分立式SOC:漸進式發(fā)展與嚴峻挑戰(zhàn)
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過去三十年來,實現(xiàn)真正的片上系統(tǒng) (SoC) 的理念一直是半導體業(yè)界孜孜以求的神圣目標。
我們已經(jīng)取得了巨大成就,但依然任重而道遠。
用數(shù)字電路實現(xiàn)模擬與 RF 是真正的挑戰(zhàn),因為它要求不同的 IC 工藝。模擬、數(shù)字與 RF 集成已成為現(xiàn)實--藍牙芯片就是很好的例證。但與 SOC 的最終目標相比,這只是模擬與 RF 電路相對不太復雜的定制設(shè)計而已。
考慮到芯片集成仍難以實現(xiàn),定義另一概念是相當有用的:分立式 SOC,這是系統(tǒng)實現(xiàn)最終集成的中間步驟。這一概念有助于芯片工程師與設(shè)計人員實施過度型集成措施,為最終目標做好準備。
分立式 SOC 概念包含在個人視頻記錄器 (PVR) 的芯片組中,帶有大塊的高速數(shù)字電路、BiCMOS 音頻與視頻編解碼器以及電視調(diào)諧器,其使用的制造技術(shù)也相當特殊。PVR 的發(fā)展是這種復雜系統(tǒng)集成不斷進展的一個實例。
但是,分立式 SOC 提出的挑戰(zhàn)非常之嚴峻,以致于我們關(guān)于集成優(yōu)勢的共識(更小、更快、更廉價)甚至可能隨著業(yè)界接近最終集成目標而失效。
對于真正的 SOC,單一器件不能保證實現(xiàn)最低的系統(tǒng)成本、最高的性能或最低的功耗。它很可能實現(xiàn)較小的尺寸。但為減小尺寸而犧牲成本與功耗的做法一般來說是沒有意義的。
PVR 系統(tǒng)集成
2000 年時,典型的 PVR 系統(tǒng)包括 8 個芯片(見圖)。設(shè)計小組了解到集成是一個漸進的過程,而且板級解決方案會持續(xù)發(fā)展到 2006 年,這樣他們就可根據(jù)四條基本規(guī)則開發(fā)新一代產(chǎn)品。當然,他們還會將每一代連續(xù)的集成變得更加簡單而迅速。
在 PC 板的相同一般區(qū)域用相似的工藝技術(shù)放置組件。
將數(shù)字 IC 放置得盡可能靠近混合模式部件,以使跡線最短。
放置 RF 電路使之與高速電路相隔離。
電源應(yīng)為獨立模塊,這樣在新技術(shù)出現(xiàn)時,系統(tǒng)就能夠利用這些新技術(shù)。
上圖顯示了數(shù)字處理單元如何快速合成為單一的 CMOS芯片。由于制造技術(shù)不匹配,在2002年時 BiCMOS 音頻編解碼器、視頻編碼器/解碼器以及電視調(diào)諧器還未成為集成的對象。
過采樣音頻編解碼器可放于 CMOS 中,但這種情況下則相反。將音頻編解碼器與 CPU 和 MPEG 相集成會降低音頻質(zhì)量--這是一個較困難的設(shè)計問題。
視頻編碼器與解碼器采用 BiCMOS 技術(shù),并可集成到單一芯片上,這在 2004 年才剛得以實現(xiàn)。盡管電視調(diào)諧器在 2002 年系列產(chǎn)品中就已使用 BiCMOS 技術(shù),但當視頻編碼器/解碼器可集成到單一的 BiCMOS 芯片上時,它在 2004 年系列產(chǎn)品中轉(zhuǎn)而采用 SiGe。
到 2006 年,兩種 SOC 都可能成為最先進的 PVR。當音頻編解碼器加到 CMOS 電路中,且視頻編碼器/解碼器與電視調(diào)諧器相結(jié)合時,就實現(xiàn)了上述情況。
未來尚不明朗
2006 年之后的情況如何就不那么明確了。隨著硅片技術(shù)不斷發(fā)展,我們可以想象未來的電視將在一個 SOC 上集成 PVR 功能。
制造技術(shù)及其產(chǎn)生的硬件組件提出了巨大挑戰(zhàn),不過還不是 SOC 要面臨的最大難題。我們可認為電子系統(tǒng)有著五大構(gòu)成部分:制造、硬件組件、操作系統(tǒng)、專用軟件以及開發(fā)環(huán)境。
每個構(gòu)成部分都對實現(xiàn) SOC 提出了一些程度不同的難題。最大的難題就在于缺乏一個開發(fā)環(huán)境,能夠在模擬、數(shù)字與 RF 方面對 SOC 進行模擬、仿真、測試以及定型 (prototype)。
今天的數(shù)字芯片需要龐大的驗證小組、復雜的軟件,還需要昂貴的硬件作為仿真器,此外還需要長達數(shù)月的時間。添加模擬與 RF 將使問題更加嚴重,甚至無法控制。
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