过去三十年来,实现真正的片上系统(SoC)的理念一直是半导体业界孜孜以求的神圣目标。我们已经取得了巨大成就,但依然任重而道远。用数字电路实现模拟与RF是真正的挑战,因为它要求不同的IC工艺。模拟、数字与RF集成已成为现实,蓝牙芯片就是很好的例证。但与SoC的最终目标相比,这只是模拟与RF电路相对不太复杂的定制设计而已。
考虑到芯片集成仍难以实现,定义另一概念是相当有用的:分立式SoC,这是系统实现最终集成的中间步骤。这一概念有助于芯片工程师与设计人员实施过度型集成措施,为最终目标做好准备。
分立式SoC概念包含在个人视频录像器(PVR)的芯片组中,带有大块的高速数字电路、BiCMOS音频与视频编解码器以及电视调谐器,其使用的制造技术也相当特殊。PVR的发展是这种复杂系统集成不断进展的一个实例。
但是,分立式SoC提出的挑战非常之严峻,以致于我们关于集成优势的共识(更小、更快、更廉价)甚至可能随着业界接近最终集成目标而失效。
对于真正的SoC,单一器件不能保证实现最低的系统成本、最高的性能或最低的功耗。它很可能实现较小的尺寸。但为减小尺寸而牺牲成本与功耗的做法一般来说是没有意义的。
PVR系统集成
2000 年时,典型的PVR系统包括8个芯片(见图)。设计小组了解到集成是一个渐进的过程,而且板级解决方案会持续发展到2006年,这样他们就可根据四条基本规则开发新一代产品。当然,他们还会将每一代连续的集成变得更加简单而迅速。
* 在PC板的相同一般区域用相似的工艺技术放置组件。
* 将数字IC放置得尽可能靠近混合模式部件,以使迹线最短。
* 放置RF电路使之与高速电路相隔离。
* 电源应为独立模块,这样在新技术出现时,系统就能够利用这些新技术。
上图显示了数字处理单元如何快速合成为单一的CMOS芯片。由于制造技术不匹配,在2002年时,BiCMOS音频编解码器、视频编码器/解码器以及电视调谐器还未成为集成的对象。
过采样音频编解码器可放于CMOS中,但这种情况下则相反。将音频编解码器与CPU和MPEG相集成会降低音频质量,这是一个较困难的设计问题。
视频编码器与解码器采用BiCMOS技术,并可集成到单一芯片上,这在2004年才刚得以实现。尽管电视调谐器在2002年系列产品中就已使用BiCMOS技术,但当视频编码器/解码器可集成到单一的BiCMOS 芯片上时,它在2004年系列产品中转而采用SiGe。
到2006年,两种SoC都可能成为最先进的PVR。当音频编解码器加到CMOS电路中,且视频编码器/解码器与电视调谐器相结合时,就实现了上述情况。
未来尚不明朗
2006年之后的情况如何就不那么明确了。随着硅片技术不断发展,我们可以想象未来的电视将在一个SoC上集成PVR功能。
制造技术及其产生的硬件组件提出了巨大挑战,不过,还不是SoC要面临的最大难题。我们可认为电子系统有着五大构成部分:制造、硬件组件、操作系统、专用软件以及开发环境。
每个构成部分都对实现SoC提出了一些程度不同的难题。最大的难题就在于缺乏一个开发环境,能够在模拟、数字与RF方面对SoC进行模拟、仿真、测试以及定型(prototype)。
今天的数字芯片需要庞大的验证小组、复杂的软件,还需要昂贵的硬件作为仿真器,此外还需要长达数月的时间。添加模拟与RF将使问题更加严重,甚至无法控制。
作者:Gene Frantz(方进)
首席科学家
Thanh Tran 博士
资深实验室研究员
德州仪器公司
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