系統(tǒng)級(jí)芯片(System on Chip，簡(jiǎn)稱SoC)，也稱片上系統(tǒng)，意指它是一個(gè)產(chǎn)品，是一個(gè)有專用目標(biāo)的集成電路，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入軟件的全部?jī)?nèi)容。同時(shí)它又是一種技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。 [1] [5]系統(tǒng)級(jí)芯片可追溯到20世紀(jì)70年代。1974年，第一個(gè)真正的SoC產(chǎn)品出現(xiàn)在Microma手表中。 [7]正式的系統(tǒng)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期。SoC是在集成電路向集成系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的大方向下產(chǎn)生的。 [8]1999年，系統(tǒng)級(jí)芯片增長(zhǎng)率達(dá)63%，2000年也維持60%以上的增長(zhǎng)。2001年，系統(tǒng)級(jí)芯片市場(chǎng)銷售額下降率5%，占世界半導(dǎo)體總產(chǎn)值的12.9%。 [10]2015年，小米自己研發(fā)首款SoC芯片“澎湃S1”。 [19]截至2025年5月，具備自研SoC芯片的廠商包括蘋(píng)果、三星、華為、高通、聯(lián)發(fā)科等。5月15日，小米集團(tuán)創(chuàng)始人雷軍宣布，小米自主研發(fā)設(shè)計(jì)的手機(jī)SoC芯片， [19]系統(tǒng)級(jí)芯片由嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、專用功能模塊、I/O接口模塊、片內(nèi)總線等多種功能模塊構(gòu)成。 [22]SoC下游應(yīng)用領(lǐng)域眾多，主要集中在消費(fèi)電子和汽車電子等。 [32]此外，系統(tǒng)級(jí)芯片還應(yīng)用于航天電子系統(tǒng)等。 [35]系統(tǒng)級(jí)芯片具有增加功能、提高性能指標(biāo)、減少體積、降低功耗等優(yōu)點(diǎn)。 [28]開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的處理器核、核心IP和總線架構(gòu)，同時(shí)又保證兼容性集成第三方IP，將使中國(guó)SoC發(fā)展具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，從而帶動(dòng)國(guó)內(nèi)IC產(chǎn)業(yè)往深度、廣度方向發(fā)展

與集成電路類似，片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作流程包括計(jì)劃、優(yōu)化和生產(chǎn)等多個(gè)階段。每個(gè)階段都需要系統(tǒng)架構(gòu)師、設(shè)計(jì)工程師和制造商等專業(yè)人員的緊密協(xié)作。SoC設(shè)計(jì)流程的主要階段包括：規(guī)范：明確定義SoC的預(yù)期功能。應(yīng)用、性能目標(biāo)、功率限制等要求是什么?邏輯設(shè)計(jì)：用硬件描述語(yǔ)言(HDL)描述預(yù)期行為，并仿真功能行為，以驗(yàn)證其是否正確。邏輯綜合：自動(dòng)將HDL行為描述轉(zhuǎn)換為晶體管元件及其互連列表，又被稱為“網(wǎng)表”。物理設(shè)計(jì)：選擇合適的晶體管組件，確定它們?cè)谛酒系奈锢砦恢?，以及它們之間的互連導(dǎo)線的軌跡。簽核：利用Ansys RedHawk-SC等驗(yàn)證軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以確保正確的功能和性能。驗(yàn)證布局符合所有可制造性要求。芯片無(wú)法進(jìn)行修復(fù)，因此如果設(shè)計(jì)中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，則必須廢棄所有制造出來(lái)的芯片，并重新修改設(shè)計(jì)。這就是為什么在制造之前進(jìn)行檢查和驗(yàn)證如此重要。流片：生成用于創(chuàng)建布局光掩模的最終圖形文件，并發(fā)送給制造商進(jìn)行生產(chǎn)。測(cè)試和封裝：測(cè)試以確認(rèn)SoC符合規(guī)范并可直接使用。然后將硅芯片封裝在保護(hù)性封裝中。

System on Chip，簡(jiǎn)稱SoC，也即片上系統(tǒng)。從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)核心的芯片集成，是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上。從廣義角度講， SoC是一個(gè)微小型系統(tǒng)，如果說(shuō)中央處理器(CPU)是大腦，那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲(chǔ)器(或片外存儲(chǔ)控制接口)集成在單一芯片上，它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。片上系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SoC)是半導(dǎo)體工業(yè)中常用的一個(gè)術(shù)語(yǔ)。它指的是將計(jì)算機(jī)或其他電子系統(tǒng)的所有必要組件集成到單個(gè)芯片上的一種微芯片。SoC的核心是微芯片，在單個(gè)集成電路(IC)上包含了完整功能系統(tǒng)所需的所有電子電路。換句話說(shuō)，CPU，內(nèi)部存儲(chǔ)器，I/O端口，模擬輸入和輸出，以及額外的應(yīng)用特定的電路塊，都被設(shè)計(jì)成集成在同一個(gè)芯片上。SoC與傳統(tǒng)設(shè)備和PC架構(gòu)不同，傳統(tǒng)設(shè)備和PC架構(gòu)使用單獨(dú)的芯片來(lái)處理CPU、GPU、RAM和其他基本功能組件。

SoC的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其緊湊的尺寸和效率。通過(guò)將多個(gè)組件集成到單個(gè)芯片上，所得到的設(shè)備可以比具有單獨(dú)組件的傳統(tǒng)電路板更小，功耗更低。相比之下，傳統(tǒng)的電路板往往需要多個(gè)組件，如單獨(dú)的處理器、存儲(chǔ)芯片和輸入/輸出接口，這些組件必須通過(guò)布線或其他方式進(jìn)行物理連接。這可能使最終的設(shè)備更大，效率更低，更容易出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障。各種SoC的開(kāi)發(fā)取決于它們的預(yù)期設(shè)備。例如，智能手機(jī)或其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上的SoC也可能包含Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)調(diào)制解調(diào)器。在傳統(tǒng)方法中，SoC在電路塊之間使用較短的布線來(lái)降低功耗并提高效率。一般來(lái)說(shuō)，工程師們希望減少能源浪費(fèi)，節(jié)省開(kāi)支，并進(jìn)一步小型化設(shè)備。利用片上系統(tǒng)技術(shù)，這可以通過(guò)在單個(gè)IC上采用先進(jìn)的集成方法實(shí)現(xiàn)。

這些緊湊而多功能的芯片推動(dòng)了智能手機(jī)的興起，在一個(gè)小的外形中實(shí)現(xiàn)了令人難以置信的功能。同樣，由于其緊湊和節(jié)能的特性，制造商正在將SoC集成到新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)甚至汽車中。此外，我們還看到了在個(gè)人電腦和筆記本電腦中使用的SoC技術(shù)的轉(zhuǎn)變，以進(jìn)一步降低功耗并提高性能。更少的電路房地產(chǎn)通常導(dǎo)致更少的熱量產(chǎn)生，更少的電力消耗，和更低的生產(chǎn)成本。這使得更高效的設(shè)備設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)熱量分配、最小延遲和加速數(shù)據(jù)傳輸。因?yàn)镾oC是高度專門化的，所以它們通常應(yīng)用于個(gè)性化的任務(wù)。定制SoC現(xiàn)在正在為特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)，例如增強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)，先進(jìn)的人工智能功能以及具有更快數(shù)據(jù)處理的高性能計(jì)算。SoC可以作為分布式操作執(zhí)行多個(gè)計(jì)算(而不是傳統(tǒng)CPU提供的有限并行性)，從而進(jìn)一步加速計(jì)算。出于這個(gè)原因，許多公司現(xiàn)在都在投資開(kāi)發(fā)自己的定制SoC，以支持其先進(jìn)的數(shù)據(jù)和信號(hào)處理需求。

SoC芯片的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，但通常包含以下幾個(gè)關(guān)鍵組成部分：

處理器核心 ：SoC芯片的核心部件，包括CPU(中央處理器)、GPU(圖形處理器)、NPU(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器)等。這些處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、進(jìn)行計(jì)算和控制數(shù)據(jù)流等操作。

內(nèi)存子系統(tǒng) ：包括高速緩存(Cache)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)等。內(nèi)存子系統(tǒng)為處理器提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)服務(wù)。外設(shè)接口 ：SoC芯片通過(guò)外設(shè)接口與外部設(shè)備(如傳感器、顯示器、攝像頭等)進(jìn)行連接和通信。這些接口可能包括USB、SPI、I2C、UART等多種類型。電源管理單元 ：負(fù)責(zé)SoC芯片的電源供應(yīng)和功耗管理。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整芯片的供電電壓和頻率，電源管理單元可以實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命。其他功能模塊 ：根據(jù)應(yīng)用需求的不同，SoC芯片還可能包含其他功能模塊，如音頻處理器、視頻編碼解碼器、安全模塊等。SoC芯片的功能強(qiáng)大且多樣化，能夠完成各種復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

SoC芯片的基本功能如下：

計(jì)算和數(shù)據(jù)處理 ：SoC芯片中的處理器核心負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、進(jìn)行計(jì)算和控制數(shù)據(jù)流等操作。它們能夠處理各種復(fù)雜的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)流，滿足用戶的各種需求。多媒體處理 ：SoC芯片通常包含圖形處理器(GPU)和視頻編碼解碼器等多媒體處理模塊。這些模塊能夠處理圖像和視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖形渲染和視頻播放。連接和通信 ：SoC芯片通過(guò)外設(shè)接口與外部設(shè)備進(jìn)行連接和通信。它們支持多種通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，如Wi-Fi、藍(lán)牙、USB等，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無(wú)線或有線連接。安全功能 ：SoC芯片中的安全模塊能夠保護(hù)設(shè)備免受惡意攻擊的威脅，防止數(shù)據(jù)泄漏、保護(hù)數(shù)據(jù)安全。它們通過(guò)加密、解密、身份驗(yàn)證等機(jī)制，確保設(shè)備的安全性。低功耗管理 ：SoC芯片中的電源管理單元能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整芯片的供電電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行。這對(duì)于移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)尤為重要，可以延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命，并提高用戶體驗(yàn)滿意度。

SoC芯片的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在滿足特定應(yīng)用需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗、小體積和低成本的綜合優(yōu)化。

SoC芯片的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。以下是SoC芯片的設(shè)計(jì)的基本考量：

功耗管理：SoC芯片的功耗管理對(duì)于設(shè)備的電池壽命和用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)時(shí)需要采用低功耗技術(shù)和優(yōu)化算法來(lái)降低芯片的功耗。

性能優(yōu)化：SoC芯片的性能直接影響到設(shè)備的運(yùn)行速度和響應(yīng)能力。設(shè)計(jì)時(shí)需要采用高性能的處理器核心和內(nèi)存子系統(tǒng)來(lái)提升芯片的性能。

成本控制：SoC芯片的成本控制是制造商關(guān)注的重要問(wèn)題之一。設(shè)計(jì)時(shí)需要采用成本低效益高的設(shè)計(jì)方案和制造工藝來(lái)降低芯片的成本。

集成度提升：隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，SoC芯片的集成度不斷提高。設(shè)計(jì)時(shí)需要采用先進(jìn)的封裝技術(shù)和互連技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更多功能模塊的集成，減少對(duì)外部元件的依賴，進(jìn)一步縮小芯片體積并提升整體性能。

可測(cè)試性和可調(diào)試性：SoC芯片的設(shè)計(jì)復(fù)雜性要求在設(shè)計(jì)階段就充分考慮到可測(cè)試性和可調(diào)試性。這包括內(nèi)置測(cè)試邏輯、調(diào)試接口以及故障檢測(cè)與隔離機(jī)制等，以便在制造和部署過(guò)程中能夠快速定位和解決問(wèn)題。

安全性與可靠性：隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備的普及，SoC芯片的安全性和可靠性變得越來(lái)越重要。設(shè)計(jì)時(shí)需要采用硬件級(jí)的安全機(jī)制，如加密引擎、安全存儲(chǔ)、防篡改技術(shù)等，以保護(hù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的安全。同時(shí)，還需要進(jìn)行嚴(yán)格的可靠性測(cè)試和驗(yàn)證，確保芯片在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

兼容性與標(biāo)準(zhǔn)化 ：SoC芯片的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以確保與其他設(shè)備和系統(tǒng)的兼容性。這有助于降低開(kāi)發(fā)成本，加速產(chǎn)品上市，并提升用戶體驗(yàn)。