SoC晶片知識點整理

2025/02/16

•

在智能汽車和電動汽車日益普及的今天，汽車SoC（系統級晶片）成為了推動汽車行業變革的關鍵技術。作為汽車的大腦，SoC晶片不僅影響著車輛的駕駛性能，也重塑了我們的出行體驗。本文將深入探討汽車SoC晶片的重要性及其對駕駛體驗的影響。

#01

SoC晶片的由來

晶片系統（System-on-Chip，SoC）是一種積體電路，將一個系統所需的所有元件壓縮到一塊矽片上。這一概念的出現為電子裝置的設計帶來了翻天覆地的變革。通過消除對獨立和大型系統元件的需求，SoC 極大地簡化了電路板設計，並在不影響系統功能的情況下，顯著提高了功率效率和速度。

SoC 的歷史可以追溯到 1970 年代，當時微晶片技術開始嶄露頭角。然而，直到那個時候，將整個系統整合到單一晶片上還只是一個遙不可及的夢想。隨著時間的推移，技術的發展逐步實現了這一願景。

在 1974 年，首個晶片系統出現在液晶顯示器（LCD）手錶中，標誌著 SoC 的雛形。而在此之前，微處理器僅僅是作為獨立的晶片存在，需要外部晶片的支援才能完成其功能。

1980 至 1990 年代，半導體製造技術的進步使得在單個晶片上整合更多元件成為可能。混合訊號整合技術的發展，進一步推動了晶片的功能多元化，使得晶片能夠處理模擬和數字訊號，從而拓寬了其應用範圍。

進入 21 世紀初，SoC 開始整合 Wi-Fi、藍牙和蜂窩數據機等無線通訊功能，將無線連接帶入了我們的移動裝置。此外，強大的處理器和圖形能力的加入，使得智慧型手機等移動裝置成為人們日常生活中不可或缺的一部分，引領了新的生活方式。

而如今，SoC 的應用範圍已經不再侷限於移動裝置領域。它們已經擴展到汽車系統、可穿戴裝置、工業自動化等多個領域。隨著人工智慧（AI）、機器學習（ML）和邊緣計算等新技術的不斷湧現，SoC 正變得越來越專業化，為各行各業帶來了更多的可能性和創新機遇。

#02

SoC晶片概念介紹

SOC（System On Chip系統級晶片）：

SOC是一個高度整合的晶片，它將多個處理器核心、記憶體、外圍裝置、圖形處理單元等整合在一個單一的矽片上。這種整合化設計不僅提高了處理效率，也大大降低了功耗和成本。SOC通常用於執行更複雜的任務，如高級駕駛輔助系統（ADAS）、自動駕駛、車載資訊娛樂系統等。

SoC 代表晶片系統，它是一種小型整合晶片，包含特定系統所需的所有元件和電路。SoC 的元件包括 CPU、GPU、記憶體、I/O 裝置等。下圖展示了 SoC 的架構：

上圖展示了 SoC 的基本架構，其中包括處理器、DSP、記憶體、網路介面卡、CPU、多媒體編碼器/解碼器、DMA 等。

Processor處理器：它是 SoC 的核心，通常 SoC 至少包含一個或多個協處理器。它可以是微控製器、微處理器或 DSP。大多數情況下，DSP 被用作每個 SoC 的處理器。
DSP：DSP 代表數字訊號處理器。它包含在 SoC 中以執行訊號處理操作，如資料收集、資料處理等。它也用於圖像解碼。
Memory記憶體：記憶體在 SoC 中用於儲存。它可以是易失性或非易失性記憶體。易失性記憶體包括 RAM，RAM 有兩種類型：SRAM 和 DRAM。非易失性記憶體包括 ROM。
Encoder/Decoder編碼器/解碼器：用於解讀資訊並將其轉換為程式碼。
Network Interface card網路介面卡：SoC 具有內部介面或匯流排或網路以連接所有單獨的模組。基本上，網路介面卡提供系統的網路連線。
GPU：GPU 代表圖形處理單元，用於 SoC 中以可視化介面。GPU 專門設計用於加速與圖像計算相關的操作。GPU 的基本模組包括匯流排介面、電源管理單元、視訊處理單元、圖形記憶體控製器、顯示介面等。
Peripheral devices外圍裝置：外部連接的裝置/介面如 USB、HDMI、Wi-Fi 和藍牙被包含在外圍裝置中。該裝置在 SoC 中用於執行各種操作。
UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）：通用非同步收發器包含在 SoC 中，用於傳輸或接收序列資料。電壓調節器、振盪器、時鐘和 ADC/DAC 也是 SoC 的一部分。

SoC 的特徵:

部件整合：SoC 設計協調了不同部件，如中央處理單元 (CPU)、記憶體子系統 (RAM、ROM)、輸入/輸出介面 (GPIO、UART、USB)、圖形處理單元 (GPU)、加速器等整合到一個晶片上。
緊湊設計：由於許多功能整合到一個晶片上，SoC 使得非常緊湊和節省空間的計算裝置成為可能。
功率效率：通過最佳化部件連接並減少不同晶片之間的資料移動，SoC 相較於傳統多晶片系統可以實現更好的功率效率。
性能提升：SoC 可以通過更高效的部件間通訊和減少晶片間通訊的延遲來提供更高的性能。
定製和適應性：SoC 模型可以根據特定需求進行定製，允許設計師選擇並整合特定應用所需的部件。這種定製也使得不同裝置模型之間的靈活性得以實現。
低延遲：SoC 設計減少了資料傳輸距離，從而降低了部件之間的延遲並提高了整體系統響應速度。
減少互連複雜性：將部件整合到一個晶片上簡化了互連結構，減少了設計和管理通訊路徑的複雜性。
先進封裝技術：SoC 設計通常使用先進的封裝技術，如系統封裝 (SiP) 和 3D 堆疊，以進一步提高整合度和性能。
多核處理：SoC 可以整合多個處理核心，實現高效的平行處理和多工能力。
異構計算：SoC 可以結合不同類型的處理單元，如 CPU、GPU、DSP 和專用加速器，以最佳化各種工作負載的性能。

SoC 的優點:

體積小，包含許多功能和特性：SoC 將多種功能整合在一個小型晶片上，使裝置設計更加緊湊。
功耗低：由於最佳化了部件間的連接，SoC 相較於傳統的多晶片系統具有更低的功耗。
在尺寸和功率因子方面靈活：設計師可以根據需要定製 SoC，以滿足不同裝置的需求。
建構在單一晶片上：所有功能整合在一個晶片上，減少了不同晶片之間的資料傳輸延遲和能耗。
成本效益高：大規模生產 SoC 能夠降低單位成本。
大量生產：SoC 的設計和生產技術已經非常成熟，能夠實現大規模製造。

SoC 的缺點:

設計過程耗時：通常 SoC 的設計過程需要六到十二個月。
元件故障的替換問題：如果 SoC 的任何元件無法正常工作，整個 SoC 需要更換，而不是單獨替換故障元件。
可見性有限：SoC 的內部結構複雜，難以進行故障排除和性能調優。

SoC典型案例:

晶片系統（SoC）是一種整合了所有系統元件的小型晶片。與典型的 PC 架構主機板相比，主機板允許使用者連接或拆卸可替換元件，而 SoC 將所有元件整合在電路上，換句話說，SoC 支援的所有元件都被硬編碼在晶片上的電路中。SoC 將 CPU、硬碟連接性、隨機存取記憶體（RAM）、唯讀儲存器（ROM）、USB 連接性和所有二級儲存裝置與嵌入在晶片上的電路連接，而主機板通過擴展卡來實現這些功能。

隨著技術變得越來越先進，這種緊密耦合的電路在與擴展硬體相比時有許多優點，如體積小、高性能和低功耗。此外，它們比廣泛的硬體佔用更少的空間。但所有這些優點都是以不可替換元件為代價的。隨著這些優點的出現，調整支援元件數量的靈活性也隨之消失。

在 SoC 之前，所有用於完整嵌入式系統開發的元件都整合在印刷電路板（PCB）上。但隨著技術的進步，現在單個晶片內含所有外設，如 DMA（Direct Memory Access，直接記憶體訪問）、記憶體控製器等，以及微處理器或微控製器。

以 BeagleBone Black開發板為例。該開發板包含基於 AM335x 微處理器的 SoC。以下是 AM335x SoC 的內部元件框圖。

AM335x SoC 是一個高度整合的系統晶片，其架構圖顯示了眾多內部元件和模組。

首先是處理器核心，採用 ARM® Cortex™-A8，運行頻率最高可達 1GHz，配備 32KB 指令快取和 32KB 資料快取（L1 快取），256KB L2 快取，176KB ROM 和 64KB RAM。

圖形處理單元（GPU）為 PowerVR SGX 3D GFX，負責 3D 圖形加速。

顯示模組包含 24-bit LCD 控製器和觸控式螢幕控製器，用於驅動 LCD 顯示器和處理觸摸輸入。

加密模組提供 64KB 共享 RAM，用於加密操作。

可程式設計即時單元 - 工業通訊子系統（PRU-ICSS）支援 EtherCAT、PROFINET 和 EtherNet/IP 等工業通訊協議。

序列介面部分，AM335x SoC 提供 6 個 UART（通用非同步收發器）、2 個 SPI（序列外設介面）、3 個 I2C（積體電路匯流排）、2 個 McASP（多通道音訊序列埠）、2 個 CAN（控製器區域網路介面）和 1 個 USB 2.0 HS（高速 USB 主從控製器），還有 2 個 EMAC（乙太網路媒體存取控制器）。

系統模組包括增強型直接記憶體存取控制器（eDMA）、8 個定時器模組、看門狗定時器（WDT）、即時時鐘（RTC）、增強型高解析度脈寬調製器（eHRPWM）、增強型正交編碼器脈衝模組（eQEP）和電源復位與時鐘管理模組（PRCM）。

平行介面方面，SoC 提供 3 個增強型捕獲模組（eCAP）、一個 8 通道 12 位模數轉換器（ADC）、JTAG 偵錯介面、通用輸入輸出介面（GPIO）以及 3 個儲存卡介面（MMC、SD 和 SDIO）。記憶體介面支援 mDDR/LPDDR、DDR2、DDR3 和 DDR3L 記憶體類型，具有 16-bit 匯流排寬度，並支援 NAND 和 NOR 快閃記憶體。

綜上所述，AM335x SoC 整合了處理器、圖形處理、顯示控制、加密、工業通訊、序列和平行介面，以及多種系統管理模組，顯著簡化了硬體系統的複雜性，減少了佔用空間，提高了性能和功耗效率，適用於多種嵌入式系統和物聯網裝置應用。

#03

SoC晶片產業鏈介紹

車載SoC（System on Chip，系統級晶片）是汽車電子系統中的關鍵元件，它整合了多個電子系統的功能，如資訊娛樂、導航、自動駕駛輔助系統等。

整個產業鏈可以分為：

1. 上游：

IP核授權：提供晶片設計所需的核心智慧財產權，如CPU、GPU、儲存器等。
EDA軟體：電子設計自動化軟體，用於晶片設計、模擬和驗證。
半導體材料：包括硅晶圓、光刻膠、化學氣體等，是製造晶片的基礎材料。
裝置廠商：提供製造晶片所需的各種裝置，如光刻機、蝕刻機、清洗裝置等。

2. 中游：

晶片設計：負責SoC的設計和開發，包括架構設計、電路設計、邏輯設計等。
晶圓製造：將設計好的晶片在晶圓上製造出來，涉及光刻、蝕刻、離子注入等多個步驟。
封裝測試：晶片製造完成後，進行封裝以保護晶片，並進行性能測試以確保質量。

3. 下游：

Tier1供應商：通常是指一級供應商，它們為汽車製造商提供完整的系統或模組，可能包括整合了SoC的電子控制單元（ECU）。
主機廠：即汽車製造商，它們將SoC等電子元件整合到汽車中，提供給最終消費者。

整個產業鏈的協同合作對於車載SoC的成功開發和應用至關重要。隨著汽車行業向智能化、電動化發展，車載SoC的市場需求和技術要求也在不斷提高。

如圖所示展示了車載SoC晶片的整體產業鏈結構，特別是自動駕駛和高級駕駛輔助系統（ADAS）領域。

1 半導體IP供應商：這些公司提供半導體的智慧財產權（IP）和設計解決方案。

列出的公司包括：Arteris IP、ARM、Synopsys。

2 SoC和硬體供應商：這些公司提供系統晶片（SoC）解決方案和其他硬體元件。

列出的公司包括：Altera（現為Intel的一部分）、Dream Chip、Infineon（英飛凌）、Intel（英特爾）、Mobileye（英特爾公司）、Nextchip、NVIDIA（輝達）、NXP（恩智浦）、Renesas（瑞薩）、Samsung（三星）、Sequans、STMicroelectronics（意法半導體）、Texas Instruments（德州儀器）、Toshiba（東芝）、Xilinx（賽靈思）。

3 一級供應商：這些公司直接向汽車製造商（OEM）供應完整的系統或主要元件。

列出的公司包括：Autoliv（奧托立夫）、Magna（麥格納）、ZF（采埃孚）、Hyundai Mobis（現代摩比斯）、Continental（大陸集團）、Denso（電裝）、Delphi（德爾福）、Harman（哈曼）、Valeo（法雷奧）、Visteon（偉世通）、Bosch（博世）。

4 車輛製造商（OEM）：這些公司製造車輛並整合一級供應商提供的各種系統和元件。

列出的公司包括：Volvo（沃爾沃）、Audi（奧迪）、Honda（本田）、BMW（寶馬）、Ford（福特）、Renault（雷諾）、GM（通用汽車）、Mercedes-Benz（梅賽德斯-奔馳）、Tesla（特斯拉）、Toyota（豐田）、Hyundai（現代）。

此外，還有一些共享出行和自動駕駛技術領域的公司，包括Lyft（來福車）、Waymo、Apple（蘋果）、Uber（優步）。該圖表展示了從半導體IP供應商開始到車輛製造商（OEM）結束的供應鏈流程，一級供應商在其中作為中間商，提供重要的系統和元件。同時，Lyft、Waymo、Apple和Uber等公司也在廣泛的生態系統中扮演著重要角色，可能通過合作夥伴關係或自動駕駛技術開發來實現。

IP核

IP核（Intellectual Property Core）在積體電路設計領域中起著核心作用，它們是經過預先設計和驗證的模組，允許快速整合到系統級晶片（System on Chip, SoC）中，從而提高設計效率和性能。IP核的分類不僅基於其功能，如CPU核作為SoC的主要計算引擎，GPU核處理圖形和視訊渲

染任務，DSP核專門處理音訊和視訊編解碼等訊號處理任務，VPU核負責視訊編碼和解碼等視訊相關任務，還包括了SoC內部不同模組間通訊的匯流排，以及與外部裝置或系統通訊的介面，如USB、SPI、I2C等。

這些IP核的可定製性和整合度進一步細分為軟核、固核和硬核，其中軟核提供最高靈活性，固核在部分綜合後保留可定製性，而硬核則在性能和面積上進行了最佳化，通常作為不可修改的黑箱使用。

SoC設計者通過選擇和整合這些IP核，能夠顯著減少開發時間和成本，同時確保設計的可靠性和性能。這種模組化的設計方法不僅加速了產品上市過程，還允許設計者針對特定應用進行功能定製，滿足市場對多樣化和高性能電子產品的需求。

IP核的使用可以大大加快晶片的開發周期，降低設計複雜性，並提高設計的可靠性。

以下是幾種常見的半導體IP分類：

1. 半導體IP：

這是一個廣泛的術語，涵蓋了所有可以用於晶片設計的預定義模組。

2. 處理器IP：

包括CPU、GPU、DSP（數字訊號處理器）、AI處理器等核心計算單元的IP。這些IP核通常包括指令集、微架構和必要的介面。

3. 介面IP：

用於實現不同晶片或模組之間通訊的介面，例如：

記憶體介面：如DDR、LPDDR、HBM（高頻寬記憶體）等。
I/O介面：如USB、PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）、Ethernet等。
儲存介面：如SATA、NVMe（非易失性記憶體快速儲存）等。
顯示介面：如HDMI、DisplayPort等。

4. 其他物理IP：

包括但不限於以下類型的IP：

模擬IP：如放大器、濾波器、ADC（模數轉換器）、DAC（數模轉換器）等。
射頻IP：用於無線通訊的射頻收發器、頻率合成器等。
電源管理IP：如電壓調節器、電源分配網路等。
時鐘和復位管理IP：用於晶片內部時鐘分配和復位邏輯。
安全IP：如加密模組、安全啟動等。

半導體IP核的供應商通常會提供一系列的IP核，以滿足不同客戶的需求。這些IP核可以單獨使用，也可以組合使用，以建立複雜的SoC（System on Chip，系統級晶片）。使用IP核可以顯著降低晶片開發的技術門檻和成本，同時加快產品上市時間。

IP核供應商在全球半導體產業鏈中發揮著至關重要的作用，它們提供預先設計和驗證的功能模組，這些模組是實現快速SoC開發的關鍵。國際供應商如ARM，以其在移動CPU和GPU市場的領先地位，為智慧型手機等移動裝置提供了廣泛的應用基礎。ARM的IP核不僅在智慧型手機領域佔據主導地位，還在探索新的市場機會，如伺服器和資料中心。Synopsys和Cadence這兩家EDA巨頭，通過提供多樣化的IP解決方案，包括介面和處理器IP，進一步鞏固了它們在半導體IP領域的地位。Imagination Technologies以其PowerVR GPU IP在圖形處理領域享有盛譽，而CEVA則專注於為無線通訊和智能視覺提供專業的DSP和無線連接IP核。

在國內市場，芯原微電子（芯原股份）作為中國大陸領先的半導體IP授權服務提供商，提供全面的處理器IP和數模混合IP解決方案，包括GPU、NPU、VPU和DSP等。芯來科技作為RISC-V處理器IP的領軍企業，推動了開源RISC-V架構的發展，並與多家知名晶片公司合作進行量產。阿里巴巴集團旗下的平頭哥，以其基於RISC-V的處理器IP，為市場帶來了新的活力。賽昉科技（StarFive）提供的基於RISC-V的CPU IP和SoC平台，為物聯網和邊緣計算領域提供了強有力的支援。銳成芯微和華夏芯等公司則分別以其eNVM、模擬IP、數模混合IP和射頻IP，以及異構處理器IP，滿足了從物聯網到雲端運算等不同應用場景的需求。

隨著5G、人工智慧、自動駕駛等新興技術的發展，對高性能、低功耗的IP核需求日益增長。國內外IP核供應商正通過不斷的技術創新和市場拓展，推動整個半導體行業的快速發展。他們不僅提供標準化的IP解決方案，還通過定製化服務滿足特定客戶的需求，加速產品的上市時間。此外，隨著全球供應鏈的重組和國產化趨勢的加強，國內IP核供應商迎來了新的發展機遇，有望在全球半導體產業鏈中扮演更加重要的角色。

EDA

電子設計自動化（EDA）工具是半導體行業不可或缺的技術支柱。隨著技術的發展和應用場景的多樣化，EDA工具已經形成了一個龐大而複雜的產品家族。

根據其應用領域和功能，我們可以將EDA工具主要劃分為以下幾大類：

1. 數字設計類工具

數字設計類工具是面向數字積體電路設計的一系列流程化軟體集合。它們涵蓋了從功能定義到架構設計，再到RTL編碼、功能模擬、邏輯綜合、靜態時序分析（STA）、形式驗證等關鍵步驟。這些工具的高效協同，確保了數字晶片設計的精確性和可靠性。

2. 模擬設計類工具

模擬設計類工具專注於模擬電路的設計和最佳化。它們包括版圖設計、電路模擬、版圖驗證、參數提取以及射頻設計等關鍵環節。這些工具幫助設計師在模擬電路的複雜性中尋找最佳解決方案。

3. 晶圓製造類工具

晶圓製造類工具是晶圓廠和代工廠實現工藝開發、器件建模和模擬的得力助手。它們不僅支援PDK（工藝設計套件）的開發與驗證，還涉及到計算光刻、掩膜版校準等高級功能。隨著摩爾定律的不斷推進，這些工具的迭代升級對於保持工藝競爭力至關重要。

4.封裝類工具

封裝類工具專注於晶片封裝環節，提供設計、模擬和驗證等一系列解決方案。隨著封裝技術向高密度、高整合和微小化發展，封裝類工具在SI/PI分析、異質整合、HDAP、FOWLP、3DIC、SiP和CoWoS等先進封裝技術中的應用日益增多。

5.系統類工具

系統類工具將EDA工程的範疇擴展到了更廣泛的電子系統設計領域。它們包括PCB設計、平板顯示設計、系統模擬（Emulation）、以及CPLD/FPGA等可程式設計邏輯器件的設計工具。這些工具不僅支撐了電子系統設計的複雜性，也反映了生產製造技術進步對EDA技術提出的新挑戰。

EDA（電子設計自動化）市場是一個專門服務於積體電路（IC）和電子系統設計的高技術領域。EDA工具在半導體行業中扮演著至關重要的角色，為設計師提供軟體和硬體工具，以實現從概唸到最終製造的整個設計流程。

以下是對EDA市場的詳細介紹以及主要玩家：

EDA市場介紹:

1.市場規模與增長

全球市場規模：根據市場研究，全球EDA市場在2023年的規模約為114億美元，並預計在未來幾年內繼續增長，年均增長率約為8-10%。
增長驅動因素：

◆半導體行業發展：隨著人工智慧（AI）、物聯網（IoT）、5G、自動駕駛汽車等技術的發展，對先進半導體器件的需求不斷增加。

◆設計複雜性增加：現代晶片設計越來越複雜，對EDA工具的需求也隨之增加。

◆技術進步：EDA工具本身不斷創新和進步，如機器學習在EDA中的應用。

2.主要市場區域

北美：是EDA工具的主要市場，擁有許多頂尖的EDA公司和半導體公司。
亞太地區：特別是中國、日本和韓國，隨著半導體製造和設計能力的提升，對EDA工具的需求不斷增加。
歐洲：同樣是重要市場，擁有許多半導體和電子系統公司。

#04

SoC晶片分類

SoC市場按類型細分主要包括模擬（Analog）、數字（Digital）和混合（Mixed）三種SoC，每種類型具有不同的功能和應用領域：

1. 模擬SoC (Analog SoC)：

主要用於處理模擬訊號，如聲音、光線、溫度等自然形式的連續訊號。
包含的關鍵模組有模擬訊號處理器、模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）、模擬濾波器等。
應用領域包括音訊處理、感測器介面、無線通訊等，特別適用於需要模擬訊號處理的場合。

2. 數字SoC (Digital SoC)：

專注於處理數字訊號，如二進制資料、圖像、視訊等離散形式的訊號。
包含中央處理器（CPU）、儲存器、數字訊號處理器（DSP）、輸入輸出控製器（IO Controller）等數位電路。
常見於智慧型手機、平板電腦、電腦等裝置，用於執行計算、儲存和通訊等任務。

3. 混合SoC (Mixed SoC)：

結合了模擬和數位電路的優勢，能夠同時處理模擬和數字訊號。
整合了模擬-數字轉換器（ADC）、數字-模擬轉換器（DAC）、CPU、DSP等關鍵模組。
應用於智慧型手機、汽車電子、醫療裝置等複雜系統，在這些系統中需要同時處理不同類型的訊號。

混合SoC晶片的設計融合了數字和模擬電路，以實現高度整合化和功能多樣化。在這種設計中，藍色部分代表數位電路區域，它包含了SoC的核心元件。微處理器作為SoC的大腦，負責執行指令和控制其他元件。基帶（BB）處理無線通訊協議，而匯流排則連接SoC內部的各個模組，確保資料快速傳輸。SRAM作為快取或記憶體，提供快速的資料訪問，而NVM如FLASH、EEPROM或一次性可程式設計（OTP）儲存器則用於儲存韌體和使用者資料。視訊、音訊和USB等外設介面控制電路，如SPI、I2C、HDMI介面或UART、GPIO、PWM控制等，提供了與外部裝置通訊的能力。

綠色部分代表模擬或以模擬為主的混合模組，這是SoC設計中對精確度和訊號完整性要求極高的部分。OSC/PLL振盪器為SoC提供時鐘訊號，是同步數位電路的關鍵。ADC和DAC作為數字世界與模擬世界之間的橋樑，分別負責將模擬訊號轉換為數字訊號，以及將數字訊號轉換為模擬訊號。GPIO作為通用的I/O介面，可以靈活組態以適應不同的輸入輸出需求。LDO（低壓差線性穩壓器）為數位電路提供穩定的電源，保證其正常工作。

在SoC的右側，首先是PHY（物理層介面），它是一個數模混合模組，負責實現特定通訊協議的物理層功能，需要模擬工程師的重點關注。緊鄰的是AFE（模擬前端），它對微弱的模擬訊號進行放大和處理，然後將其轉換為適合ADC或數位電路處理的格式。Power Management模組，包括BUCK降壓轉換器、BOOST升壓轉換器或Charge Pump電荷泵等，負責SoC的電源管理，確保電源的穩定供應。感測器控制電路則負責管理各種感測器，如溫度、壓力或運動感測器，它們是智能系統中不可或缺的部分。

儘管每個SoC晶片的具體模組組態可能因應用需求而異，但左側列出的模組，如微處理器、匯流排、SRAM、NVM和外設介面控制電路，幾乎在所有SoC設計中都是標準組態。這些模組構成了SoC的基礎架構，確保了其基本功能的實現。隨著技術的發展，SoC設計將繼續向著更高的整合度、更低的功耗和更強的性能方向發展，以滿足不斷增長的市場需求。

總結來說，SoC市場的類型細分反映了不同技術需求和應用場景的多樣性。模擬SoC擅長處理連續的自然訊號，數字SoC適合處理離散的數字資料，而混合SoC則提供了靈活性，能夠應對需要同時處理模擬和數字訊號的複雜應用。隨著技術的發展和市場需求的增長，這三種類型的SoC預計將繼續推動電子裝置創新和行業進步。

SoC晶片按照AI算力可以分為小算力，中算力，大算力：

在AI算力的分類中，小算力、中算力和大算力的具體範圍通常基於每秒兆次操作（TOPS）的計算能力進行區分。這些分類反映了不同裝置和應用場景對AI算力的需求。以下是詳細的分類標準：

小算力AI SoC

小算力AI SoC適用於簡單的AI任務和低功耗裝置，如物聯網裝置、簡單邊緣AI應用等。
算力範圍：< 1 TOPS
應用示例：簡單的語音識別、基本圖像處理、低複雜度的機器學習推理。

中算力AI SoC

中算力AI SoC適用於需要中等計算能力的AI應用，如智能家居裝置、工業自動化、智能攝影機等。
算力範圍：1 TOPS - 10 TOPS
應用示例：智能家居控制、工業物聯網、即時視訊處理、複雜度適中的機器學習推理。

大算力AI SoC

大算力AI SoC適用於高性能AI應用，如高端智慧型手機、自動駕駛、邊緣AI計算、資料中心等。
算力範圍：> 10 TOPS
應用示例：自動駕駛車輛、即時視訊分析、複雜機器學習推理、大規模神經網路訓練、AR/VR應用。

在自動駕駛和智能座艙應用中，AI SoC（系統級晶片）的使用至關重要。這些SoC需要具備強大的計算能力，以支援複雜的AI和機器學習演算法、即時資料處理和多感測器融合。

#05

SoC晶片的功能和應用

汽車SoC（系統級晶片）是現代汽車電子系統中的核心元件，它整合了多種功能，對提升汽車的性能和智能化水平起到了關鍵作用。下面詳細介紹一下汽車SoC晶片的功能和應用。

SoC晶片的功能：

資料處理與計算：SoC晶片具有強大的資料處理能力，可以快速處理來自車輛感測器的海量資料，包括視訊、雷達、激光雷達等，為自動駕駛提供決策支援。
圖像和視覺處理：許多SoC晶片包含專門的圖形處理單元（GPU），用於處理車載攝影機捕獲的圖像，支援物體識別、車道保持等視覺相關的ADAS功能。
人工智慧與機器學習：SoC晶片通常包含AI處理器或神經網路處理器，用於執行機器學習演算法，支援複雜的自動駕駛功能，如路徑規劃、障礙物識別等。

網路連線與通訊：SoC晶片支援多種通訊協議，包括車載乙太網路、5G、Wi-Fi、藍牙等，確保車輛與外部環境（如其他車輛、基礎設施）的穩定通訊。
安全與加密：為了保護車輛免受駭客攻擊，SoC晶片通常包含硬體等級的安全功能，如加密引擎和安全儲存。

SoC晶片的應用：

汽車領域：

自動駕駛系統：SoC晶片是自動駕駛系統的核心，負責處理感測器資料，進行環境感知和決策制定，實現不同等級的自動駕駛。

2. 車載資訊娛樂系統：SoC晶片提供強大的計算和圖形處理能力，支援高畫質螢幕、多工處理和複雜的使用者介面，提升車載娛樂體驗。

車輛網路和通訊系統：SoC晶片支援車輛的多種網路通訊需求，包括車聯網（V2X）通訊，實現車輛與外部環境的即時資料交換。
車輛診斷與維護：SoC晶片可以即時監控車輛狀態，進行故障診斷和預測性維護，提高車輛的可靠性和安全性。
整合控制系統：SoC晶片可以整合多個車輛控制系統的功能，如動力系統控制、懸掛系統控制等，實現更高效和精確的車輛控制。

隨著技術的不斷髮展，汽車SoC晶片的功能和應用將不斷擴展，為汽車帶來更高的智能化水平和更豐富的功能。它們不僅提高了汽車的性能和安全性，還為汽車製造商提供了更多的創新空間。我們可以期待SoC在汽車中的應用將更加廣泛和多樣，為人們的生活帶來更多便利和可能。

除此之外，SoC的應用廣泛，在移動市場中，SoC被廣泛應用於智慧型手機，特別是隨著技術進步，智慧型手機變得更輕薄，SoC的尺寸也隨之減小，成為智慧型手機升級的首選，同時滿足高性能和低功耗的需求；例如，iPhone 5中的A6處理器就是一款SoC。

在嵌入式系統中，幾乎所有現代微控製器和微處理器都整合了SoC，以提供更好的可靠性和性能，如蘋果智能手錶中的S1 SoC和三星Galaxy Gear中的基於ARM Cortex M4微控製器的STM32F401B SoC。

此外，個人電腦也是SoC的重要應用領域，許多現代個人電腦採用SoC而非傳統主機板，以滿足對高性能和小型化的需求。

#06

SOC 評價指標

在汽車行業中，SOC（系統級晶片）的評價指標與傳統的MCU（微控製器單元）有所不同，因為SOC通常包含更複雜的處理單元和更多的整合功能。以下是一些評價汽車SOC的關鍵指標：

1. 處理能力：

高性能處理器：SoC通常包含一個或多個CPU核，這些核可以是高性能的ARM Cortex-A系列或其他定製的處理器核心，以確保處理複雜計算任務的能力。

平行處理：多核架構允許平行處理，提升整體計算效率和響應速度
性能：通常以每秒兆次運算（TOPS）或浮點運算能力（FLOPS）或每秒可處理幀（FPS）來衡量。

註：TOPS、FLOPS 和 FPS 是三個不同的度量標準，它們分別用於衡量電腦系統或特定硬體的性能：

TOPS (Tera Operations Per Second):

定義：TOPS 是每秒兆次運算的縮寫，用於衡量處理器每秒可以執行的操作次數，包括整數運算、浮點運算和其他類型的運算。
用途：它是一個通用的性能指標，適用於評估各種類型的處理能力，特別是在人工智慧和深度學習領域。

FLOPS (Floating Point Operations Per Second):

定義：FLOPS 是每秒浮點運算次數的縮寫，專門用於衡量處理器每秒可以執行的浮點運算次數。
用途：它主要用於科學計算、圖形渲染和需要高精度數學計算的應用，尤其是在高性能計算（HPC）領域。

FPS (Frames Per Second):

定義：FPS 是每秒幀數的縮寫，用於衡量顯示裝置或系統每秒可以渲染的圖像幀數。
用途：它是衡量圖形處理能力和視訊遊戲性能的關鍵指標，尤其是在評估顯示卡和遊戲性能時。

總結來說，TOPS 是一個更全面的性能指標，涵蓋多種類型的運算；FLOPS 專注於浮點運算，適用於需要高精度數學計算的應用；而 FPS 是衡量圖形渲染速度的指標，主要用於評估遊戲和影片播放的性能。這些指標根據不同的應用場景和需求，各自扮演著重要的角色。

2. 記憶體和儲存：

RAM：足夠的隨機存取記憶體（RAM）對於即時資料處理至關重要。
儲存：非易失性儲存，如NAND快閃記憶體，用於儲存韌體和資料。
整合快取：L1、L2甚至L3快取能夠顯著提升資料訪問速度，減少記憶體瓶頸。
記憶體控製器：高效的記憶體控製器設計，以支援DRAM、SRAM等不同類型的記憶體，提高資料吞吐量。

3. 圖形處理單元（GPU）：

對於需要複雜圖形處理的應用，如高級駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛，GPU的性能至關重要。
GPU整合：高性能圖形處理單元（GPU）用於處理圖形和圖像計算，支援高解析度顯示和複雜的圖形渲染任務。
多媒體處理：支援視訊編解碼器，加速影片播放和處理。

4. 外設介面：

支援各種通訊介面，如乙太網路、CAN、LIN、USB等，以連接車輛的各個系統。
高速介面：包括PCIe、USB、Ethernet等，用於高速資料傳輸。
無線通訊：整合Wi-Fi、Bluetooth和5G模組，滿足現代裝置的無線連接需求。

5. 安全性：

加密引擎、安全啟動、硬體安全模組（HSM）等安全特性，用於保護車輛免受駭客攻擊。
硬體安全模組（HSM）：整合安全單元，用於加密、認證等安全操作，保護資料隱私。
可信執行環境（TEE）：提供隔離的執行環境，確保敏感任務的安全執行。

6. 輸入/輸出（I/O）:

多樣化I/O介面：支援各種感測器、攝影機、螢幕和其他外圍裝置的連接。
高頻寬I/O：例如MIPI介面，用於高速攝影機資料傳輸。

7. 功耗：

低功耗設計對於電動汽車尤為重要，以延長電池壽命。典型的汽車級 SoC 需要在高負載下保持低功耗，以確保車輛長時間運行而不損害電池壽命。對於移動裝置和嵌入式系統，功耗是關鍵因素。SoC必須支援多種電源管理技術，如動態電壓和頻率調整（DVFS）和電源域控制，以延長電池壽命。
睡眠模式：支援深度睡眠和待機模式，以在非活動期間進一步降低功耗。

8. 可程式設計性:

FPGA整合：某些SoC整合可程式設計邏輯（如FPGA），允許使用者根據特定應用需求進行定製。

9. 工藝技術:

先進製程：採用先進的半導體工藝技術（如7nm、5nm），以提升性能和能效。

10. 封裝類型和引腳數：

封裝類型和引腳數影響其在汽車電子系統中的佈局和應用。常見的封裝類型包括 BGA（Ball Grid Array）、QFN（Quad Flat No Leads）、LGA（Land Grid Array）等，不同封裝類型適用於不同的應用場景和空間限制。

11. 環境適應性：

SoC 需要能夠適應汽車環境中可能遇到的振動、衝擊和電磁干擾。汽車內部的振動和溫度變化可能會影響 SoC 的性能和穩定性，因此汽車級 SoC 需要經過嚴格的環境適應性測試，以確保其在惡劣條件下的可靠性和穩定性。

12. 可靠性和壽命：

SoC 需要在長時間內穩定運行，並具有較長的使用壽命。汽車的使用壽命通常比其他電子裝置更長，因此汽車級 SoC 需要具有更高的可靠性和耐久性，能夠在嚴苛的工作環境中穩定運行數年甚至更長時間。為了確保可靠性和壽命，汽車級 SoC 需要經過嚴格的可靠性測試，並且通常具有更長的保修周期和更嚴格的質量控制標準。

13. 軟體和生態系統支援：

良好的軟體支援和開發工具對於快速開發和系統整合至關重要。

14. 認證和標準符合性：

SOC需要符合汽車行業的相關標準和認證，如ISO 26262（功能安全）。

這些評價指標對於汽車製造商來說至關重要，因為它們直接影響到汽車的性能、安全性和可靠性。

在選擇合適的SOC時，汽車製造商需要根據具體的應用需求和環境條件來權衡這些指標，以確保所選SOC能夠滿足項目的長期需求和預期目標。

下表詳細對比了一些主要SoC廠家的具體性能指標，包括處理器核心數和頻率、功耗、圖形處理能力、儲存器類型和頻寬、安全性功能、通訊介面等。

廠家簡介

高通 (Qualcomm)：美國領先的無線通訊技術公司，著名的Snapdragon系列SoC廣泛用於Android裝置。
蘋果 (Apple)：全球知名科技公司，自研A系列SoC用於iPhone、iPad等裝置，M系列SoC用於Mac電腦。
三星 (Samsung)：韓國電子巨頭，Exynos系列SoC用於其自有品牌的智能裝置。
華為 (HiSilicon)：中國領先的通訊裝置和智能裝置製造商，麒麟系列SoC廣泛用於華為和榮耀品牌的裝置。
聯發科 (MediaTek)：台灣晶片設計公司，Dimensity系列SoC廣泛應用於中高端智慧型手機。
英特爾 (Intel)：全球最大的半導體公司之一，主要生產用於電腦和伺服器的x86架構處理器。
輝達 (NVIDIA)：以GPU技術著稱，其Tegra SoC廣泛應用於遊戲裝置和自動駕駛系統。

#07

SOC 發展現狀

SoC市場分析顯示，到2024年，系統晶片（SoC）市場規模預計將達到1726.5億美元，並預計到2029年將增至2538億美元，年複合增長率為8.01%。SoC技術已成為現代技術的重要組成部分，它通過將電腦的所有元件整合到一顆晶片上，包括CPU、記憶體、輸入輸出連接埠和輔助儲存器，徹底改變了電子裝置的設計和製造方式。快速發展的技術如5G和6G、軟體定義車輛、數字醫療等，以及跨行業的創新，顯著推動了SoC快速進入消費市場。SoC長期以來已被廣泛應用於平板電腦和手機等電子裝置中，因為它們體積小且功耗低，現在越來越多地應用於物聯網裝置和其他裝置。

消費者對智能和節能裝置的需求不斷增加，以及對物聯網的指數級採用，預計將成為半導體市場的主要推動因素，推動SoC市場的增長。物聯網（IoT）的增長已成為日常生活的重要組成部分，企業正利用這項技術開發新產品和服務。SoC在推動柔性電子發展方面也將發揮關鍵作用，為可穿戴裝置和植入式裝置提供新的形態因素。

儘管技術的不斷髮展為關鍵參與者帶來了新機遇，但與SoC相關的高初期研發成本可能成為制約因素。由於SoC在各種產品中的定製需求不斷增加，參與者需要同時專注於各種研發項目，增加了項目成本。汽車行業向電動汽車轉型也加大了對晶片的需求。一輛典型的汽油發動機汽車使用約50至150個半導體晶片，而一輛電動車可能使用高達3000個半導體晶片，這將推動SoC在全球市場的發展。

SoC的應用在消費電子領域中不可或缺，有助於提高效率、降低能源消耗並減小體積。消費電子預計將在各種應用中對SoCs產生顯著需求，主要歸因於消費者可支配收入的增加和智慧型手機的普及。高端智慧型手機、智能音箱、平板電腦、可穿戴裝置等消費電子產品廣泛採用邊緣人工智慧（AI）晶片，預計對AI晶片技術的需求增加將推動市場擴張。此外，網際網路和智慧型手機使用者數量的增加，雲端運算和物聯網平台的廣泛利用，以及智能基礎設施中無線感測器的部署，都將促進市場增長。

全球智慧型手機行動網路訂閱總數接近64億，預計到2028年將超過77億，其中中國、印度和美國擁有最多智慧型手機行動網路訂閱。智慧型手機的平均銷售價格預計將上升，進一步加強市場。亞太地區預計將主導市場，得益於該地區目前主導全球半導體市場並得到政府政策的支援。中國、日本、台灣和韓國共佔全球半導體產量的約75%，而其他國家如越南、泰國、馬來西亞和新加坡也在該地區市場主導地位中發揮重要作用。

系統晶片（SoC）市場處於半集中狀態，主要參與者包括博通公司、英特爾公司、聯發科技股份有限公司、微芯科技股份有限公司和恩智浦半導體公司。市場上的關鍵參與者通過產品推出、協議和收購等策略擴大市場影響力。例如，GlobalFoundries和Microchip Technology推出了SST ESF3第三代嵌入式SuperFlash技術NVM解決方案，意法半導體推出了用於STM32 MCU和BLE SoCs的單片IC，聯發科技和台積電成功開發了使用台積電3納米技術的首個晶片，博通公司生產了Jericho3-AI晶片。

2023年，中國的汽車SOC（系統級晶片）行業正在經歷顯著的發展，特別是在智能汽車和新能源汽車領域的推動下。

以下是中國汽車SOC行業的一些關鍵發展現狀：

汽車電動化和智能化趨勢：汽車行業正在經歷電動化和智能化的革命，這改變了人與車之間的關係。智能汽車時代的發展重點是通過搭載先進感測器和人工智慧等技術，實現自動駕駛和人機互動功能。

SOC晶片市場快速增長：隨著自動駕駛功能複雜度的提高，對晶片的算力和效率需求增加，導致SOC晶片市場快速增長。輝達、高通等海外廠商在市場中佔據領導地位，而地平線、華為等國內廠商也備受關注。

國產化處理程序：中國汽車計算晶片SOC已部分實現國產化，但高端部分仍有待突破。地平線、華為等國產廠商的產品和平台的成熟完善以及主機廠自研趨勢，有望推動自動駕駛晶片國產化處理程序。
智能駕駛和自動駕駛的發展：AD/ADAS演算法的發展成為智能汽車競爭力的關鍵，各大主機廠正在加快組建軟體與演算法研發團隊。激光雷達等感測器的發展也推動了智能駕駛技術的發展。
行業市場規模：預計到2030年，全球汽車領域晶片市場規模約為1000億美金，相比2017年的375億美金市場同比增長190%。新能源汽車搭載晶片數量約為傳統燃油車的1.5倍，預計2028年單車半導體含量相比2021年翻一番。

綜上所述，中國的汽車SOC行業正處於快速發展階段，隨著技術的進步和市場需求的增長，未來發展潛力巨大。同時，面對國際競爭和市場挑戰，國內企業需要持續加強研發和技術創新。

#08

SoC晶片未來趨勢

汽車SoC（系統級晶片）的技術發展趨勢正隨著汽車行業的快速變革而不斷演進。這些趨勢反映了汽車行業對更高效、智能、安全電子系統的需求。

以下是汽車SoC晶片的主要技術發展趨勢：

1.高度整合化

多核心設計：未來的SoC將整合更多的處理核心，包括CPU、GPU、AI處理器等，以提供更強大的計算能力。從任務處理的角度來看，CPU的演變反映了計算需求的發展和硬體技術的進步。早期的CPU設計以單核心為主，採用序列單任務處理模式，這種設計在DOS作業系統時代是足夠的，那時對CPU的主要要求是儘可能地提高處理速度。隨著Windows等現代作業系統的出現，多工處理成為常態，這要求CPU能夠"一心多用"，即分時多工處理。這種模式下，雖然宏觀上CPU處理的任務數量增加了，但對單個任務而言，其處理速度可能會因資源分配給其他任務而變慢。為了提高CPU的任務處理能力和速度，多核心CPU應運而生。這種設計通過在單一晶片上整合多個CPU核心，實現了"多心多用"，顯著提升了平行處理能力，特別是在伺服器等對高並行處理有強烈需求的應用場景中。與此同時，提升CPU時脈頻率也是加快處理速度的傳統方法。無論是單核心還是多核心CPU，時脈頻率的提升都意味著處理速度的加快，這是衡量CPU性能的關鍵指標之一。然而，隨著CPU性能的不斷提升，功耗和散熱問題逐漸成為制約其發展的瓶頸。摩爾定律的推進使得CPU整合度提高，電晶體密度加大，但同時也導致功率密度急劇上升。CPU功耗的增加不僅帶來了散熱挑戰，而且限制了時脈頻率的進一步提升。例如，Intel的Pentium 4至尊版CPU和現代的Xeon W-3175伺服器CPU的高功耗就需要採用更為複雜的散熱系統。功耗問題的出現，促使CPU設計者尋找新的解決方案。多核心CPU和SoC（System on Chip）成為處理器晶片發展的新趨勢。多核心設計通過分散任務到不同的核心，有效降低了單個核心的功耗，同時提高了整體的處理能力。SoC則進一步整合了CPU、GPU、記憶體控製器、輸入輸出介面等多種功能模組，實現了更高的整合度和更低的功耗。這種整合化設計不僅最佳化了性能，也有助於解決散熱問題，使得CPU能夠在有限的功耗預算下實現更強大的功能。

總的來說，CPU的發展是一條不斷追求更高任務處理能力和更快處理速度的道路。從單核心到多核心，再到SoC的整合化設計，CPU的演變反映了計算需求的變化和技術進步的方向。儘管面臨功耗和散熱的挑戰，但通過持續的技術創新，CPU設計者們仍在不斷推動處理器性能的邊界。

整合特定功能：SoC可能整合更多特定功能，如5G通訊模組、先進的圖像處理單元等，以滿足複雜應用的需求。

2. 人工智慧與機器學習的整合

增強的AI處理能力：隨著自動駕駛技術的發展，SoC將整合更強大的AI處理器，以支援更複雜的機器學習演算法和深度學習任務。

即時資料處理：SoC將能夠即時處理和分析大量資料，支援高級的自動駕駛功能，如即時環境感知和決策制定。

3. 安全性增強

硬體級安全措施：為了應對日益增長的網路威脅，SoC將整合更先進的安全特性，如硬體加密、安全儲存和硬體安全模組。
安全認證：SoC可能包括安全認證機制，以確保軟體和資料的完整性和安全性。

4. 低功耗和高能效

能效最佳化：隨著電動汽車的普及，SoC將需要更高的能效比，以減少能耗，延長電動汽車的續航里程。

先進的製程技術：採用更先進的半導體製造工藝，如7納米或更小工藝，以降低功耗，提高性能。

5. 軟硬體協同設計

可程式設計性：SoC將提供更高的可程式設計性，允許通過軟體更新來加入新功能或改進現有功能。
軟硬體協同最佳化：通過軟硬體的協同設計，最佳化系統性能，提高資源利用效率。

6. 車聯網和通訊能力

支援多種通訊協議：SoC將支援多種通訊協議，包括5G、Wi-Fi6、車載乙太網路等，以實現車輛與外部環境的無縫連接。
增強的V2X通訊：支援車輛與車輛（V2V）、車輛與基礎設施（V2I）等通訊，以提升交通安全和效率。

7. 開放式平台和生態系統

標準化介面：SoC可能採用標準化介面，以支援跨不同供應商和平台的相容性。
支援第三方開發：提供開放的開發環境，支援第三方開發者建立和整合新的應用程式和服務。

這些技術發展趨勢表明，汽車SoC晶片將繼續在推動汽車行業創新中發揮關鍵作用，特別是在自動駕駛、電動化和車聯網等領域。隨著技術的不斷進步，我們可以期待汽車SoC晶片將帶來更安全、智能和高效的駕駛體驗。

#09

小結

SoC晶片作為現代電子系統中的核心元件，以其高度整合化的特點，將傳統電子系統中的多個功能模組如CPU、GPU、DSP、VPU、匯流排、SRAM、NVM以及各種外設介面整合於單一晶片之上，實現了多功能性與緊湊設計的完美結合。SoC的設計旨在提供高性能的同時最佳化功耗，通過多核心CPU和專用加速器提高處理效率，延長移動裝置的電池壽命。SoC的靈活性和定製性使其能夠滿足不同市場和產品需求，廣泛應用於智慧型手機、平板電腦、智能手錶、智能家居裝置、汽車電子、物聯網裝置等多個領域。隨著半導體製造技術的進步，SoC在提升整合度和性能的同時，也面臨熱管理、功耗最佳化、訊號完整性等設計挑戰。SoC的發展趨勢包括多核心處理器、異構計算、更高的整合度，以及對人工智慧和機器學習演算法的支援。全球供應鏈的變化，包括原材料供應、製造能力、市場需求的波動，對SoC的發展產生影響。安全性也是SoC設計的重要考慮因素，特別是在涉及關鍵應用的場合，需要整合防篡改和加密功能以保護資料。SoC晶片的發展和創新正推動著科技的進步，預示著未來電子裝置將擁有更高的性能、更低的功耗、更強的安全性和智能化水平。 (芯師爺)