□ 劉志哲

航天科工集團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。隨著系統(tǒng)要求以及復(fù)雜度的提高，作為設(shè)備“大腦”的信號處理器承擔(dān)越來越多的工作。為了應(yīng)對日益復(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)計從無到有的突破，實現(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。SOC芯片的主要特點是片上包含一個或多個處理節(jié)點（微處理器CPU/數(shù)字信號處理器DSP等），周圍配合特定應(yīng)用的固定邏輯、存儲器、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（計算機、通信、消費電子）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，在先進電子平臺上，SOC技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。隨著先進理論的發(fā)展，對裝備要求也產(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裝備的重要特點。為了應(yīng)對上述變化，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)計技術(shù)上已經(jīng)取得相應(yīng)突破，而這一發(fā)展也對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)斗機上的機載相參多功能數(shù)字化火控雷達

航天科工集團二院二十五所作為國內(nèi)先進的遙感遙測研究所，迫切需要SOC芯片技術(shù)帶來產(chǎn)品性能的提升，依托集團的創(chuàng)新研究課題，由二十五所信號處理室進行了基于某系統(tǒng)的SOC芯片的應(yīng)用研究，完成了SOC芯片的全流程設(shè)計。回顧課題研制過程，二十五所人充分發(fā)揮團結(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)計的一窮二白到擁有初具規(guī)模的SOC芯片設(shè)計團隊、具有全流程設(shè)計的能力和掌握高級EDA軟件使用方法的過程。該課題的成功探索，填補了二十五所在信號處理SOC芯片設(shè)計領(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)備篇觀千劍而后識器 操千曲而后曉聲

二十五所信號處理室負責(zé)所內(nèi)設(shè)備的信號處理器設(shè)計。信號處理器作為整個系統(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)計平臺面臨體積、功耗等多個方面越來越多的限制。SOC芯片設(shè)計方法逐漸進入大家的關(guān)注視野，芯片設(shè)計對信號處理室來說是個陌生和全新的領(lǐng)域，其復(fù)雜度、設(shè)計難度和各項投入都非常巨大，當(dāng)然回報也是豐厚的。經(jīng)過調(diào)研，國外在上個世紀(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)計作為重點發(fā)展目標(biāo)，有多種體系結(jié)構(gòu)及驗證系統(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)機上也采用新一代可編程雷達信號處理SOC芯片，在提高信號處理系統(tǒng)的前提下，極大的縮小了系統(tǒng)的體積和功耗。

為了掌握更先進的技術(shù)、為了信號處理更廣闊的生存空間，室里組織專業(yè)力量進行多方調(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)的運算節(jié)點數(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，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可，信號處理室立即組織骨干力量，成立SOC芯片設(shè)計課題組，面對空白的知識領(lǐng)域，信號處理人并沒有退縮，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)的微電子實驗室、中電集團五十八所、深圳國威電子公司等等都留下了信號處理室人的足跡，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。通過多次學(xué)習(xí)和探索，課題組在了解了多個成功設(shè)計案例后，逐漸對SOC芯片設(shè)計流程有了初步的了解，走出了芯片設(shè)計探索的第一步。

SOC組的設(shè)計師正在進行討論

裸片的內(nèi)部構(gòu)造

攻關(guān)篇路漫漫其修遠兮，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)計的面紗。SOC芯片設(shè)計從算法到最終的流片需要經(jīng)過多步設(shè)計步驟，每一步都對應(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)，將算法進行細化，明確各個子模塊的功能，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）進行代碼設(shè)計，將各個模塊的算法進行具體的實現(xiàn)。在這個過程中，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)試以及跨時鐘域分析。完成代碼設(shè)計后，需要進行綜合，將設(shè)計語言描述的代碼轉(zhuǎn)化成實際的門級電路。數(shù)字電路中除了功能正確外，時序正確性致關(guān)重要，后續(xù)需要進行靜態(tài)時序分析等保證時序正確性的功能檢查，至此，僅僅完成了SOC設(shè)計的一半——前端設(shè)計，之后轉(zhuǎn)為相對獨立的SOC設(shè)計的后一半——后端設(shè)計。SOC設(shè)計的后端設(shè)計過程類似與PCB的布局布線功能，需要將門級網(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行布局和布線操作，之后需要進行版圖的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，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)境中進行實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)計生產(chǎn)過程才基本閉環(huán)完成。

SOC芯片的設(shè)計生成過程是非常復(fù)雜的，單單由二十五所獨立完成是不可能的。一方面，二十五所是系統(tǒng)單位，對系統(tǒng)非常了解，有硬件描述語言設(shè)計的經(jīng)驗積累，但是對集成電路的底層知識相對欠缺，后端設(shè)計相對獨立且專業(yè)性強，為了發(fā)揮專業(yè)互補優(yōu)勢，由二十五所完成SOC芯片的前端設(shè)計，由微電子專業(yè)所完成后端設(shè)計；另一方面，芯片生產(chǎn)線的建設(shè)、維護費用極其昂貴，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，它是一個典型的SOC芯片

汽車導(dǎo)航儀中的SOC芯片

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

SOC前端設(shè)計需要多種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。課題組成員針對一份份課件的攻讀，碰到不會的，直接去User Guide（用戶手冊）中查找，實驗錯誤，再實驗再錯誤，在不斷的實踐過程中，逐漸摸到了各個軟件的脾氣，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。

雖然芯片設(shè)計使用的硬件描述語言與FPGA設(shè)計是相同的，但是其對代碼質(zhì)量、代碼可靠性有更高的要求，甚至達到苛刻的地步。一次代碼設(shè)計到版圖實現(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)計這種只允許“一次成功”的設(shè)計要求，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芯片實現(xiàn)后在系統(tǒng)級反復(fù)測試驗證，另一方面是基于驗證方法學(xué)搭建完善的測試平臺，進行軟件級的大批量的仿真測試。方案確定后，課題組成員在時間緊，任務(wù)重的客觀事實面前，沒有打退堂鼓，為了該課題的順利進行，每位成員都盡職盡力，擠時間甚至犧牲自己的休息時間來保證進度。

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)計從最初的一個個方案論證的鉛字變成充分驗證的芯片版圖，多篇科技論文得到發(fā)表，相關(guān)專利已提交申請，二十五所的SOC芯片設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)了從無到有的突破。為后續(xù)課題的設(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)，實現(xiàn)了國產(chǎn)芯片的跨越式發(fā)展。

百尺竿頭須進步，十方世界是全身。通過本課題，二十五所積累的SOC芯片設(shè)計的工程經(jīng)驗，目前已經(jīng)開始了新的更加復(fù)雜的SOC芯片設(shè)計，以某課題信號處理應(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)計適應(yīng)性更強的SOC芯片，預(yù)計到“十三五”期間，可以達到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)計道路上堅定的走下去。