面向航天的SoC技术及其应用

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1、圈向蕊暴翰零◇：9熬零慰鹳画翩周洛洋-t主斩彭和平赵老宝(航天科技集团公司九院772所，北京，100076)文摘：分析SoC高度密集的功能集成和专用性与可编程性相结合的发展趋势以及SoC未来的关键技术，介绍SoC技术在国内外航天领域的应用，并对我国继续开展SoC技术研究提出建议。关键词：SoC；电子系统；航天元器件。SoC(SystemonChip．片上系统)技术是上世纪90年代兴起的一种新的集成电路设计技术．是技术推动与需求牵引的产物，它将CPU、DSP、存储器、射频电路、模拟电路、传感器甚至微机电系统(MEMS)等集成在单一芯片上．以实现

2、一个完整系统功能。SoC技术可显著提高电路功能集成度，提高性能和可靠性、降低功耗．因而成为推动航天型号综合电子系统微型化、高可靠、高性能、轻重量、低功耗的有效方法。近年来，国外军用SoC技术发展迅速，并向光机电一体化和3D集成方向发展。国内多个单位也开展了SoC技术研究．成功研制出了多款面向航天应用的SoC产品．有效降低了航天型号电子系统的体积和功耗，提高了型号的可靠性。1SoC的发展趋势及其关键技术1．1发展趋势基础算法和新的体系结构支撑起了SoC技术。对于算法而言，是优化其性能的基础，也是构建系统的理论基础：SoC体系结构是多种学科门类。

3、如电子学、微纳机电系统、光子学的综合，学科之间的联系非常紧密。如利用射频电路理论来构建MEMS滤波器等。对于SoC这个能容纳和集成多种技术于一体的新体系结构而言．交《航天标准化》2011年第1期叉学科是其创新的来源。面向航天应用领域．SoC技术随着目标应用的丰富而不断提高，在保证航天要求的高可靠前提下．其发展日新月异。1．1．1高度密集的功能集成随着微电子制造工艺的不断增强．工艺水平发展到32nm．集成能力得到空前提高．高度集成的高性能处理器核和丰富的功能IP使得单位面积上的功能密度大幅度提升。高性能处理器核的工作频率从百兆赫兹水平提升到吉赫

4、兹水平。同时．多核集成和核间互联技术逐步提高．SoC内部集成的处理器核心从一个变为多个。多个处理器核心可以是同类型的，比如集成8个兼容SPARCV9核的OpenSparc：也可以是不同类型的．比如用于移动终端的OMAP平台．集成了两个RISC和一个DSP。单位时间内执行指令的数量通过多核集成得到显著提高。图l、图2描述了近十年SoC工作频率和集成处理器核数量的趋势。根据ITRS2009WinterConference的预测．到2021年，SoC的工作频率将以每年7．7％的增长率增长到14GHz．处理器核数量从5个增长到30个。2013年前的平

5、均增长率约是18．9％．2014年之后增长率会变缓．约为12．2％。一35—唾屯20喜1105§5Z02009201l20132015201720192021ye盯图1SoC工作频率的增长趋势2009201120132015201720192021ye8‘图2SoC核数量的增长趋势SoC芯片上集成的IP种类逐渐丰富．除了保持USB控制器、以太网控制器、存储器控制、PCI控制器等大量通用接121的外．导航解算模块、梯形图结算模块、专用IP也将进一步集成进SoC内部．与处理器核提供的计算／控制能力紧密结合，向用户提供高度密集的功能集成。1．1．2

6、专用性与可编程性结合SoC技术解决了电子系统小型化、智能化和高可靠的问题。但由于系统用户需求多种多样．很难用一款SoC满足不同用户的需求。实际应用中．用户经常同时使用SoC和FPGA共同实现系统功能。因此。将FPGA与SoC融合．集成AD、存储器、功能IP，实现可编程片上系统SoPC(System⋯OilaProgrammable—Chip)。在提高系统的运算能力同时．也使j芷：片具有灵活的使用方式和扩展能力，具备可裁剪、可扩充、可升级的在线编程功能。使专用性和灵活性得到充分融合。集成SPARCV8处理器和FPGA的SoPC如图3所示。图3集

7、成SPARCV8处理器和FPGA的SoPC一36一厦应虚差虚鱼互瑾苤厦左厘厦：复蕴崖差1．2未来SoC的关键技术1．2．1电子系统级设计技术电子系统级(ElectronicSystemLevel，ESL)设计是一种以取得系统整体性能最佳为目标的SoC设计方法学。这种方法强调设计重用、设计系统结构以及软硬件功能的合理划分．找到真正影响系统性能的因素并加以排除。随着芯片系统规模的不断扩大．ESL逐渐在设计中起了至关重要的作用．ESL设计一般把功能抽象为事务来描述SoC系统．给软硬件工程师提供运行速度足够快的虚拟原型平台。虚拟原型上可以执行软件程序

8、，能够分析软硬件性能．为软硬件划分提供重要依据。’ESL设计技术从系统整体设计的角度出发．以模块间传递的事务为基本单元．快速进行SoC设计．为软件工程师和硬件工程师