CTIMES- SoC的定義與架構 :SoC,系統單晶片
SoC的定義與架構
【作者: 黃俊義】 2004年02月05日 星期四
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首先要說明的是,本篇文章對SoC的定義並非單從產業上、技術上或市場沿革上的描述,而是輔以科學上、哲理上與自然現象上的推衍。因此讀者必須先拋棄傳統IC設計的佈局概念,並打破一般電子零組件的舊式思維。在根據較為形而上的定義後,所產生的SoC也是較為開放而多元的架構,但這並非刻意的包容各家說法或模糊化SoC的界限;相反地,這是要突顯出SoC之可行性、必然性與變動性的種種特色。
@系統的定義
SoC顧名思義就是“System on a Chip”,中文稱作「系統單晶片」。所以先要說明清楚什麼是系統?各種事物表面上看起來,好像系統是系統,元件是元件。但在自然現象的觀察上並非如此,反而是處在一個層次交錯、變化多端的狀況,同時還得看從什麼角度去界定,才能說清楚、講明白。例如家庭是一個系統,組成家庭的個人是一種元件;但對於一個社會系統而言,家庭則是其中的元件;對於器官或細胞單元而言,則個人又是另一種系統。所以事物本身是系統還是元件,這端賴我們從什麼立場來觀看或應用。
所以是不是能成為一個獨立的「系統式元件」或「元件式系統」,重點都在於是否能從頭到尾自己完成一件事。要達到這樣的功能則必須具備一些條件的檢驗,一是內部必須包括三大功能元件,分別是邏輯元件、記憶體元件與感測元件;二是具備三個基本作業單元或介面,分別是輸入單元、處理單元與輸出單元;三是具有三種通訊網路功能的子系統,分別是伺服系統、配接系統或終端系統。其中第一、二項是作為一個系統都要具備的要素,第三項則是從系統相對連結的角色而定義,這三項又分屬於電光科技〈以電與光為應用控制的科技〉領域的三大類別(表一)。
表一 電光科技領域的三種分類系統
電光科技
電腦科技系統
電子科技系統
網際科技系統
輸入單元(介面)
邏輯元件
伺服系統
處理單元(介面)
記憶元件
配接系統
輸出單元(介面)
感測元件
終端系統
因此,不管是以什麼樣的型態來顯現,硬體也好、軟體也罷,軟硬體的彈性組合也可以,只要具備上述的系統定義範圍,那麼就可以說是一個準系統了。
元件的定義
除了原本「系統式的元件」外〈即指一種統合而成的子系統〉,一般所謂元件都是指單一製造成型的個體,所以一顆獨立成型的電晶體是一種元件〈或稱作離散元件〉,集積數十萬電晶體在一晶片上的電路也是一種元件〈或稱作IC元件〉。然而過去的IC元件少有具備系統執行能力者,原因就在於它們通常只是一種個別功能的元件,例如DSP邏輯元件或CMOS感測元件。
如果所開發的IC元件能夠集積成為一個獨立運作的系統晶片,也就是同時具有邏輯、記憶與感測的功能〈外接的不算〉,並包括I/O與中間處理的介面〈含內外部的介面,如OCB或USB介面〉,這樣的IC元件就是一種「元件式系統」。
除了一般功能性IC元件外,離散元件〈大部分作為線性用途〉或做電源控制管理功能的IC〈Power Manager IC〉,也都符合元件的定義。另外一些連接、包裝的材料或外接輸出、輸入的裝置也是一種元件,這我們稱之為資材元件。總結上述各類元件則有三種,分別是SoC元件、功能元件與離散元件,為了清楚起見,整理成(表二)以方便讀者對照了解。
表二 元件的種類
1.功能元件
a.邏輯元件 如CPU、DSP等
註:左列所有元件都有可能以虛擬的元件(SIP)或整合過程而存在。
b.記憶元件 如DRAM、Flash等
c.感測元件 如溫度、影像等感測
d.電源元件 如整流、Converter等
e.資材元件 如傳輸、接合等材料
2.離散元件
如電晶體、電容、電阻等
3.SoC元件
如PDA、DSC等系統整合元件
單晶片的定義
在同一製程中所集積而成的電路晶片就是單晶片。傳統上的CPU、DRAM等功能性元件都是以單晶片的型態來生產銷售;也有一些離散元件是以半導體製程來生產的單晶片,總之以獨立一顆晶片為成品的都叫做單晶片。
但由於晶圓製程越來越進步與精密,一小塊晶片便能集積千萬顆以上的電晶體,乃至可將不同結構的電路整合到同一製程中生產,使得傳統元件的功能越來越強大,也促成了系統單晶片(SoC)發展上的可行性與必然性。同樣的內容以單晶片來生產整合,當然比多晶片來得省時省成本,單以這個原則,就可以知道SoC是必然的趨勢,至於技術上與法律上的問題應會在市場的壓力下一一克服。
在某方面而言,利用封裝的技術將多晶片堆疊構裝成為一顆元件式系統〈System in a Package;SiP〉,也有其經濟價值與市場競爭力,但總不如單晶片的簡易與彈性。所以,總結上述的SoC定義,就是一顆能獨立系統作業的單晶片,這可能是一顆單一應用功能的晶片,也可能是一顆可載入其他應用系統的晶片,當然也可能一顆可連線其它系統的次系統晶片。
SoC的過去架構
SoC的過去架構主要是單一應用功能的晶片,雖然完全符合前述對系統的定義,但通常不具備應用轉換與功能擴充的能力,也沒有對外連線其它系統的方式,只有簡單的參數改變與記錄更新的功能。這樣的架構主要是以微控制器(MCU)單晶片為基礎所設計而成,且沒有所謂SIP的整合概念,只要編寫讀入控制碼即可,其架構元素如下:
由於現在的MCU越來越強大,且可嵌入的記憶體容量也很高,相對應用範圍也擴充許多了。所以雖然是過去的技術與架構,但現在或未來可應用的時機仍很多,有些廠商如Cypress還把它另稱為PSoC,也頗有新意。
SoC的現在架構
現在的SoC架構主要是以虛擬元件的方式來整合,透過強大的設計輔助工具(EDA),及各階段的模擬驗證作業,使得SoC得以整合更複雜且多樣的元件,這才能製作出真正強大而彈性化的系統單晶片,並且才能無障礙的與現有3C軟硬體產品相容與相接續。短期內,透過SoC設計技術不斷的進步,還有周邊產業鏈的供應服務,SoC將不只是坐而言的觀念口號,而是具體可行的產業新生態,其架構元素如下:
目前的解決方案多以提供MPU為核心IP的廠商來作平台整合,例如ARM及MIPS兩大供應商,但這都只能開發一些標準化的產品,若沒有更多先進IP的開放授權,SoC產業的發展就會面臨阻礙。
SoC的未來架構
談到未來的SoC架構,其實也不離現在所發展的市場與技術趨勢,主要就是配合行動化通訊的需求,而必須有各種有線或無線通訊網路的解決方案。當然,為了更有彈性的發展,可程式化的SoC與能自我學習來配合環境發展的人工智慧架構,也是未來很重要的一個方向,其架構元素如下:
有了網路通訊能力的系統單晶片,就是一個更為開放的架構,從微小到龐大的事物之間,才能作既是系統又是元件般的靈活運用,並造就電子產品成為活生生的個體,不僅彼此相攝相融,也符合大自然「一即一切,一切即一」的生命本質。
結語
總而言之,從上面循序的說明,SoC的定義與架構應該很清楚了,但許多不可預知的難題仍會層出不窮,我們要以人本的需求來應用,才不會對社會產生惡性的影響,乃至於造成難以收拾的局面。物化的系統就是物化的系統,儘管他也能結合生物科技而發展,人要能役物,但不可以役於物,否則反而走向更大的束縛。因此,偏於邏輯功能的SoC就拿來幫助人們做各種計算處理,偏於感測功能的SoC就用在各種訊號的傳遞,偏於記憶的SoC就用在各種事物的紀錄儲存,給人更方便安定的生活,這樣就很有意義了。
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