芯片SOC技术发展现状及其在安防集成中的应用

从1959年美国TI公司发明第一块集成电路（IC）以后，集成电路工艺技术即向着两个方向发展：

（1）沿硅片横向和垂直硅片纵向加工精度的提高方向，使得器件特征尺寸从亚微米、深亚微米、超深亚微米（VDSM）到纳米(nm)，并能形成各种结构；

（2）沿匀场范围的扩大方向，使得芯片面积由100mm2增加到200mm2甚至300mm2及以上。每个管子在缩小，芯片面积在扩大，两者的乘积使得IC集成度的CAGR（Commutation Average Growth Rate）每年达到58％。这就是摩尔(Moore)定律指出的三年翻四番。

微电子的加工技术已达到这样的程度：能在硅片上制作出电子系统需要的所有部件，包括各种有源和无源的元器件、互连线，甚至机械部件。因此，已具有了由集成电路(IC)向系统集成（IS）发展的条件。
    在工艺能力提高的同时，IC的设计能力也在不断提高，由于新的ICCAD工具不断出现，使得IC设计能力大约每10年出现一次阶跃式的提高，有效地缩小了和工艺能力的差距。

第一代ICCAD，把IC中的重复结构建立版图库。利用系统的复制功能，提高了版图设计效率；80年代出现的以门阵列、标准单元布局布线为主要内容的第二代ICCAD系统，及90年代出现的综合（synthesis）系统，把设计水平从原理图输入提高到行为描述，进一步缩短了设计周期，提高了设计效率。特别是标准单元库包括IP核的发展，从基本单元电路，到功能模块、子系统、系统，充分利用已有的设计积累，实现设计重用，提高了设计的起点。
    同时，IC产业技术发展经历了电路集成、功能集成、技术集成，直到今天基于计算机软硬件的知识集成。特别是MCU的出现和普及，使传统电子系统全方面进入了现代电子系统。电子系统追求的目标之一就是最大限度地简化电路设计，达到整体产品系统的可靠性、精度、稳定等品质指标。而SOC技术将电路系统设计的可靠性、低功耗等都考虑在IC设计之中，把过去许多需要系统设计解决的问题集中在IC设计中解决，使系统工程师能将精力集中在研究对象领域中的诸问题。SOC理所当然成为微电子领域IC设计的最终目标和现代电子系统的最佳选择。因此，无论从IC工艺条件还是设计能力及产业需求来说，都已将SOC推到了技术发展的前沿。

SOC的设计技术始于20世纪90年代中期，随着半导体工艺技术的发展，IC设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上, SOC正是在集成电路(IC)向集成系统(IS)转变的大方向下产生的。所谓的SOC主要有三个含义：

(1) SOC是 System-on-a-Chip的缩写，称为系统级芯片，也称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容；

(2) SOC也是Service-Oriented Computing的缩写，即“面向服务的计算”；

(3) SOC也是Signal Operation Control的缩写，也称为信号操作控制器。它不是创造概念的发明，而是针对工业自动化现状提出的一种融合性产品。它采用的技术是正在工业现场大量使用的成熟技术，但又不是对现有技术的简单堆砌，是对众多实用技术进行封装、接口、集成，形成全新的一体化的控制器。以前需要一个集成商来做的工作，现在由一个控制器就可以完成，这就是SOC。

显然，用英文缩写的SOC的定义多种多样，由于其内涵丰富、应用范围广，很难给出准确定义。但SOC 多用上面的第1种定义，即为系统级芯片或片上系统。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

所谓SOC技术，就是一种高度集成化、固件化的系统集成技术。使用SOC技术设计系统的核心思想，就是要把整个应用电子系统全部集成在一个芯片中。在使用SOC技术设计应用系统，除了那些无法集成的外部电路或机械部分以外，其他所有的系统电路全部集成在一起。

从狭义角度讲，SOC是信息系统核心的芯片集成，是将系统的关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SOC是一个微型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，SOC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SOC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上,它通常是客户定制的，或是面向特定用途的一种标准产品。 

　SOC定义的基本内容主要表现在两方面：

(1)它的构成。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU 内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、与外部进行通讯的接口模块、含有ADC /DAC 的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块；对于一个无线SOC还要有射频前端模块、用户定义逻辑(它可以由FPGA 或ASIC实现)以及微电子机械模块；更为重要的是，一个SOC 芯片内嵌有基本软件(RDOS或COS以及其他应用软件)模块或可载入的用户软件等。

(2)它的形成过程。系统级芯片形成或产生过程包含以下三个方面：

　①基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证； 

　②利用逻辑面积技术使使用和产能占有比例有效提高，即开发和研究IP核生成及复用技术，特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等； 

　③超深亚微米(UDSM)、纳米集成电路的设计理论和技术。 

　因此，SOC是将信息处理的算法、逻辑电路的结构、各个层次的电路以器件的方式集成在一块芯片上，从而具备整机的功能。这里包括： 

①算法功能的突破。增加模糊算法、神经元算法以及安全算法。 

②电路结构突破。因CMOS有很长的生命力，由于引入RF和Flash等又将有新的发展。 

具体地说，SOC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SOC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等；此外，还要做嵌入式软件移植、开发研究等。

下面再介绍芯片SOC技术的发展现状及其在安防集成中的应用。

2、芯片SOC技术的发展现状

集成电路(IC)的发展已有40多年的历史，它一直遵循着1965年摩尔提出的规律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2～3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，并促进其它工艺参数的提高。现按此规律，集成电路的基本单元CMOS器件已进入超深亚微米乃至纳米加工时代(即器件的栅长小于50nm)。由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术和面向应用的系统级芯片的发展。随着半导体产业进入纳米加工时代，在单一集成电路芯片上就可以实现一个复杂的电子系统，诸如手机芯片、数字电视芯片、DVD 芯片等等。 

世界集成电路大生产目前已经进入纳米时代，全球多条90nm/12英寸生产线用于规模化生产，基于65nm之间水平线宽的生产技术已经基本成形，Intel公司的CPU芯片已经采用45nm的生产工艺。在世界最高水平的单片集成电路芯片上，所容纳的元器件数量已经达到80多亿个。如2006年，单片系统集成芯片的最小特征尺寸0.09μm、芯片集成度达2亿以上个晶体管、芯片面积520mm2、7～8层金属连线、管脚数4000个、工作电压0.9～1.2V、工作频率2～2.5GHz，功率160W。到2010年，己提高到0.07μm的水平。而硅IC晶片直径尺寸，如2000年～2005年己从200mm转向300mm，2006～2010年又转向到400mm。单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况如表1所示。

表1、单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况

整个半导体工艺技术的发展随着晶体管栅长及光刻间距持续地缩小，使得芯片能够在面积越来越小的同时，获得较快的运行速度，同时也使得一个晶圆所能产出的芯片数目越来越多，大幅提高晶圆工艺的生产力。整个半导体工艺技术的发展仍是呈现持续加速的状态，特别是在DRAM、MPU等领域，而光刻等微细加工技术则呈现出稳定的发展。

在集成电路设计中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占集成电路设计的90%以上。正因为硅集成电路设计的重要性，各国都很重视。目前，产业链的上游仍被美国、日本和欧洲等国家和地区占据，设计、生产和装备等核心技术也由其掌握。

以集成电路为核心的电子信息产业目前超过了以汽车、石油和钢铁为代表的传统的工业而成为第1大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%，现代经济发展数据表明，每l～2元集成电路产值，带动10元左右电子工业产值的形成，进而带动100元GDP的增长。发达的国家国民经济总产值增长部分的65%目前与集成电路相关。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版权的集成电路日益成为经济发展的关键、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟与应用领域的不断扩大，不同类型的集成电路相互镶嵌，形成了各种嵌入式系统(Embedded System)和片上系统(System on Chip即SOC)技术，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)过渡中，“硅知识产权(IP)模块”和“软、硬件协同设计”技术兴起，可以将一个电子子系统或整个电子系统“集成”在一个硅芯片上，以完成信息加工与处理的功能。如1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SOC，可能就是基于IP( Intellectual Property)核完成SOC设计的最早报导。由于SOC可以充分利用已有的设计积累，显著地提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅速，引起了工业界和学术界的关注。 

SOC是集成电路发展的必然趋势，其技术特点是：半导体工艺技术的系统集成；软件系统和硬件系统的集成。 

SOC具有的优势是，能创造其产品价值与市场需求：降低耗电量；减少体积；增加系统功能；提高速度；节省成本。 

众所周知，“IC”(Integrated Circuit) 是集成电路的最早定义，它出现于上世纪70年代，如集成电路 74系列、4000系列诸逻辑器件等，它属于功能级芯片；后十年左右出现了“ASIC”(Application Specific Integrated Circuit)，即具有某种特定功能的集成电路、立体声解码、维特比纠错芯片等，属于专业级芯片；到90年代后出现了直接使用系统芯片开发产品，即呈爆炸性发展的“SOC”，属于系统级芯片：再后至本世纪初“SIP”(System In Package)、“MCP”(Multi Chip Package)已出现在越来越多的场合，即针对产品开发产品芯片，因而“SIP”属于产品级芯片，是SOC的一种延伸。

因此，“IC”--“ASIC”--“SOC”--“SIP”是现代电子系统设计的发展标志。

所谓SIP是指将系统所需不同SOC及其配置芯片的裸die绑定连接后再封装，需要具备SOC及SOC以外的系统设计能力。如图1所示。

图1、用不同SOC及其配置芯片5层绑定的SIP实物像片

如某集成电路暨系统集成公司，在研发完成64bit CPU SOC后，又斥巨资以SIP技术实现了单芯片系统集成，单芯片内除计算机各部功能外，内置数Gb的RAM、Flash、显示功能core；同时将Windows操作系统以及应用软件也实现了芯片内置。下一步的发展目标是将64bit CPU系统、GPRS(CDMA)系统、图像芯片整合为一颗芯片。

市场的需求决定着需要研发的SOC，考虑到我国巨大的移动通信和数字家电市场的核心芯片主要依赖于进口的状况，研发数字家电类SOC已为国内各大IC设计机构、公司所看好，纷纷投入人力、物力进行这两个方面SOC的研发工作。国内移动通信类SOC的研发主要集中在华为、中兴、大唐等通信公司；数字家电类SOC的研发主要集中在海尔、华大、华虹等设计公司。目前，海尔研发出的可产品化的HMD2002芯片集传统MPEG-2芯片组于一身，含有下列成分：MPU、OSD处理器、解扰器、解复用器、MPEG-2视频解码器、音频解码器(Musicam或Dolby Digital)和PAL/NTSC/SECAM数字编码器，主要完成DVB解扰、MPEG-2解复用、MPEG-2解压缩、音视频信号恢复和模拟音视频信号合成编码等信源解码工作。随着进一步研发，海尔数字电视SOC芯片将把信道解码部分也包含进去，真正成为数字电视的单芯片解决方案。

值得指出的是，集成电路技术的发展，并不意味着一代淘汰一代。实际上是多代并存，以成本最低，收益/投人比最大的原则各自占领相关应用领域。如目前已使用300mm硅片，但生产上仍使用150mm、200mm硅圆片，实际上150mm和200mm硅片的生产量几乎相等。100mm硅片的产量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0.5μm的在200mm硅片生产中仍占有21％的比例。

未来十几年，是我国微电子发展的关键时期。要充分利用我国经济调整发展和巨大市场的优势，精心规划，重点扶持，力争通过10年或略长一些时间的努力，充分掌握集成电路设计、生产的关键技术，提高国内外市场占有率和国内市场的自给率，以满足国民经济和国防工业对集成电路的需求。并且，形成良性循环的科研、生产体系，把我国微电子产业推进到一个崭新的阶段。

实际上，集成系统级芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术：

(1)软、硬件的协同设计技术：面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论，硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大的趋势；

(2)IP模块库技术：IP模块有三种，即软核(主要是功能描述)、固核(主要为结构设计)和硬核(基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺和实际应用考验过的)。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和Flash Memory以及A/D、D/A等都可以成为硬核，其中尤以基于超深亚微米的器件模型和电路模拟基础上在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值；

(3)模块界面间的综合分析技术：这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。

通过以上三个支持技术的创新，必将导致又一次以系统级芯片为特色的信息技术上的革命。目前SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。

3、SOC技术在安防集成中的应用

随着安防视频监控技术由数字化向网络化、高清化、智能化的发展，对安防视频监控系统设备的融合集成要求越来越高。随着微电子技术以及SOC芯片处理技术的不断发展，从而可融合集成一个“单片系统”，进一步提高了产品集成度，降低了成本，为大规模网络安防视频监控系统提供了一个更好的硬件平台。这个SOC芯片，即是具有多处理器核心的单片集成系统，其中集成有CPU主处理器，所集成的核心既可以是ASIC类的硬核，也可以是DSP或协处理器类的软核，甚至也包含其它的专用处理子系统，且集成有丰富的外设。由于SOC是面向特性应用的片上系统，结合硬件加速等技术可以实现H.264的高复杂度的算法运算，并可针对视频编码方面进行优化，以实现最优化效果。

SOC芯片从2006年开始就在视频监控设备中得到应用，它经历了CPU+DSP到CPU+ASIC的发展过程。CPU+ASIC在近几年给DSP市场带来了冲击，它把视频编解码算法固化在芯片内，集成丰富的外围接口，并通过提供完善的开发工具，极大地降低了DVR、DVS、IPC等监控设备开发门槛。

利用SOC的主要价值是它可以用较短的时间将产品设计出来，从而缩短产品的上市周期，有效地降低系统产品的开发成本，缩短开发周期，提高产品的竞争力。目前欧美市场的DVR厂商多采用SOC芯片方案；我国台湾的DVR厂商也多采用SOC芯片方案，华南地区的DVR企业也大多采用SOC芯片方案，华东、华北地区的DVR企业开始采用DSP芯片方案多一些，但随着SOC芯片技术的日渐成熟，也逐渐采用SOC芯片方案。随着产品集成度的提升，单路视频压缩处理的成本开始大幅降低，从而推动了安防视频监控技术的产业化与规模化发展。

　目前，很多半导体方案提供商都在走向SOC，致力于提高集成度，引入先进工艺，降低系统成本，改善系统性能以增强市场竞争力。每一代新的SOC都能更为有效地优化和共享资源，增强各个子系统的协同工作能力，最小化成本、功耗，同时提高产品的可靠性。现在，所有芯片供应商都将致力于使下一代SOC能进行1080P H.264 HD编码。

SOC不是简单的一个芯片，而是一个解决方案。它的出现，降低了设备成本，助力产业升级，也加速了行业标准的形成。同时，它有效地节省了设备厂家的对基本功能的大量的重复开发工作，让设备厂家真正聚焦行业的需求应用。随着SOC芯片的发展，会推动安防监控产品规模化发展，加速安防产品的普及度。DVR产品未来将会向多元化发展，以适应不同行业应用需求的发展，一方面通过集成度的不断提高降低成本，开发出更加普及化的产品；另一方面针对专业行业推出具有个性化的产品，适应不同专业市场的需求。

嵌入式DVR是在DVR应用成熟之后出现的新型产品形态，目前成为了市场上的主流产品。单芯片SOC方案具有集成度高、成本低和可靠性高的特点，非常适合安防行业的应用。下面列举几款在DVR、DVS与IPC中采用较为普遍的SOC。
　　（1）升迈科技推出的GM8180是高度集成的编解码系统单芯片，支持H.264、MPEG-4以及JPEG编解码，CPU核心频率可达333/500 MHz，这给执行各种音频压缩编解码提供了动力。GM8180集成各种存储方式接口，还有图形输出接口。它支持高清影像传输接口，集成H.264硬件解码，在分辨率1280×720和1280×960下，H.264压缩效能可以达到30和22.5帧。还有双芯片主/从架构，同时具备双重PCI主/从模式的设计，也大幅减少多通道DVR应用的系统复杂度，单芯片能够实现H.264 D1 75fps的编解码，非常适用于4路、8路H.264 DVR。升迈科技于2008年底推出了针对4/8/16ch DVR的 GM8185(高效4D1 Encode+2D1 Decode)整合单芯片。

（2）海思开始推出的SOC芯片是Hi3510、接着推出了Hi3511 与Hi3512。如Hi3511是全球首款带有MUX功能的H.264 SOC芯片，单芯8路性能，是目前性价比最优的CIF DVR解决方案。Hi3511集成性能高达250 FPS（352×288分辨率）的H.264/MJPEG双码流硬件编解码器和主频288MHz的ARM926处理器，支持4路BT656视频输入，16路音频输入和PCI接口，提供灵活的从1路到32路系列化嵌入式DVR和PC Based DVR产品组合设计方案，有效地降低了客户开发与存储成本。
　　海思提供的自主知识产权的PC端H.264解码库，性能高达600 FPS，解码效率达到业界一流水平，可满足平台化、多通道管理的客户需求。而Hi3512，是市面上性价比最高的4路DVR解决方案，不仅把性能提高到实时同编同解、网传等多工能力，还把BOM成本做到MPEG4的水平，是目前4路DVR的最佳选择。Hi3511 与Hi3512同样也是比较好的DVS与IPC产品的SOC芯片，欲了解该芯片在DVR、DVS与IPC中实现方案的详情，可参阅本人在2010年10月《CPS安防集成商》上发表的“当前市场海思主流芯片在安防监控中的应用方案”一文。

目前，海思的第3代Hi3520芯片更加适用于现代高清的发展，它是基于ARM11处理器内核，其处理频率达600MHz，双DDR架构能提供更大的数据处理带宽和能力，能提供最佳的多路编解码DVR方案，最高分辩率1920×1080p@30Hz，接口丰富，能够带来更加清晰的画质和视频体验。显然，它将会在市场获得更为广泛的应用。

（3）TI针对数字多媒体的SOC芯片TMS320DM642通过与杭州海康威视的合作，成功推出了H.264的数字视频硬压卡；TMS320DM6446基于CPU+DSP的SOC芯片成为DVR设计的高性价比平台；支持1080p高清编解码的SOC芯片TMS320DM6467达芬奇处理器是一种基于DSP的片上系统(SOC)，特别适合实时多格式高清(HD)视频转码，并配套提供完整的开发工具与数字媒体软件。该系统解决方案集成了ARM926EJ-S内核与600MHz C64x+ DSP内核，并采用高清视频协处理器、转换引擎与目标视频端口接口，在执行高达H.264 HP@ L4(1080p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清编码、解码与转码方面，比前代处理器性能提高了十倍。显然，它将会成为下一代安防产品的重要开发平台。其他芯片如DM644x、DM643x、DM646x、DM648、DM3xx等也都适合数字视频服务器和录像机等产品的应用。

（4）恩智浦NXP目前有PNX1700、PNX1005用作DVR、DVS、NVR、混合DVR、IPC（IP摄像机）的主机处理器或协处理器。自2007年到现在，PNX1700被广泛用作DVR/DVS/NVR等的SOC或协处理器。PNX1700系列芯片适合于8×CIF MPEG4编码，也能提供高质量的MPEG4视频解码和音频解码。它是基于DSP（采用TM5250内核）的媒体处理器，支持视频压缩、视频分析、视频改善等，提供灵活的外设硬件模块。新芯片PNX1005（采用TM3282 DSP内核）将支持8×CIF H.264压缩或H.264 720P压缩。NXP将会把更多功能纳入考虑，例如：更多的视频输入、PCIe、SATA、千兆位以太网、多重编码能力、图像/视频预处理等。

TI和NXP作为传统DSP芯片厂商，随着监控设备商向标准的H.264压缩技术的逐渐靠拢，在陆续推出了ASIC+CPU或DSP+CPU架构的SOC芯片方案后，已经将目标投向纯SOC芯片的研发，为DVR、NVS、Ip Camera量身定制SOC方案。升迈和海思一直致力于SOC芯片的研发和推广，为SOC芯片引入视频监控领域已做出了很大贡献，并已经取得了很大的成绩。

SOC芯片的发展趋势将表现在主控CPU的升级换代、视频协处理器的能力增强、DSP资源完全同于增值应用且同时支持定点和浮点运算，还有更多的高性能外设接口被集成到单片中来，如DVI、SATA、PCIe等等。

下一代安防专用SOC芯片的发展已经非常明晰：SOC芯片要设计具有D1/CIF双码流设计能力；能低成本组成1～16路D1 DVR；具有高清输出系统（包括接口和输出能力）；具有固化标准H.264压缩算法以降低压缩成本；具有高清解码能力；具有高性能CPU等。  从SOC芯片的发展趋势看来，“围绕着用户的体验用最优性价比的方式实现”是SOC芯片的重要发展轨迹。

4、结束语

由上看出，系统级芯片SOC已经成为IC业界的焦点,其要求的性能越来越强，规模越来越大。SOC技术在安防集成的应用中将越来越广，尤其安防视频监控系统的网络化、高清化、智能化更是离不开它。显然，它的发展也将推动安防视频监控技术的发展。

需要指出的是，在SOC设计中，仿真与验证是SOC设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的50%～80%，因而采用先进的设计与仿真验证方法将成为SOC设计成功的关键。SOC技术的发展趋势是基于SOC开发平台,基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法，分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，还要向成品率、可靠性、EMC、成本、易用性等转移，使系统级集成能力快速地发展。