隨著製程技術的進步以及市場對整合性、小尺寸晶片的需求浮現，系統單晶片（SoC）在數年的發展中，已站穩其晶片設計主流的地位。Gartner Dataquest副總裁兼首席分析師Bryan Lewis在會議中指出，目前SoC已進入第二代的產品架構，預計到了2010年時，第二代SoC將達300億美元的產值，而且市場會掌握在大公司的手中。

相較於有些神祕的第一代SoC來說，Bryan對第二代SoC提出的定義是：它是一種混合性的功能晶片，包括混合性的產品類型和製程技術，其電路閘數極高、具有多重處理器核心，並使用多階層的軟體架構。在這個晶片中，又分為數個次級處理系統，由不同的處理器來控制；這些次系統中甚至有自己的作業系統、韌體和API。

在這個定義下，目前市場上有三個極成功的第二代SoC範例，分別是Philips的Nexperia、TI的OMAP和Panasonic的UniPhier。它們都符合上述的特性，也就是以多重次系統整合成為一個完整的系統，並以階層式的嵌入式軟體來驅動這些次系統；它們整合了多種加值性的IP，讓設計上具有高度的可利用性，同時也能適需要為客戶進行客製化的設計。

現在最大宗的SoC應用市場，自然是非手機莫屬，但仍有不少其他的市場對SoC需求若渴，如儲存、遊戲機、顯示器、繪圖卡、汽車、PC/Notebook、寬頻遠端接取、數位音訊播放器、DVD等等，請參考(圖一)。雖然市場看起來不小，但從這三大SoC平台的發展來看，投入的資金動?達1億美元，技術上又得做到多核心、IP的可攜性和軟體的階層性等層次，可見得進入的門檻相當高，而且還需要有好的電子系統級（ESL）設計工具的輔助才行。

《圖一　SoC的潛在市場》

第二代SoC走向多核心處理器有其必要性，因為現在的應用功能愈來愈多元，多核心架構能把不同的工作分配給特定的處理器，其中可組態（configurable）處理器還能為個別工作做最佳化的加速設計；此外，透過平行處理能增加效能關鍵性（performance-critical）工作的速度，而透過時間分割（time-slicing）則能將多個低頻寬的工作合併在一個處理器上做處理；最後，引進伺服器中的不停頓（redundant）架構，則能進一步提升晶片的穩定性。

很顯然地，這是新的一波產業重組，有些業者將因此而成為市場上的贏家。Lewis指出，有五類的公司將會隨著第二代SoC的發展脫穎而出：

• (1)具有完整解決方案的大公司，如TI、Philips、IBM等；





• (2)處理器核心公司，如ARM、Tensilica、ARC等；





• (3)嵌入式軟體公司，如新興公司Ignios、Polycore，和主流公司Wind River、Microsoft等；





• (4)ESL設計工具供應商，如Math Works，也可能包括CoWare、Synopsys；





• (5)提供與SiP相關的軟體、裸晶型式IP、封裝的公司。

除了SoC外，另一與其競爭的技術則是系統級封裝（SiP）。Bryan表示，兩者優缺點互見，SoC適合要求高效能、高整合度和生命週期長、產量高的產品，不過，它的技術難度較高，需要投入的研發時間也較長；SiP則適合重視可調整彈性、上市時間壓力大、要求混合不同的晶片技術（如記憶體、類比或數位功能）或混合製程技術（如Si、GaAs、SiGe）的產品，一般來說，SiP的成本較SoC為低，也較不會要求產量的規模，不過，在製造中仍會得克服良好裸晶（known good die；KGD）的良率問題，請參考(圖二)。

《圖二　SoC與SiP的設計考量要點》

以全面性創新突破障礙

同是談晶片的設計趨勢，IBM公司的策略聯盟副總裁兼技術長Bernard S. Meyerson不只強調「系統」，更要求「全面性的創新設計」（Holistc innovative design），認為這是當晶片微縮摩爾定律出現脫軌窘境的此時，電子產業想要繼續成長必須跨出的下一步。

Meyerson指出，微縮的法則一向是電子產業降低成本、提升效能的不二法門，不過，當尺寸小到今日的奈米階段，已出現難以承受的電路閘洩露等問題，系統又要求以更高電壓來達到更快效能，這就造成電力密度大幅的躍升。

此外，在微小化的情況下，由於原子的大小不變，製程中只要出現了一個原子的缺陷，就可以造成比平均值大上十至一百倍的本地電流洩露，而這種非分析性行為（non-statistical behavior）現在已是高階設計的普遍性問題了。除非開發者具有電路模擬的最佳技術及工具，否則將難以針對此類電路進行有效率的產品設計。

Meyerson說：「過去，Bipolar曾是主要的製程技術，不過，當其耗電議題發展到了極限時，在90年代初期轉向了CMOS製程。現在同樣的狀況又發生在CMOS身上，不過業界還沒有立即可行的替代方案。」

在此情況下，要讓這個產業繼續以快速的腳步成長，就得尋求其他的途徑。Meyerson認為，目前業界在晶片設計的重點上，出現了很大的轉折，在2003年以前，製程的微縮法則是提升效能、降低成本的主要驅動力；最大的限制是晶片的效能，因此業者以處理器效能的提升為競爭重點；在這個階段，晶片的行為是可分析的。

到了2005年時，晶片設計的重點開始轉移。微縮性仍是降低成本的關鍵，不過，要提升效能就得靠創新的技術；設計上的最大限制由效能轉為耗電，因此更著重於待機電力的管理；在此階段，晶片中有許多行為已變成不易分析了。

就設計的層次上，又可以分為系統級（System level）、晶片級（chip level）和處理器。今日在系統級的設計上，除了考量既有的應用軟體、韌體及作業系統外，也得考慮hypervisor和叢集管理；晶片級則需考慮多核心、嵌入式記憶體、加速器、電力/可調性hook、互連性、交換網路等等，如(圖三)所示。

《圖三　從微縮驅動轉向整合驅動的設計趨勢》

以IBM的Power處理器為例做說明，指出今日的Power 5已具備以下功能：

• ●微分割（micro-partitioning）；





• ●虛擬儲存、虛擬乙太網路；





• ●同步多工緒；





• ●動態韌體升級；





• ●強化的延展性；





• ●更高的傳輸效能；





• ●強化的儲存次系統；





• ●分散式交換器；

而下一代的Power 6不僅在效能上將可達到4～5GHz，並採用了創新的技術，如採緩衝式H時脈樹（buffered H clock tree）作法、傳送線分散（transmission line distribution）、高速資料快取，以及低功率／低延遲靜態電路等等。

Meyerson表示，摩爾定律讓產品更便宜，但要跨越障礙，只有靠創新技術才行得通。他所說的創新技術不僅是指材料、架構和製程，還包括從原子到軟體的全面性創新設計，也就是從材料、產品、電路、核心、晶片、系統架構、系統資產到系統軟體，都要同步做到最佳化才行。

在預見這種不連續性終將發生，IBM早在八年前即投入Strained Silicon的開發，從最基礎的材料特性中去掌握這項號稱下一代CMOS的技術。此外，Meyerson指出，未來在設計上的變數會不斷增加，為了降低設計上的風險，可製造性設計（Design for manufacturability；DFM）的工具也會愈來愈重要。

＠大標:結語

從上述的分析中可以看出，電子產業的晶片設計又處於一個新的轉折點。過去，在晶片中加入處理器核心已是屬於極高階的系統級產品了，但到了今日，一個核心已不夠看，下一代的SoC中將會是多核心的系統，而處理架構就如同具體而微的叢集電腦一般，軟體的地位也會愈形重要。

在摩爾定律面臨失效的情況下，業者仍得戮力尋求效能與功能上的突破之道。IBM提出的是從材料、架構、晶片到製程的「全面性創新」，不過，能全盤掌握的業者畢竟有限。因此，如Meyerson所說的：「創新很花錢，不過，影響技術進展的更大因素，在於合作。」要推動今日的產品發展，除了成本，更重要的如何將有用的IP能夠整合在一起。因此需要營造全球化的技術生態系統，與各領域的專精業者共同建立一套堅實的創新網路。