特定工艺库（Foundry 提供的标准化门电路单元），同时优化时序（确保信号传输速度达标）、功耗。
  • 抽象层次 4：物理级（底层） 基于门级网表，用 EDA 工具完成 “物理实现”：先做 “布局”（将所有门电路单元放在芯片版图的合理位置），再做 “布线”（用金属线连接各单元的引脚，满足电气规则），最终生成GDSII 格式文件—— 这是物理版图的标准格式，包含芯片所有物理层（金属层、介质层、掺杂层）的图形数据，可直接交付 Foundry 用于光刻生产。

第一节 集成电路概述

• 目的：实现电路和系统的集成。
• 对应的产业：半导体行业——以半导体材料为加工对象。
• 核心产品：集成电路

集成电路的定义： 即芯片，通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻电容等无源器件，按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。

IC的分类

第二节 集成电路发展历史

• 1947年，美国贝尔实验室发明第一个晶体管
• 1958年，杰克·基尔比做出世界上第一块集成电路 其余略

摩尔定律

• “在价格不变的情况下，集成电路上可容纳的元器件数量约每隔18-24个月便会增加一倍，同时性能也将提升一倍。”

为什么说摩尔定律快要终结了？

• 集成度、性能、功耗、成本的等摩尔定律的特征不再统一提升或缩减：
  1. 晶体管尺寸逐渐接近物理极限，继续缩小会遇到量子隧穿效应、漏电流增加等问题；
  2. 传统存算架构面临能效瓶颈，算的速度大于存的速度；
  3. 电子迁移率退化限制器件速度的提升；
  4. 后道互连线的寄生效应主导系统延迟；
  5. 互连延迟超过晶体管的延迟。

后摩尔时代三大技术路线

1. More Moore（延续摩尔）：“把传统路走到底” 不脱离摩尔定律的核心逻辑，继续通过 “缩小晶体管尺寸” 提升芯片性能、降低成本，是对传统技术路线的深化而非颠覆。

2. More than Moore（超越摩尔）：“把单芯片做‘杂’” 不再只追求 “晶体管密度”，而是聚焦 “功能集成”—— 在同一芯片或封装内，将不同功能的器件（如逻辑电路、射频、传感器、功率器件、MEMS 微机电系统等）整合，实现 “1+1>2” 的系统级价值。

3. Beyond Moore / Beyond CMOS（超越 CMOS）：“换条路重新走” 彻底跳出传统 “CMOS 晶体管（互补金属氧化物半导体）” 的框架，探索基于全新物理原理、材料或器件结构的 “非 CMOS 技术”，本质是 “用新底层技术替代传统路线”，解决 CMOS 面临的物理极限（如量子效应、功耗墙）。

第三节 集成电路产业分工

集成电路产业链

• 上游是设计（Fabless）：负责芯片设计，企业根据需求设计电路与系统功能；
• 中游是制造（Foundry）：负责光罩、晶圆、芯片制造，把设计转化为实际芯片；
• 下游是封测：负责芯片封装和测试，将制造好的裸片封装成可用芯片，并进行测试。

第四节 什么是SoC？

• SoC：System-on-Chip 片上系统 一个芯片就是一个系统，将系统的主要功能（处理器内核、存储器、外设等）集成到一个芯片上，由功能单一、固定的芯片，变成系统软硬件解决方案

SoC的特点

• 先有系统，才有SoC芯片（考虑集成更多功能）
• 功能复杂，芯片规模大
• 专用属性更强
• 基于IP的设计方法

  IP： Intelligent Property ，直译为“知识产权”，在IC领域定义为：具有知识产权的，经过反复验证为正确的集成电路模块。IP核（IP core ）还分为软核，固核，硬核，主要是根据不同的应用或者设计层次来分类的。一般来说软核价格更高，可维护性性和重用性强，为高层Verilog HDL或VHDL模型；固核为电路网表文件，硬核为电路结构版图掩摸，性能稳定但不宜修改。

SoC的优势

1. 成本更低
2. 高可靠性
3. 系统体积大幅降低
4. 系统软硬件开发难度大幅降低
5. 高性能、低成本、低功耗，PPA全方位优势

SoC现状

• 分久必合，合久必分 在近些年来不断的制程缩减中显露颓势:
  1. 趋近工艺极限时，收益下降
  2. NRE成本高
  3. 本身因为芯片规模大，良率下降，成本增加
  4. 受不同模块工艺需求不同的影响，难以协调。