□ 劉志哲

航天科工集團(tuán)二院二十五所從事遙感測試領(lǐng)域多種設(shè)備的研制，多年來積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。隨著系統(tǒng)要求以及復(fù)雜度的提高，作為設(shè)備“大腦”的信號(hào)處理器承擔(dān)越來越多的工作。為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的算法需求，往往需要多片高性能DSP和FPGA才能滿足系統(tǒng)要求，但是組合體積、功耗與處理器性能之間的矛盾逐漸增大。二十五所人面對(duì)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和研制課題中的重重困難，秉承“專業(yè)、創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)、協(xié)作”的工作作風(fēng)，緊追技術(shù)發(fā)展新潮流，完成了SOC芯片設(shè)計(jì)從無到有的突破，實(shí)現(xiàn)了核心芯片國產(chǎn)化的跨越式發(fā)展。本文讓我們一起回顧這奇妙的探索之旅。

SOC即片上系統(tǒng)（System On Chip），是將系統(tǒng)中的主要功能集中到一顆芯片上，是集成電路設(shè)計(jì)和制造工藝發(fā)展的結(jié)果，本質(zhì)上是復(fù)雜集成電路的設(shè)計(jì)。SOC芯片的主要特點(diǎn)是片上包含一個(gè)或多個(gè)處理節(jié)點(diǎn)（微處理器CPU/數(shù)字信號(hào)處理器DSP等），周圍配合特定應(yīng)用的固定邏輯、存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等，形成一整套系統(tǒng)組件。近10年來，民用市場上的3C類（計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子）產(chǎn)品在功能、體積、性能以及產(chǎn)品研發(fā)周期上的高速發(fā)展，很大程度上得益于SOC設(shè)計(jì)技術(shù)的普及以及SOC芯片的應(yīng)用。

不僅僅在民用集成電路領(lǐng)域，在先進(jìn)電子平臺(tái)上，SOC技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。隨著先進(jìn)理論的發(fā)展，對(duì)裝備要求也產(chǎn)生了巨大變化，數(shù)字化、集成化、小型化以及智能化成為先進(jìn)裝備的重要特點(diǎn)。為了應(yīng)對(duì)上述變化，傳統(tǒng)的分離元器件的電子系統(tǒng)逐漸被基于SOC芯片的新型電子系統(tǒng)所替代，已經(jīng)在國外多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，例如通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航與定位系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

我國近年來通過加大研發(fā)力度，在新型裝備系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)技術(shù)上已經(jīng)取得相應(yīng)突破，而這一發(fā)展也對(duì)SOC芯片集成化提出了要求，需要基于SOC芯片的新型系統(tǒng)提供性能和體積、功耗上的優(yōu)勢。

芯片的功能模塊

F-16戰(zhàn)斗機(jī)上的機(jī)載相參多功能數(shù)字化火控雷達(dá)

航天科工集團(tuán)二院二十五所作為國內(nèi)先進(jìn)的遙感遙測研究所，迫切需要SOC芯片技術(shù)帶來產(chǎn)品性能的提升，依托集團(tuán)的創(chuàng)新研究課題，由二十五所信號(hào)處理室進(jìn)行了基于某系統(tǒng)的SOC芯片的應(yīng)用研究，完成了SOC芯片的全流程設(shè)計(jì)?；仡櫿n題研制過程，二十五所人充分發(fā)揮團(tuán)結(jié)拼搏、提升超越、互助關(guān)懷的攻關(guān)精神，經(jīng)歷了從SOC芯片設(shè)計(jì)的一窮二白到擁有初具規(guī)模的SOC芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、具有全流程設(shè)計(jì)的能力和掌握高級(jí)EDA軟件使用方法的過程。該課題的成功探索，填補(bǔ)了二十五所在信號(hào)處理SOC芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白，提高了二十五所產(chǎn)品核心競爭力關(guān)鍵技術(shù)的積累，也為解決系統(tǒng)設(shè)備核心芯片國產(chǎn)化準(zhǔn)備了一把利刃。

將電路板濃縮到一塊芯片內(nèi)

準(zhǔn)備篇觀千劍而后識(shí)器 操千曲而后曉聲

二十五所信號(hào)處理室負(fù)責(zé)所內(nèi)設(shè)備的信號(hào)處理器設(shè)計(jì)。信號(hào)處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，隨著算法復(fù)雜度的提高，承擔(dān)著越來越多的工作，基于通用芯片的設(shè)計(jì)平臺(tái)面臨體積、功耗等多個(gè)方面越來越多的限制。SOC芯片設(shè)計(jì)方法逐漸進(jìn)入大家的關(guān)注視野，芯片設(shè)計(jì)對(duì)信號(hào)處理室來說是個(gè)陌生和全新的領(lǐng)域，其復(fù)雜度、設(shè)計(jì)難度和各項(xiàng)投入都非常巨大，當(dāng)然回報(bào)也是豐厚的。經(jīng)過調(diào)研，國外在上個(gè)世紀(jì)八十年代就已經(jīng)開始SoC技術(shù)的研究工作，將子系統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)作為重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，有多種體系結(jié)構(gòu)及驗(yàn)證系統(tǒng)公布。美國的Aerofl xe公司為NASA開發(fā)的衛(wèi)星遙測與控制系統(tǒng)利用SoC技術(shù)，將原來的多塊電路板組成的系統(tǒng)集成為單獨(dú)一塊芯片，重量也由原來的3200g降到34g。

美國空軍的F-16戰(zhàn)機(jī)上也采用新一代可編程雷達(dá)信號(hào)處理SOC芯片，在提高信號(hào)處理系統(tǒng)的前提下，極大的縮小了系統(tǒng)的體積和功耗。

為了掌握更先進(jìn)的技術(shù)、為了信號(hào)處理更廣闊的生存空間，室里組織專業(yè)力量進(jìn)行多方調(diào)研與論證：多片F(xiàn)PGA和DSP的功能可以集成到一片芯片中，降低了系統(tǒng)的運(yùn)算節(jié)點(diǎn)數(shù)目，減少了系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)調(diào)度的復(fù)雜度，多塊信號(hào)處理板可以由一塊處理板替代，系統(tǒng)功耗可以呈倍數(shù)甚至幾十倍的降低；另外，SOC芯片完全是國內(nèi)自主設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的安全性、供貨可靠性得到保障等等。論證方案得到各方認(rèn)可，信號(hào)處理室立即組織骨干力量，成立SOC芯片設(shè)計(jì)課題組，面對(duì)空白的知識(shí)領(lǐng)域，信號(hào)處理人并沒有退縮，抱著勇于創(chuàng)新、敢于拼搏的精神，開始了學(xué)習(xí)和探索之旅。

北京理工大學(xué)的微電子實(shí)驗(yàn)室、中電集團(tuán)五十八所、深圳國威電子公司等等都留下了信號(hào)處理室人的足跡，通過每次的交流和討論，課題組成員像沙漠中的胡楊樹，汲取著一次次如甘露般來之不易的專業(yè)知識(shí)。通過多次學(xué)習(xí)和探索，課題組在了解了多個(gè)成功設(shè)計(jì)案例后，逐漸對(duì)SOC芯片設(shè)計(jì)流程有了初步的了解，走出了芯片設(shè)計(jì)探索的第一步。

SOC組的設(shè)計(jì)師正在進(jìn)行討論

裸片的內(nèi)部構(gòu)造

攻關(guān)篇路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索

經(jīng)過多方學(xué)習(xí)，二十五所人逐步揭開了SOC芯片設(shè)計(jì)的面紗。SOC芯片設(shè)計(jì)從算法到最終的流片需要經(jīng)過多步設(shè)計(jì)步驟，每一步都對(duì)應(yīng)一種EDA工具。從最開始的算法仿真，確定整顆芯片的系統(tǒng)架構(gòu)，將算法進(jìn)行細(xì)化，明確各個(gè)子模塊的功能，確定整顆芯片的主要IP核、系統(tǒng)參數(shù)、芯片管腳等整體指標(biāo)。之后，利用硬件描述語言（VHDL、Verilog等）進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)，將各個(gè)模塊的算法進(jìn)行具體的實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過程中，為了保證代碼的功能正確性、可綜合性性等需要仿真、代碼規(guī)則的檢查、調(diào)試以及跨時(shí)鐘域分析。完成代碼設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行綜合，將設(shè)計(jì)語言描述的代碼轉(zhuǎn)化成實(shí)際的門級(jí)電路。數(shù)字電路中除了功能正確外，時(shí)序正確性致關(guān)重要，后續(xù)需要進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析等保證時(shí)序正確性的功能檢查，至此，僅僅完成了SOC設(shè)計(jì)的一半——前端設(shè)計(jì)，之后轉(zhuǎn)為相對(duì)獨(dú)立的SOC設(shè)計(jì)的后一半——后端設(shè)計(jì)。SOC設(shè)計(jì)的后端設(shè)計(jì)過程類似與PCB的布局布線功能，需要將門級(jí)網(wǎng)表中選中的與門、或門、觸發(fā)器等基本邏輯單元在一定的面積上進(jìn)行布局和布線操作，之后需要進(jìn)行版圖的DRC和LVS檢查，保證版圖的工藝正確性。至此，SOC的設(shè)計(jì)過程基本完成。SOC芯片的流片生產(chǎn)一般都是由代工廠完成，流片完成的芯片還比較“脆弱”，稱之為裸片，面積比較小，一般為平方毫米量級(jí)，需要通過封裝，給裸片增加一件外衣，引出所需的管腳，這樣才完成了SOC芯片的生產(chǎn)過程，變成我們常見的芯片模樣。拿到芯片后，還需要將SOC芯片放在具體的應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際的測試與性能檢查，滿足系統(tǒng)的最終要求后，SOC芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程才基本閉環(huán)完成。

SOC芯片的設(shè)計(jì)生成過程是非常復(fù)雜的，單單由二十五所獨(dú)立完成是不可能的。一方面，二十五所是系統(tǒng)單位，對(duì)系統(tǒng)非常了解，有硬件描述語言設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)積累，但是對(duì)集成電路的底層知識(shí)相對(duì)欠缺，后端設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立且專業(yè)性強(qiáng)，為了發(fā)揮專業(yè)互補(bǔ)優(yōu)勢，由二十五所完成SOC芯片的前端設(shè)計(jì)，由微電子專業(yè)所完成后端設(shè)計(jì)；另一方面，芯片生產(chǎn)線的建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用極其昂貴，芯片生產(chǎn)都是由代工廠完成的。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)上的多系統(tǒng)多頻高性能SOC芯片

蘋果產(chǎn)品中的A5處理器，它是一個(gè)典型的SOC芯片

汽車導(dǎo)航儀中的SOC芯片

在智能手機(jī)、 平板電腦等移動(dòng)數(shù)字產(chǎn)品中使用的SOC芯片

SOC前端設(shè)計(jì)需要多種EDA軟件工具，這些EDA軟件全部是在Linux操作系統(tǒng)下使用，他們的學(xué)習(xí)和使用就成了除設(shè)計(jì)之外的又一大難題，課題組又面臨著很大的壓力。課題組成員針對(duì)一份份課件的攻讀，碰到不會(huì)的，直接去User Guide（用戶手冊(cè)）中查找，實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，再實(shí)驗(yàn)再錯(cuò)誤，在不斷的實(shí)踐過程中，逐漸摸到了各個(gè)軟件的脾氣，就像是馴服了草原上的一匹匹烈馬，大家在探索的道路上不斷前進(jìn)。

雖然芯片設(shè)計(jì)使用的硬件描述語言與FPGA設(shè)計(jì)是相同的，但是其對(duì)代碼質(zhì)量、代碼可靠性有更高的要求，甚至達(dá)到苛刻的地步。一次代碼設(shè)計(jì)到版圖實(shí)現(xiàn)到流片，不成功便成了一塊“石頭”（芯片的硅成分與石頭類似）。為了滿足SOC芯片設(shè)計(jì)這種只允許“一次成功”的設(shè)計(jì)要求，課題組經(jīng)過反復(fù)討論決定分兩方面走，一方面是將代碼在FPGA芯片實(shí)現(xiàn)后在系統(tǒng)級(jí)反復(fù)測試驗(yàn)證，另一方面是基于驗(yàn)證方法學(xué)搭建完善的測試平臺(tái)，進(jìn)行軟件級(jí)的大批量的仿真測試。方案確定后，課題組成員在時(shí)間緊，任務(wù)重的客觀事實(shí)面前，沒有打退堂鼓，為了該課題的順利進(jìn)行，每位成員都盡職盡力，擠時(shí)間甚至犧牲自己的休息時(shí)間來保證進(jìn)度。

左邊是一塊普通迷你主板，右邊是新型平板電腦中使用的SOC，兩者提供相近的功能

微軟XBOX360主機(jī)上的SOC芯片

液晶電視中使用的SOC芯片

英特爾公司的CE4100 SOC媒體處理器

總結(jié)篇寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來

白駒過隙，彈指而過，SOC芯片課題組迎來了收獲的季節(jié)。芯片設(shè)計(jì)從最初的一個(gè)個(gè)方案論證的鉛字變成充分驗(yàn)證的芯片版圖，多篇科技論文得到發(fā)表，相關(guān)專利已提交申請(qǐng)，二十五所的SOC芯片設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無到有的突破。為后續(xù)課題的設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)芯片的跨越式發(fā)展。

百尺竿頭須進(jìn)步，十方世界是全身。通過本課題，二十五所積累的SOC芯片設(shè)計(jì)的工程經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)開始了新的更加復(fù)雜的SOC芯片設(shè)計(jì)，以某課題信號(hào)處理應(yīng)用為背景，替換原有的多片F(xiàn)PGA芯片和DSP芯片，系統(tǒng)體積將縮小到原來的四分之一，系統(tǒng)功耗降低到原來的五分之一。

為了實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)國產(chǎn)化率百分之百的目的，尤其是核心元器件國產(chǎn)化的目的，二十五所人將逐步設(shè)計(jì)適應(yīng)性更強(qiáng)的SOC芯片，預(yù)計(jì)到“十三五”期間，可以達(dá)到SOC芯片滿足所內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備所需要求。二十五所人將在國產(chǎn)SOC芯片的設(shè)計(jì)道路上堅(jiān)定的走下去。