探究系統(tǒng)芯片微電子學的發(fā)展
發(fā)布時間：2014-07-30 09:17
系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設計思想是不同的，它是微電子設計領域的一場革命，它和集成電路的關系與當時集成電路與分立元器件的關系類似，它對微電子技術的推動作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術。
SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個（或少數幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，筆耕論文，它的設計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用SOC方法和0.35μm工藝設計系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0.18～0.25μm工藝制作的IC所實現的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設計的芯片相比，采用SOC設計方法完成同樣功能所需要的晶體管數目約可以降低l～2個數量級。
對于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個關鍵的支持技術。
�。�1）軟、硬件的協(xié)同設計技術。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（Functional Partition Theory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計算機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數據壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。
（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種，即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關，并經過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和Flash Memory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎，在速度與功耗上經過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值。
�。�3）模塊界面間的綜合分析技術，這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術（glue logic technologies）和IP模塊綜合分析及其實現技術等。
微電子技術從IC向SOC轉變不僅是一種概念上的突破，同時也是信息技術新發(fā)展的里程碑。通過以上三個支持技術的創(chuàng)新，它必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術上的革命。目前，SOC技術已經嶄露頭角，21世紀將是SOC技術真正快速發(fā)展的時期。
在新一代系統(tǒng)芯片領域，需要重點突破的創(chuàng)新點主要包括實現系統(tǒng)功能的算法和電路結構兩個方面。在微電子技術的發(fā)展歷史上，每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設計技術的發(fā)展起到了非常重要的作用，目前神經網絡、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結構可以帶動一系列的應用，但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領域，因此算法應是今后系統(tǒng)芯片領域研究的重點學科之一。在電路結構方面，在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結構已經不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結構，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結構。另外，為了實現膠聯(lián)邏輯（Glue Logic）新的邏輯陣列技術有望得到快速的發(fā)展，在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
微電子與其他學科的結合誕生新的技術增長點
微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其它學科相結合，便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統(tǒng)）技術和DNA生物芯片。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。
微電子機械系統(tǒng)不僅是微電子技術的拓寬和延伸，它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點，因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等�，F在已經成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主，但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術的進步，加快了計算機更新?lián)Q代的速度，對CPU和RAM的需求越來越大，反過來又促進了集成電路的發(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命�，F階段的微機電系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應用范圍非常有限，還沒有出現類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產品。隨著微機電系統(tǒng)的進步，最后將有可能形成像微電子技術一樣有廣泛應用前景的新產業(yè)，從而對人們的社會生產和生活方式產生重大影響。
本文編號：6434
SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個（或少數幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，筆耕論文，它的設計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用SOC方法和0.35μm工藝設計系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0.18～0.25μm工藝制作的IC所實現的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設計的芯片相比，采用SOC設計方法完成同樣功能所需要的晶體管數目約可以降低l～2個數量級。
對于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個關鍵的支持技術。
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（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種，即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關，并經過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和Flash Memory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎，在速度與功耗上經過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值。
�。�3）模塊界面間的綜合分析技術，這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術（glue logic technologies）和IP模塊綜合分析及其實現技術等。
微電子技術從IC向SOC轉變不僅是一種概念上的突破，同時也是信息技術新發(fā)展的里程碑。通過以上三個支持技術的創(chuàng)新，它必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術上的革命。目前，SOC技術已經嶄露頭角，21世紀將是SOC技術真正快速發(fā)展的時期。
在新一代系統(tǒng)芯片領域，需要重點突破的創(chuàng)新點主要包括實現系統(tǒng)功能的算法和電路結構兩個方面。在微電子技術的發(fā)展歷史上，每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設計技術的發(fā)展起到了非常重要的作用，目前神經網絡、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結構可以帶動一系列的應用，但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領域，因此算法應是今后系統(tǒng)芯片領域研究的重點學科之一。在電路結構方面，在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結構已經不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結構，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結構。另外，為了實現膠聯(lián)邏輯（Glue Logic）新的邏輯陣列技術有望得到快速的發(fā)展，在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
微電子與其他學科的結合誕生新的技術增長點
微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其它學科相結合，便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統(tǒng)）技術和DNA生物芯片。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。
微電子機械系統(tǒng)不僅是微電子技術的拓寬和延伸，它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點，因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等�，F在已經成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主，但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術的進步，加快了計算機更新?lián)Q代的速度，對CPU和RAM的需求越來越大，反過來又促進了集成電路的發(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命�，F階段的微機電系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應用范圍非常有限，還沒有出現類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產品。隨著微機電系統(tǒng)的進步，最后將有可能形成像微電子技術一樣有廣泛應用前景的新產業(yè)，從而對人們的社會生產和生活方式產生重大影響。
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