1、概述

    從1959年美國TI公司發明第一塊集成電路（IC）以后，集成電路工藝技術即向著兩個方向發展：

    （1）沿硅片橫向和垂直硅片縱向加工精度的提高方向，使得器件特征尺寸從亞微米、深亞微米、超深亞微米（VDSM）到納米(nm)，并能形成各種結構；

    （2）沿勻場范圍的擴大方向，使得芯片面積由100mm2增加到200mm2甚至300mm2及以上。每個管子在縮小，芯片面積在擴大，兩者的乘積使得IC集成度的CAGR（CommutationAverageGrowthRate）每年達到58％。這就是摩爾(Moore)定律指出的三年翻四番。

    微電子的加工技術已達到這樣的程度：能在硅片上制作出電子系統需要的所有部件，包括各種有源和無源的元器件、互連線，甚至機械部件。因此，已具有了由集成電路(IC)向系統集成（IS）發展的條件。

    在工藝能力提高的同時，IC的設計能力也在不斷提高，由于新的ICCAD工具不斷出現，使得IC設計能力大約每10年出現一次階躍式的提高，**地縮小了和工藝能力的差距。

    第一代ICCAD，把IC中的重復結構建立版圖庫。利用系統的復制功能，提高了版圖設計效率；80年代出現的以門陣列、標準單元布局布線為主要內容的第二代ICCAD系統，及90年代出現的綜合（synthesis）系統，把設計水平從原理圖輸入提高到行為描述，進一步縮短了設計周期，提高了設計效率。特別是標準單元庫包括IP核的發展，從基本單元電路，到功能模塊、子系統、系統，充分利用已有的設計積累，實現設計重用，提高了設計的起點。

    同時，IC產業技術發展經歷了電路集成、功能集成、技術集成，直到今天基于計算機軟硬件的知識集成。特別是MCU的出現和普及，使傳統電子系統全方面進入了現代電子系統。電子系統追求的目標之一就是*大限度地簡化電路設計，達到整體產品系統的可靠性、精度、穩定等品質指標。而SOC技術將電路系統設計的可靠性、低功耗等都考慮在IC設計之中，把過去許多需要系統設計解決的問題集中在IC設計中解決，使系統工程師能將精力集中在研究對象領域中的諸問題。SOC理所當然成為微電子領域IC設計的*終目標和現代電子系統的*佳選擇。因此，無論從IC工藝條件還是設計能力及產業需求來說，都已將SOC推到了技術發展的前沿。

    SOC的設計技術始于20世紀90年代中期，隨著半導體工藝技術的發展，IC設計者能夠將愈來愈復雜的功能集成到單硅片上,SOC正是在集成電路(IC)向集成系統(IS)轉變的大方向下產生的。所謂的SOC主要有三個含義：

    (1)SOC是System-on-a-Chip的縮寫，稱為系統級芯片，也稱片上系統，意指它是一個產品，是一個有專用目標的集成電路，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容；

    (2)SOC也是Service-OrientedComputing的縮寫，即“面向服務的計算”；

    (3)SOC也是SignalOperationControl的縮寫，也稱為信號操作控制器。它不是創造概念的發明，而是針對工業自動化現狀提出的一種融合性產品。它采用的技術是正在工業現場大量使用的成熟技術，但又不是對現有技術的簡單堆砌，是對眾多實用技術進行封裝、接口、集成，形成全新的一體化的控制器。以前需要一個集成商來做的工作，現在由一個控制器就可以完成，這就是SOC。

    顯然，用英文縮寫的SOC的定義多種多樣，由于其內涵豐富、應用范圍廣，很難給出**定義。但SOC多用上面的第1種定義，即為系統級芯片或片上系統。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設計的整個過程。

    所謂SOC技術，就是一種高度集成化、固件化的系統集成技術。使用SOC技術設計系統的核心思想，就是要把整個應用電子系統全部集成在一個芯片中。在使用SOC技術設計應用系統，除了那些無法集成的外部電路或機械部分以外，其他所有的系統電路全部集成在一起。

    從狹義角度講，SOC是信息系統核心的芯片集成，是將系統的關鍵部件集成在一塊芯片上；從廣義角度講，SOC是一個微型系統，如果說中央處理器(CPU)是大腦，SOC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統。國內外學術界一般傾向將SOC定義為將微處理器、模擬IP核、數字IP核和存儲器(或片外存儲控制接口)集成在單一芯片上,它通常是客戶定制的，或是面向特定用途的一種標準產品。

    SOC定義的基本內容主要表現在兩方面：

    (1)它的構成。系統級芯片的構成可以是系統級芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU內核模塊、數字信號處理器DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、與外部進行通訊的接口模塊、含有ADC/DAC的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊；對于一個無線SOC還要有射頻前端模塊、用戶定義邏輯(它可以由FPGA或ASIC實現)以及微電子機械模塊；更為重要的是，一個SOC芯片內嵌有基本軟件(RDOS或COS以及其他應用軟件)模塊或可載入的用戶軟件等。

    (2)它的形成過程。系統級芯片形成或產生過程包含以下三個方面：

    ①基于單片集成系統的軟硬件協同設計和驗證；

    ②利用邏輯面積技術使使用和產能占有比例**提高，即開發和研究IP核生成及復用技術，特別是大容量的存儲模塊嵌入的重復應用等；

    ③超深亞微米(UDSM)、納米集成電路的設計理論和技術。

    因此，SOC是將信息處理的算法、邏輯電路的結構、各個層次的電路以器件的方式集成在一塊芯片上，從而具備整機的功能。這里包括：

    ①算法功能的突破。增加模糊算法、神經元算法以及安全算法。

    ②電路結構突破。因CMOS有很長的生命力，由于引入RF和Flash等又將有新的發展。

    具體地說，SOC設計的關鍵技術主要包括總線架構技術、IP核可復用技術、軟硬件協同設計技術、SOC驗證技術、可測性設計技術、低功耗設計技術、超深亞微米電路實現技術等；此外，還要做嵌入式軟件移植、開發研究等。

    下面再介紹芯片SOC技術的發展現狀及其在安防集成中的應用。

    2、芯片SOC技術的發展現狀

    集成電路(IC)的發展已有40多年的歷史，它一直遵循著1965年摩爾提出的規律增長，即集成電路中晶體管的數目每18個月增加一倍。每2～3年制造技術更新一代，這是基于柵長不斷縮小的結果，器件柵長的縮小又基本上依照等比例縮小的原則，并促進其它工藝參數的提高。現按此規律，集成電路的基本單元CMOS器件已進入超深亞微米乃至納米加工時代(即器件的柵長小于50nm)。由于信息市場的需求和微電子自身的發展，引發了以微細加工（集成電路特征尺寸不斷縮小）為主要特征的多種工藝集成技術和面向應用的系統級芯片的發展。隨著半導體產業進入納米加工時代，在單一集成電路芯片上就可以實現一個復雜的電子系統，諸如手機芯片、數字電視芯片、DVD芯片等等。

    世界集成電路大生產目前已經進入納米時代，全球多條90nm/12英寸生產線用于規模化生產，基于65nm之間水平線寬的生產技術已經基本成形，Intel公司的CPU芯片已經采用45nm的生產工藝。在世界*高水平的單片集成電路芯片上，所容納的元器件數量已經達到80多億個。如2006年，單片系統集成芯片的*小特征尺寸0.09μm、芯片集成度達2億以上個晶體管、芯片面積520mm2、7～8層金屬連線、管腳數4000個、工作電壓0.9～1.2V、工作頻率2～2.5GHz，功率160W。到2010年，己提高到0.07μm的水平。而硅IC晶片直徑尺寸，如2000年～2005年己從200mm轉向300mm，2006～2010年又轉向到400mm。單片硅集成技術*小特征尺寸的發展狀況如表1所示。

表1、單片硅集成技術*小特征尺寸的發展狀況   

    整個半導體工藝技術的發展隨著晶體管柵長及光刻間距持續地縮小，使得芯片能夠在面積越來越小的同時，獲得較快的運行速度，同時也使得一個晶圓所能產出的芯片數目越來越多，大幅提高晶圓工藝的生產力。整個半導體工藝技術的發展仍是呈現持續加速的狀態，特別是在DRAM、MPU等領域，而光刻等微細加工技術則呈現出穩定的發展。

    在集成電路設計中，硅技術是主流技術，硅集成電路產品是主流產品，占集成電路設計的90%以上。正因為硅集成電路設計的重要性，各國都很重視。目前，產業鏈的上游仍被美國、日本和歐洲等**和地區占據，設計、生產和裝備等核心技術也由其掌握。

    以集成電路為核心的電子信息產業目前超過了以汽車、石油和鋼鐵為代表的傳統的工業而成為第1大產業，成為改造和拉動傳統產業邁向數字時代的強大引擎和雄厚基石。以集成電路為核心的電子信息產業的世界貿易總額約占世界GNP的3%，現代經濟發展數據表明，每l～2元集成電路產值，帶動10元左右電子工業產值的形成，進而帶動100元GDP的增長。發達的**國民經濟總產值增長部分的65%目前與集成電路相關。作為當今世界經濟競爭的焦點，擁有自主版權的集成電路日益成為經濟發展的關鍵、社會進步的基礎、國際競爭的籌碼和**安全的保障。

    隨著集成方法學和微細加工技術的持續成熟與應用領域的不斷擴大，不同類型的集成電路相互鑲嵌，形成了各種嵌入式系統(EmbeddedSystem)和片上系統(SystemonChip即SOC)技術，在實現從集成電路(IC)到系統集成(IS)過渡中，“硅知識產權(IP)模塊”和“軟、硬件協同設計”技術興起，可以將一個電子子系統或整個電子系統“集成”在一個硅芯片上，以完成信息加工與處理的功能。如1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SOC，可能就是基于IP(IntellectualProperty)核完成SOC設計的*早報導。由于SOC可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高了ASIC的設計能力，因此發展非常迅速，引起了工業界和學術界的關注。

    SOC是集成電路發展的必然趨勢，其技術特點是：半導體工藝技術的系統集成；軟件系統和硬件系統的集成。

    SOC具有的優勢是，能創造其產品價值與市場需求：降低耗電量；減少體積；增加系統功能；提高速度；節省成本。

    眾所周知，“IC”(IntegratedCircuit)是集成電路的*早定義，它出現于上世紀70年代，如集成電路74系列、4000系列諸邏輯器件等，它屬于功能級芯片；后十年左右出現了“ASIC”(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，即具有某種特定功能的集成電路、立體聲解碼、維特比糾錯芯片等，屬于專業級芯片；到90年代后出現了直接使用系統芯片開發產品，即呈爆炸性發展的“SOC”，屬于系統級芯片：再后至本世紀初“SIP”(SystemInPackage)、“MCP”(MultiChipPackage)已出現在越來越多的場合，即針對產品開發產品芯片，因而“SIP”屬于產品級芯片，是SOC的一種延伸。

    因此，“IC”--“ASIC”--“SOC”--“SIP”是現代電子系統設計的發展標志。

    所謂SIP是指將系統所需不同SOC及其配置芯片的裸die綁定連接后再封裝，需要具備SOC及SOC以外的系統設計能力。如圖1所示。

圖1、用不同SOC及其配置芯片5層綁定的SIP實物像片

    如某集成電路暨系統集成公司，在研發完成64bitCPUSOC后，又斥巨資以SIP技術實現了單芯片系統集成，單芯片內除計算機各部功能外，內置數Gb的RAM、Flash、顯示功能core；同時將Windows操作系統以及應用軟件也實現了芯片內置。下一步的發展目標是將64bitCPU系統、GPRS(CDMA)系統、圖像芯片整合為一顆芯片。

    市場的需求決定著需要研發的SOC，考慮到我國巨大的移動通信和數字家電市場的核心芯片主要依賴于進口的狀況，研發數字家電類SOC已為國內各大IC設計機構、公司所看好，紛紛投入人力、物力進行這兩個方面SOC的研發工作。國內移動通信類SOC的研發主要集中在華為、中興、大唐等通信公司；數字家電類SOC的研發主要集中在海爾、華大、華虹等設計公司。目前，海爾研發出的可產品化的HMD2002芯片集傳統MPEG-2芯片組于一身，含有下列成分：MPU、OSD處理器、解擾器、解復用器、MPEG-2視頻解碼器、音頻解碼器(Musicam或DolbyDigital)和PAL/NTSC/SECAM數字編碼器，主要完成DVB解擾、MPEG-2解復用、MPEG-2解壓縮、音視頻信號恢復和模擬音視頻信號合成編碼等信源解碼工作。隨著進一步研發，海爾數字電視SOC芯片將把信道解碼部分也包含進去，真正成為數字電視的單芯片解決方案。

    值得指出的是，集成電路技術的發展，并不意味著一代淘汰一代。實際上是多代并存，以成本*低，收益/投人比*大的原則各自占領相關應用領域。如目前已使用300mm硅片，但生產上仍使用150mm、200mm硅圓片，實際上150mm和200mm硅片的生產量幾乎相等。100mm硅片的產量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0.5μm的在200mm硅片生產中仍占有21％的比例。

    未來十幾年，是我國微電子發展的關鍵時期。要充分利用我國經濟調整發展和巨大市場的優勢，精心規劃，重點扶持，力爭通過10年或略長一些時間的努力，充分掌握集成電路設計、生產的關鍵技術，提高國內外市場占有率和國內市場的自給率，以滿足國民經濟和國防工業對集成電路的需求。并且，形成良性循環的科研、生產體系，把我國微電子產業推進到一個嶄新的階段。

    實際上，集成系統級芯片(SOC)，主要有三個關鍵的支持技術：

    (1)軟、硬件的協同設計技術：面向不同系統的軟件和硬件的功能劃分理論，硬件和軟件更加緊密結合不僅是SOC的重要特點，也是21世紀IT業發展的一大的趨勢；

    (2)IP模塊庫技術：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，并經過工藝和實際應用考驗過的)。其中以硬核使用價值*高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A/D、D/A等都可以成為硬核，其中尤以基于超深亞微米的器件模型和電路模擬基礎上在速度與功耗上經過優化并有*大工藝容差的模塊*有價值；

    (3)模塊界面間的綜合分析技術：這主要包括IP模塊間的膠聯邏輯技術和IP模塊綜合分析及其實現技術等。

    通過以上三個支持技術的創新，必將導致又一次以系統級芯片為特色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技術真正快速發展的時期。

    3、SOC技術在安防集成中的應用

    隨著安防視頻監控技術由數字化向網絡化、高清化、智能化的發展，對安防視頻監控系統設備的融合集成要求越來越高。隨著微電子技術以及SOC芯片處理技術的不斷發展，從而可融合集成一個“單片系統”，進一步提高了產品集成度，降低了成本，為大規模網絡安防視頻監控系統提供了一個更好的硬件平臺。這個SOC芯片，即是具有多處理器核心的單片集成系統，其中集成有CPU主處理器，所集成的核心既可以是ASIC類的硬核，也可以是DSP或協處理器類的軟核，甚至也包含其它的專用處理子系統，且集成有豐富的外設。由于SOC是面向特性應用的片上系統，結合硬件加速等技術可以實現H.264的高復雜度的算法運算，并可針對視頻編碼方面進行優化，以實現*優化效果。

    SOC芯片從2006年開始就在視頻監控設備中得到應用，它經歷了CPU+DSP到CPU+ASIC的發展過程。CPU+ASIC在近幾年給DSP市場帶來了沖擊，它把視頻編解碼算法固化在芯片內，集成豐富的外圍接口，并通過提供完善的開發工具，極大地降低了DVR、DVS、IPC等監控設備開發門檻。

    利用SOC的主要價值是它可以用較短的時間將產品設計出來，從而縮短產品的上市周期，**地降低系統產品的開發成本，縮短開發周期，提高產品的競爭力。目前歐美市場的DVR廠商多采用SOC芯片方案；我國臺灣的DVR廠商也多采用SOC芯片方案，華南地區的DVR企業也大多采用SOC芯片方案，華東、華北地區的DVR企業開始采用DSP芯片方案多一些，但隨著SOC芯片技術的日漸成熟，也逐漸采用SOC芯片方案。隨著產品集成度的提升，單路視頻壓縮處理的成本開始大幅降低，從而推動了安防視頻監控技術的產業化與規模化發展。

    目前，很多半導體方案提供商都在走向SOC，致力于提高集成度，引入**工藝，降低系統成本，改善系統性能以增強市場競爭力。每一代新的SOC都能更為**地優化和共享資源，增強各個子系統的協同工作能力，*小化成本、功耗，同時提高產品的可靠性。現在，所有芯片供應商都將致力于使下一代SOC能進行1080PH.264HD編碼。

    SOC不是簡單的一個芯片，而是一個解決方案。它的出現，降低了設備成本，助力產業升級，也加速了行業標準的形成。同時，它**地節省了設備廠家的對基本功能的大量的重復開發工作，讓設備廠家真正聚焦行業的需求應用。隨著SOC芯片的發展，會推動安防監控產品規模化發展，加速安防產品的普及度。DVR產品未來將會向多元化發展，以適應不同行業應用需求的發展，一方面通過集成度的不斷提高降低成本，開發出更加普及化的產品；另一方面針對專業行業推出具有個性化的產品，適應不同專業市場的需求。

    嵌入式DVR是在DVR應用成熟之后出現的新型產品形態，目前成為了市場上的主流產品。單芯片SOC方案具有集成度高、成本低和可靠性高的特點，非常適合安防行業的應用。下面列舉幾款在DVR、DVS與IPC中采用較為普遍的SOC。

    （1）升邁科技推出的GM8180是高度集成的編解碼系統單芯片，支持H.264、MPEG-4以及JPEG編解碼，CPU核心頻率可達333/500MHz，這給執行各種音頻壓縮編解碼提供了動力。GM8180集成各種存儲方式接口，還有圖形輸出接口。它支持高清影像傳輸接口，集成H.264硬件解碼，在分辨率1280×720和1280×960下，H.264壓縮效能可以達到30和22.5幀。還有雙芯片主/從架構，同時具備雙重PCI主/從模式的設計，也大幅減少多通道DVR應用的系統復雜度，單芯片能夠實現H.264D175fps的編解碼，非常適用于4路、8路H.264DVR。升邁科技于2008年底推出了針對4/8/16chDVR的GM8185(高效4D1Encode+2D1Decode)整合單芯片。

    （2）海思開始推出的SOC芯片是Hi3510、接著推出了Hi3511與Hi3512。如Hi3511是全球**帶有MUX功能的H.264SOC芯片，單芯8路性能，是目前性價比*優的CIFDVR解決方案。Hi3511集成性能高達250FPS（352×288分辨率）的H.264/MJPEG雙碼流硬件編解碼器和主頻288MHz的ARM926處理器，支持4路BT656視頻輸入，16路音頻輸入和PCI接口，提供靈活的從1路到32路系列化嵌入式DVR和PCBasedDVR產品組合設計方案，**地降低了客戶開發與存儲成本。

    海思提供的自主知識產權的PC端H.264解碼庫，性能高達600FPS，解碼效率達到業界一流水平，可滿足平臺化、多通道管理的客戶需求。而Hi3512，是市面上性價比*高的4路DVR解決方案，不僅把性能提高到實時同編同解、網傳等多工能力，還把BOM成本做到MPEG4的水平，是目前4路DVR的*佳選擇。Hi3511與Hi3512同樣也是比較好的DVS與IPC產品的SOC芯片，欲了解該芯片在DVR、DVS與IPC中實現方案的詳情，可參閱本人在2010年10月《CPS安防集成商》上發表的“當前市場海思主流芯片在安防監控中的應用方案”一文。

    目前，海思的第3代Hi3520芯片更加適用于現代高清的發展，它是基于ARM11處理器內核，其處理頻率達600MHz，雙DDR架構能提供更大的數據處理帶寬和能力，能提供*佳的多路編解碼DVR方案，*高分辯率1920×1080p@30Hz，接口豐富，能夠帶來更加清晰的畫質和視頻體驗。顯然，它將會在市場獲得更為廣泛的應用。

    （3）TI針對數字多媒體的SOC芯片TMS320DM642通過與杭州海康威視的合作，成功推出了H.264的數字視頻硬壓卡；TMS320DM6446基于CPU+DSP的SOC芯片成為DVR設計的高性價比平臺；支持1080p高清編解碼的SOC芯片TMS320DM6467達芬奇處理器是一種基于DSP的片上系統(SOC)，特別適合實時多格式高清(HD)視頻轉碼，并配套提供完整的開發工具與數字媒體軟件。該系統解決方案集成了ARM926EJ-S內核與600MHzC64x+DSP內核，并采用高清視頻協處理器、轉換引擎與目標視頻端口接口，在執行高達H.264HP@L4(1080p30fps、1080i60fps、720p60fps)的同步多格式高清編碼、解碼與轉碼方面，比前代處理器性能提高了十倍。顯然，它將會成為下一代安防產品的重要開發平臺。其他芯片如DM644x、DM643x、DM646x、DM648、DM3xx等也都適合數字視頻服務器和錄像機等產品的應用。

    （4）恩智浦NXP目前有PNX1700、PNX1005用作DVR、DVS、NVR、混合DVR、IPC（IP攝像機）的主機處理器或協處理器。自2007年到現在，PNX1700被廣泛用作DVR/DVS/NVR等的SOC或協處理器。PNX1700系列芯片適合于8×CIFMPEG4編碼，也能提供高質量的MPEG4視頻解碼和音頻解碼。它是基于DSP（采用TM5250內核）的媒體處理器，支持視頻壓縮、視頻分析、視頻改善等，提供靈活的外設硬件模塊。新芯片PNX1005（采用TM3282DSP內核）將支持8×CIFH.264壓縮或H.264720P壓縮。NXP將會把更多功能納入考慮，例如：更多的視頻輸入、PCIe、SATA、千兆位以太網、多重編碼能力、圖像/視頻預處理等。

    TI和NXP作為傳統DSP芯片廠商，隨著監控設備商向標準的H.264壓縮技術的逐漸靠攏，在陸續推出了ASIC+CPU或DSP+CPU架構的SOC芯片方案后，已經將目標投向純SOC芯片的研發，為DVR、NVS、IpCamera量身定制SOC方案。升邁和海思一直致力于SOC芯片的研發和推廣，為SOC芯片引入視頻監控領域已做出了很大貢獻，并已經取得了很大的成績。

    SOC芯片的發展趨勢將表現在主控CPU的升級換代、視頻協處理器的能力增強、DSP資源**同于增值應用且同時支持定點和浮點運算，還有更多的高性能外設接口被集成到單片中來，如DVI、SATA、PCIe等等。

    下一代安防專用SOC芯片的發展已經非常明晰：SOC芯片要設計具有D1/CIF雙碼流設計能力；能低成本組成1～16路D1DVR；具有高清輸出系統（包括接口和輸出能力）；具有固化標準H.264壓縮算法以降低壓縮成本；具有高清解碼能力；具有高性能CPU等。從SOC芯片的發展趨勢看來，“圍繞著用戶的體驗用*優性價比的方式實現”是SOC芯片的重要發展軌跡。

    4、結束語

    由上看出，系統級芯片SOC已經成為IC業界的焦點,其要求的性能越來越強，規模越來越大。SOC技術在安防集成的應用中將越來越廣，尤其安防視頻監控系統的網絡化、高清化、智能化更是離不開它。顯然，它的發展也將推動安防視頻監控技術的發展。

    需要指出的是，在SOC設計中，仿真與驗證是SOC設計流程中*復雜、*耗時的環節，約占整個芯片開發周期的50%～80%，因而采用**的設計與仿真驗證方法將成為SOC設計成功的關鍵。SOC技術的發展趨勢是基于SOC開發平臺,基于平臺的設計是一種可以達到*大程度系統重用的面向集成的設計方法，分享IP核開發與系統集成成果，不斷重整價值鏈，在關注面積、延遲、功耗的基礎上，還要向成品率、可靠性、EMC、成本、易用性等轉移，使系統級集成能力快速地發展。