SoC演进：从早期的手机到边缘智能

作者：Asem Elshimi

SoC 在单个芯片上集成了多种电子功能，而不是单功能芯片（如电源管理芯片）。高质量的 SoC 由在微型硅片上运行的硬件和软件功能的内聚集成组成。

其他半导体产品可以根据它们挤到一个芯片上的晶体管数量来鉴定;但是，此限定并不能准确反映 SoC 上集成的功能的质量和复杂性。事实上，在具有较小晶体管数量的SoC上构建相同数量的功能实际上是精湛集成的标志。

索氏未知的历史

这可能会让业内的一些人感到惊讶，但一些SoC实际上早于SoC类别的正式引入。计算机历史博物馆声称第一个真正的SoC出现在1974年的Micrama手表中。但是，快速浏览一下《电子艺术》（1989）就会发现，这些图表看起来很像SoC，具有步进电机控制、模数转换器、串行I/O、集成ROM、定时器和事件控制器。这些早期的SoC有另一个名称，表明它们的功能而不是结构：应用特定标准产品（ASSP）。

在其大部分历史中，SoC已经发展到公众视野之外。由于它们是由竞争激烈的科技公司开发的，因此它们的大多数早期概念都笼罩在知识产权法的保密和保护中。然而，有明显的技术经济进步，使SoC不仅成为可能，而且是必要的。

在20世纪90年代后期，手机革命激励了在单个芯片上集成多种功能。还记得手机曾经有多笨重吗？旧手机包含至少十几个执行各种功能的芯片：处理网络配置，用户界面和所有高级功能的CPU;与中央处理器关联的内存和闪存;基带数字信号处理器，运行物理信道和语音编码的数学密集型计算;以及管理射频 （RF） 收发器的混合信号 IC。为了继续推进手机的功能并使其对消费者更具吸引力，制造商寻求进一步的集成和小型化。

半导体IP的兴起开启了这种整合的可能性。IP核和IP模块是硅设计（而不是物理芯片），可以作为更大系统的构建模块集成到其他芯片设计中。IP 块可以是内存、I/O 或处理器内核。半导体公司开始在其芯片设计中添加处理器内核和存储单元。当半导体IP公司将多个模块的设计作为黑匣子出售时，多个模块的集成成为可能，因此，SoC时代迎来了。

今天的SoC可以比早期的计算机做得更多

SoC将手机上的芯片数量减少了至少10倍。在单个芯片上集成分立元件可显著提高效率，从而缩短 SoC 设计人员的互连时间并实现系统级优化，从而显著降低功耗。结果，手机变得越来越小，而性能却在激增，电池续航时间更长。

在过去的二十年中，随着进一步集成和精心优化的出现，手机发展成为智能手机。几代人的SoC设计和优化为技术改进提供了载体，这些技术改进始于早期的手机时代，并引领我们走到了今天的位置。

崛起为物联网的基石

SoC发展的另一个重要催化剂是物联网的出现。使用微型、高能效芯片将所有东西连接到网络的可能性意味着我们需要将越来越多的功能集成到单个芯片上。对构建更快、可互操作的物联网网络的兴趣导致了无线SoC的兴起，它集成了RF收发器、通用微控制器单元（MCU）、众多高性能外设（放大器、ADC、DAC）和非易失性存储器，以处理应用处理和网络协议栈，同时为无线网络提供RF链路。

无线 SoC 由硬件功能单元组成，包括运行软件代码的微处理器和通信子系统，用于连接、控制、引导和连接这些功能模块。SoC由许多执行单元组成，这些执行单元必须经常来回发送数据和指令，这意味着除了最琐碎的SoC之外，所有SoC都需要通信子系统。最初，与其他微型计算机技术一样，使用数据总线架构，但现在许多设计都使用更稀疏的互连网络。

现代无线 SoC 的一个例子是硅实验室 EFR32 系列 2 多协议。人们可以欣赏大量的集成子系统。

物联网终端节点产品需要最佳的功耗和小型化。如果物联网的目标是将电子设备连接到所有东西上，那么电子设备需要很小，并在小型电池上尽可能长时间地保持通电状态。这是通过牺牲 SoC 的处理能力来实现的。

与可以在相对扩展的内存存储上集成通用互操作操作系统的个人计算机和智能手机不同，SoC为了小型化和降低功耗而牺牲其处理能力和内存大小。幸运的是，由于无线物联网SoC的特殊性，他们的软件可以针对每个特定的用例进行优化。虽然这可以实现更小、更高效的设备，但它增加了 SoC 软件的复杂性。位于较大系统中的 SoC 可能需要接口软件才能在更大的系统中正常运行。对于作为物联网终端节点运行的独立 SoC，软件堆栈要求变得非常复杂。公平地说，无线SoC由两个主要相互依赖的子系统组成：软件和芯片。

无线 SoC 中另一个非常重要的子系统是安全性。虽然安全性与硬件和软件纠缠在一起，但值得将其视为自己的子系统，因为SoC的安全性仅与其最薄弱的环节一样强大。物联网设备可能会遇到各种级别的威胁，因此需要每个级别的安全性，包括固件、网络和用户身份验证级别。

走向边缘和超越

到2025年，全球联网设备的净资产预计将增长到519亿。物联网最受期待的发展之一是在边缘设备中注入人工智能和机器学习。边缘智能是指收集和分析数据的过程，并在边缘网络上捕获数据的位置附近提供见解。这些过程使物联网网络能够在本地做出决策，而不是将数据发送到云并接收决策。边缘智能在节能方面带来了回报，因为无线 SoC 中最耗电的操作之一是射频传输。除了节省电力外，在边缘网络上部署机器学习还将消除将物联网设备生成的大量数据传输到云的需要，这可能非常耗时，成本高昂，并导致数据隐私问题。

随着人工智能和机器学习进一步集成到边缘设备中，SoC将继续在物联网的发展中发挥关键作用。我们可以期待看到新技术通过更好、更高效的半导体制造和设计技术，将SoC带入未来几代更高的计算能力。