系統單晶片：如何製造更小、更快的裝置

在電子元件中，最重要的原則是「效能更高、功耗更少且空間更小」。特別是平板電腦和智慧型手機等可攜式裝置，極度複雜的技術必須塞進盡可能最小的佔用空間中，且使用最少量的電力。為了打造快速又小巧的裝置，工程師將所有必要的元件整合到單一封裝中，稱為系統單晶片 (SoC)，因此不需要多個積體電路。

什麼是系統單晶片？

系統單晶片是一種積體電路，將系統的所有必要元件壓縮到一塊矽晶上。由於不需要個別和大型的系統元件，系統單晶片協助簡化電路板設計，達成改善功耗和速度而不用犧牲系統功能性。系統單晶片內包含的元件可以是：

• 資料處理器
• 嵌入式記憶體
• 圖形處理器 (GPU)
•  USB 介面
• 視訊與音訊處理

小型系統單晶片已成為各種市場不可或缺的解決方案，跨越如資料中心、人工智慧 (AI)、高效能運算 (HPC) 等有線應用，到行動電話和穿戴式裝置等電池供電裝置。

系統單晶片的歷史

因為更小型裝置在日常生活中如此常見，所以很難想像每樣產品中沒有系統單晶片的時代。但直到 1970 年代，將整個系統建構在單一微晶片的概念才首次成為現實。

1970 年代：根據電腦歷史博物館，第一個系統單晶片出現在 1974 年，在一只 LCD 手錶上。在此之前，微處理器只是獨立的晶片，需要外部晶片的支持。

1980-90 年代：半導體製造技術的進步，是得在單一晶片上整合更多元件成為可能。混合訊號整合讓晶片可處理類比和數位訊號。

2000-2010 年代：系統單晶片開始整合 Wi-Fi、藍牙和行動數據機，為行動裝置帶來無線通訊。新增的強大處理器和圖形功能，讓智慧型手機成為新的生活模式。 

現在：系統單晶片越來越專門化，並從行動裝置擴展至包括汽車系統、穿戴式裝置、工業自動化等。新功能包括人工智慧 (AI)，機器學習 (ML) 和邊緣運算。

系統單晶片應用

由於它們能夠根據高度專業化的需求進行定制，系統單晶片（SoCs）可以應用於各種場合，從兒童玩具和門鈴攝影機到工業引擎。一些系統單晶片的用途包括：

• 行動裝置：系統單晶片整合智慧型手機和平板電腦中的無線連線能力和多媒體功能。
• 汽車系統：所有類型的車輛都使用系統單晶片來驅動導航系統、感測器介面、資訊娛樂系統，以及避免危險的系統。
• 物聯網 (IoT)：由於在低功耗的使用案例中極具效率，系統單晶片在穿戴式裝置和智慧家庭監控等 IoT 裝置中廣泛使用。
• 網路設備：在路由器、交換器和網路設備中，系統單晶片整合封包處理功能、安全性功能，以及有效率的資料路由所需的專用元件。
• 消費性電子元件：系統單晶片能為多種常見的多媒體裝置，例如遊戲主機和數位媒體播放器，提供圖形處理能力和連線能力。
• 工業應用：系統單晶片能提供即時處理、連線和介面功能，為高效率的智慧型工業解決方案做出貢獻。
• 醫療裝置：系統單晶片透過提升病患監控系統、診斷設備和植入式裝置的處理能力和連線能力，協助改善病患照護。

系統單晶片設計：優點和缺點

將多個元件整合到單一晶片上帶來了許多好處。但是在判斷系統單晶片是否適合某種裝置時，必須權衡這些優勢與此複雜設計所帶來的挑戰。

系統單晶片的優點

1. 空間最佳化：系統單晶片比多個獨立元件佔用的空間更少，因此能實現更小巧的裝置設計。
2. 電源效率：以系統單晶片取代大型元件和電路，可大幅降低耗電量並達成所需的 PPA (功耗、效能和面積) 指標。
3. 費用較低：單一系統單晶片比原本需要的多個獨立晶片組便宜。
4. 可靠性：單一系統單晶片的連接數較少，因此相較於透過基板連接的多部分系統，可靠度高出許多。
5. 性能：因為訊號可停留在晶片上，所以系統單晶片能達到比多部分解決方案更高的效能和速度。

系統單晶片的缺點

1.  單一故障點：由於所有元件都在單一晶片中，一個元件的故障會影響整個系統（同時也限制了升級的可能性）。
2. 上市時間：相較於現成的元件，設計客製化系統單晶片需要更多專業技術和專門的工具，開發時間和成本也會隨之增加。只有系統單晶片的市場足夠大，才能收回這些更高的成本。
3. 混合類比/數位：因為系統單晶片上的所有元件都是以單一製程技術製造，所以無法為類比區段選擇使用最佳技術。這會導致降低類比效能，並讓系統單晶片更適合數位應用。
4. 彈性：系統單晶片最適合用於其預定的工作，但可應用於任何其他工作的範圍有限。

系統單晶片設計流程

與積體電路類似，系統單晶片的設計工作流程包含規劃、改進和生產的數個階段。每個階段都需要包括系統架構師、設計工程師和製造商等專家的協同合作。系統單晶片設計流程的主要里程碑包括：

1. 規格：清楚定義所需的系統單晶片功能。有哪些應用、效能目標、功率限制等詳細資料？
2. 邏輯設計：在硬體描述語言 (HDL) 中描述所需的行為，並模擬功能性行為，以確認其是否正確。
3. 邏輯合成：自動將 HDL 行為描述轉換為電晶體元件及其互連的清單，稱為「網路連線表」。
4. 實體設計：選擇合適的電晶體元件，並決定其在矽晶上的實體位置，以及之間互連的軌跡。
5. 簽核：使用 Ansys RedHawk-SC 等驗證軟體來分析與驗證設計，以確保正確的功能與效能。確認配置符合所有可製造性要求。晶片無法維修，因此如果設計中有任何錯誤，就必須丟棄所有已製造的晶片，且必須修改設計。這就是為什麼在繼續製造之前，檢查並驗證非常重要。
6. 下線：產生最終圖形檔案以建立配置的光罩，並送交製造商生產。
7. 測試及封裝：測試以確認系統單晶片符合規格並可供使用。矽晶片接著封裝在保護包裝中。

系統單晶片設計與模擬

對於在日益具有挑戰性的空間中需要更智慧化、更快電子設備的需求，將繼續推動對片上系統單晶片創新的需求。隨著系統單晶片變得越來越複雜以滿足市場需求，設計工程師應遵循制式化的方法來設計和驗證這些晶片。由於系統單晶片為滿足市場需求而變得更加複雜，設計工程師應該遵循一種正式的方法來設計和驗證這些晶片。模擬是建立成功系統單晶片設計，並符合所需設計和製造規格的重要關鍵。供電網路越來越複雜，低功耗的考量也會壓縮供電電壓。因此，在訊號完整性與電源完整性上簽核設計非常重要。

在此隨選線上研討會深入瞭解數位 IC、系統單晶片以及不同的簽核技術：「Redefining Power Integrity Signoff Methodology Using Ansys RedHawk & Seascape Platform」(使用 Ansys RedHawk 與 Seascape 平台重新定義電源完整性簽核方法)。