SoC（System on Chip），即“片上系統”或“片上系統”，是指在單個芯片上集成微電子應用產品所需的所有功能的系統。SoC主要是集成處理機制、模型算法、軟件、芯片結構、各級電路和器件設計的單個芯片，通常是定制的。它主要分為硬件和軟件兩部分。它采用超深亞微米工藝技術和由第三方IP核實現的超大規模集成電路，并由操作系統和應用程序控制。SoC避免了芯片之間信號傳輸的延遲和電路板的信號串擾，在功耗、尺寸和成本方面都有了很大的進步。一般來說，與傳統電路系統相比，SoC具有高性能、小尺寸、低功耗和較短的研究周期等優點。

SoC的出現不僅大大降低了制造成本，使先進電子產品的價格為普通消費者所接受，而且廣泛應用于通信、醫療、交通、工業控制、自動化、網絡和消費電子等眾多領域，成為21世紀集成電路技術的主流和具有國家戰略意義的實用技術。

SoC（System on Chip），即片上系統，是指高度集成的集成電路，將多個功能模塊集成到一個芯片上。與傳統的集成電路設計不同，SoC技術不再是對工藝流程的無休止追求，而是基于對系統的深入理解。其應用的基礎和核心是IP，結構基礎是嵌入式。IP核，即知識產權模塊，是指用于ASIC或FPG的預先設計的電路功能模塊。過去，與應用電子設計相關的技術人員工作的主要內容是集成電路，而SoC將IP庫呈現給技術人員，每個設計環節都基于IP模塊，這使技術人員的角色從早期的系統設計人員轉變為器件設計人員。SOC大多是定制的，不同復雜度的SOC應用于不同領域以滿足特定功能。

誕生

第一款真正的SoC產品誕生于1974年的Microma watch。此外，在1989年出版的TheArtofElectronics中，一些原理圖與SoC非常相似，包括步進電機控制、模數轉換器、串行I/O、集成ROM、定時器和事件控制器。早期的芯片設計非常困難，大多數半導體公司都是集設計、制造和封裝測試于一體的IDM制造商。隨著行業的發展，芯片設計和制造的成本和難度急劇上升。隨著計算機技術的不斷發展，SoC電子設計經歷了三個階段:

20世紀70年代，計算機輔助設計通過使用系統的復制功能提高了布局設計的效率。

計算機輔助工程出現于20世紀80年代，以門陣列和標準單元布局為主要內容。在臺積電的帶領下，半導體行業正朝著“無晶圓廠（設計）+晶圓代工（制造）+OSAT（封測）”的方向發展。

1990年，IP龍頭Arm誕生后，開創了IP核心授權模式。芯片的架構由Arm設計，ip核授權給Fabless供應商。由于超大規模集成電路（VLSI）的逐步發展，集成電路（IC）正逐漸向集成系統（IS）轉變，集成電路的設計者傾向于將復雜的功能集成到單個硅片上，因此形成了SoC的概念。1994年摩托羅拉發布的FlexCore系統和1995年LSILogic為索尼設計的SoC可能是基于IP核的SoC設計的最早報道。。

1999年，全球SoC市場年銷售額達到3.45億。

20世紀90年代，電子設計自動化出現，提高了從原理圖輸入到行為描述的設計水平，進一步縮短了設計周期并提高了設計效率，手機小型化需求的不斷增加促進了SoC的出現。IP的興起為SoC的集成提供了可能。

發展

2000年6月，由加拿大政府和工業界資助的非營利組織加拿大微電子公司在加拿大大學建立了SoC研究基地，并在40多所大學的支持下建立了SoC研究網絡。

2000年12月，中國在“十五”國家“863計劃”中啟動了超大規模集成電路系統芯片專項，并發布了該專項2000 ~2001年預啟動項目申請指南，其中包括關鍵電子信息產品核心芯片開發、超大規模集成電路ip核開發、系統芯片設計與制造關鍵技術研究、超大規模集成電路設計產業化環境建設等。，推動了中國SoC的發展。

2003年，搜狐報道稱，哈工大微電子中心成功研發出中國第一顆SoC芯片。SoC在工業中的應用日益頻繁，在加速工業轉型的基礎上，為信息技術提供了良好的“進入”條件。2021年，僅中國智能手機SoC市場就售出了3.14億片SoC。SoC技術也是近年來中國集成電路設計過程中使用的主要技術之一，包括機器的其他功能設計。

軟硬件協同設計技術：傳統的集成電路設計基本上屬于硬件設計的范疇，而SoC由于采用平臺化的設計方法，涉及算法、軟件和硬件三個方面。軟硬件協同設計的理論體系包括系統任務描述、軟硬件劃分、軟硬件協同設計、軟硬件協同驗證以及與系統設計相關的低壓低功耗設計、可測性設計等。

一般的軟硬件協同設計方法是在系統結構確定、軟硬件劃分后，通過行為模型、RTI（邏輯綜合）級硬件語言描述和數據通道綜合等手段完成硬件設計，通過手工匯編和編譯實現軟件。通過軟硬件協同仿真得到了系統的重要參數。

軟硬件協同設計大大降低了硬件設計的風險，縮短了嵌入式軟件的開發和調試時間。在協同驗證環境中，可以發現硬件和軟件中的關鍵問題，從而避免在最終的集成測試階段重新調整硬件和軟件。

IP核生成和復用技術：IP核有三種類型:軟核，主要是功能描述；實心，主要用于結構設計；硬核，基于工藝的物理設計，與工藝相關。其中，硬核的使用價值最高。

IP重用，即從IP供應商處購買現有的IP核，并對其進行排列、連接、檢查和驗證。IP復用是快速設計技術先進、功能強大的產品的關鍵，其使用幾乎涵蓋了集成電路設計的所有經典主題，如測試、驗證、仿真和低功耗。IP核可重用性的研究重點是開發適應各種總線接口的規范和可測試性的集成，以盡可能少的外包和測試向量達到重用的目的。。

IP核的生成可以基于國際上廣泛使用的總線結構或自研的片上總線。IP核模塊的選擇需要評估IP核的質量、集成的便利性、可重用性以及IP核提供商提供的技術支持。

超深亞微米集成電路設計技術：在超深亞微米IC設計技術的研究中，IC設計人員不得不克服特征尺寸縮小帶來的信號延遲、工作頻率提高帶來的信號完整性、傳統連接延遲等諸多問題，不斷推出超深亞微米SoC設計工具的新技術和新工藝。

SoC設計采用“自頂向下”和分層設計方法。從系統設計入手，在頂層進行系統的功能劃分和結構設計。設計師需要同時考慮高層的功能問題、結構問題和低層的布局和布線問題。如果發現問題，可以進行局部修改。由于物理綜合過程與前端邏輯綜合緊密相連，邏輯綜合是在版圖和布線的基礎上進行的，因此設計迭代較少。

設計原理：SoC所遵循的設計思想的核心是集成整個系統固件，以便用戶可以根據自己的需要添加、刪除或調整嵌入式結構和模塊，然后可以實現系統硬件設計。它不僅可以優化固件特性，還可以節省開發定制電路所需的時間并降低設計難度。

SoC系統級芯片

設計法：SoC芯片的設計分為硬件和軟件兩部分。SoC的設計是一種自頂向下和自底向上相結合的設計方法，同時考慮物理設計和性能，并通過軟硬件協同開發相互交織和迭代。由于SoC的設計過程一直在變化和迭代，本文介紹了一種軟硬件協同的SoC設計方法:

需求分析和產品定義:確定系統的功能需求和性能需求，提取設計約束，進而得到系統的功能組成。

SoC軟硬件協同合成:根據需求分析階段確定的系統功能組成，綜合評估和權衡各項性能指標的約束條件，從IP核和軟件構件庫中提取相應的IP核和軟件構件，找出系統的最優軟硬件劃分，進而得到SoC設計的目標結構。

SoC的軟硬件協同驗證:根據SoC軟硬件協同綜合階段得到的SoC設計結構，按照IP核、軟件組件和用戶自定義邏輯模塊的組成建立評估模型，驗證設計結構的邏輯功能和性能指標是否滿足用戶要求。如果有，將進入系統開發階段，否則將回到SoC的軟硬件協同綜合階段。

系統開發與實現:從IP核和軟件構件庫中提取使用過的核，實現IP核、軟件構件和自定義邏輯模塊的連接和集成，得到待測片上系統SoC。

SoC測試:對開發的SoC進行測試，并采用有效的測試調度策略，進一步降低測試所需的時間成本。

SoC測試:對開發的SoC進行測試，并采用有效的測試調度策略，進一步降低測試所需的時間成本。

優勢

自SoC出現以來，盡管其設計變得越來越復雜，但設計驗證也變得越來越復雜，僅這一環節就消耗了總設計時間的70%。然而，除了對設計驗證的高要求之外，總體而言，SoC的優勢更加顯著。

增加的功能:SoC是一個高度集成的硬件平臺，功能復雜，速度快，功耗低，由許多軟件支持，其最大的優勢是功能多樣。

體積縮小:SoC正在向智能化、自動化和小型化方向發展。

節省時間:SoC系統更新更快，節省了大量時間。同時，其軟硬件雙管齊下的模式提高了工作效率，縮短了電子產品的上市時間。

降低成本:與傳統的集成電路制造工藝相比，系統芯片在制造過程中采用了復用設計理念，在設計中采用了靜態時序驗證方法，節省了設計和生產成本。

靈活性強:在SoC的設計中，您可以從豐富的IP核心資源中進行選擇，并且整個系統可以更快地更新，這也縮短了供需之間的差距，并對不同的設計應用具有更強的適應性。

劣勢

系統規模大:SoC一般由幾百萬到幾億個組件組成，電路結構包括CPU、RFmodule、DSP、DAC等模塊。其更復雜的電路使得驗證和仿真更加困難。

工藝要求高:由于集成電路的發展、芯片面積的縮小和超深亞微米技術的使用，電路之間的距離越來越近，增加了信號的耦合效應。同時，由于時序的復雜性，電路的仿真和測試更加困難。

芯片功能復雜:芯片系統中集成了很多模塊，要實現的功能非常復雜，并且需要區分硬件和軟件，因此在設計時需要考慮更多的問題。

處理器芯片應用廣泛，SoC的應用主要集中在兩大領域:消費電子和智能IOT。包括消費電子產品，如手機、平板電腦、掃地機器人、無人機，以及各種類型的工業應用，如安全、商業顯示和工業。SoC需求的增長有兩個維度，一是出貨量的增長，二是性能的不斷升級。

智能手機全球出貨量近14億臺，是目前SoC最大的市場，也是技術更新迭代最快的賽道。隨著消費水平的提高，汽車逐漸成為生活中的“第三空間”，成為SoC的新發展點，SoC一般應用于高級駕駛輔助系統和自動駕駛。到2022年，高通是第一個進入該市場的公司，并且是該行業的主要供應商。瑞芯微、陳靜和全志等國內制造商正積極切入這一市場。機頂盒和智能電視合計全球對SoC處理器芯片的需求接近6億顆。此外，智能手表、VR、AR、ALOT等生態系統的發展也逐漸增加了對SoC的需求。

高端SOC集中在手機、平板電腦、服務器市場等。，而且大部分都是一個超大核加多個中核和小核的設計。次高端SOC多用于安防、智能音頻、物聯網等領域，對算力的要求略低于智能手機，而專用SOC則用于TWS耳機、智能手表等領域，針對特定場景開發，更接近MCU領域的應用。