面向航天的SoC技术及其应用

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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。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，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提供了一个统一、便捷的工作平台，大幅度提高了项目组成员间沟通的效率。提高了SoC设计生产率。1．2．2多系统SoC(MultipleSystemo／1Chip。MSoCl技术MSoC通过对集成多种功能的单独芯片进行组装．构成芯片级协同工作的综合电子处理系统。MSoC具有良好的工艺兼容性．能够将CMOS工艺、双极工艺技术、BiCMOS工艺、MEMS工艺等多种工艺的产品集成在一起。芯片级组装能够有效节省功能模块之间的连线长度．减轻系统重量。MSoC的设计和制造是一个一体化集成与创新设计过程．通过MSoC技术可以实现光机电等多领域技术的融合。1．2．33D组装技术3D集成是指将多层平面器件堆叠起来．并通过穿透硅的Z方向通孔实现互连的系统级集成方案。3D集成能够在减少芯片面积的同时缓解互连延迟问题．能够使逻辑电路的性能大大提高。1．2．4抗辐照加固技术辐射效应是空间环境的突出问题．因此抗辐照加固是航天SoC必须解决的核心问题。未来抗辐照加固技术将加强错误检测与纠正(EDAC)编码理论的研究．提供检查／纠正多位错的方法；加强多模冗余方法研究．提供智能判决能力；加《航天标准qE}2011年第1期一zlIov分口∞TIb卫- 强工岂材料及垃计加吲扰辐射效应研究增强电路抗辐照醴计能力2SoC技术在国外航天领域的应用芰困I目防先进研究计划局(Dc咕n*AdvancedRese州'hProjectsAgencyDARPA)“为把更复杂的系统赦缩在芯片上．实现微电子光电子和微机电系统(MEMS)的集成，将太幅度提高同防能力。据此．SaC技术J|泛应用在1日外航天电f系统领域．美法等航太大国太量采ⅢSaC技术解决r航天麻用系统的小犁他高性能高可靠等问牙缩短了应州系统的研制周期，NASA在x一2000计划中根据航天仟务需要研制rSaCRAD6000宴觋丁包括电静管珲、通信模块侍感器模块CPU以致存特器等功能的肇成不仅实现了微小型化同时也大幅度降低了蓖量、降低了功耗提高丁性能以RAD6000为核心处理器的币板计算机如图4所尔圄匡到圉4“RAD6000为植☆处理器的单板计算机美国Aemtlex公司为NASA开发的Ⅱ星遥测％挖制系统(+hI⋯try＆Co⋯andnit)通址SaC拄术，将以祉由4十电路扳和个背板组成的“多板黑盒子”．集成为一个芯片系统重量由32009变成了】8E功耗由9W变成了3w，分别降低r99％和667％时时．组件之间t4能的戋教点H{I2处缩减至1处Aemnes开发的SaC及与埠机箱对比如罔S所示睡国TIMA(Techniqu⋯fIJ1m唧aticsandMicwe]ecttonicsfo⋯omnul⋯Arh】t“tum)其验《航支标准化≯2011年第1期堑宜蓝i堂snt毽萎及爱亘＆-疆鸯邕兰室设计册集射频器件光纤产品MEMS传感器、放太器等为SaC，如刚6所示9W／32'0393Wt3h吾SA⋯wfi开发的SaC厦与厚机箱对：E3SoC技术在国内航天领域的应用旧内多家科研单付已撵扦展r引对舡大墟川的Sac技求研究l。作研究t璺内容包括航天专帽『P设计系统脯用骑lf和口f靠性评什航五分用II，让汁丰耍研制迂台舭灭血Ⅲ的 IP模块，包括SPARC处理器、1553B总线控制器、SPACEWIRE总线控制器等。通过对这些模块设计任务的深入分析．明确每个部分的功能和设计要求。在实现基本功能的基础上．增加纠错和冗余机制。提升IP可靠性。系统应用验证主要确认航天专用IP的设计是否满足型号任务要求。通常首先采用随机激励生成的方式，通过覆盖率分析，验证IP自身的功能。之后使用可编程逻辑器件将IP应用于原型系统中。以实际工作检验功能。可靠性评估主要针对SoC对于空间应用环境的适应性。特别是抗辐照性能。通常抗辐照性能采用地面辐射源模拟空间环境的方式进行．使用不同的辐射源可以模拟不同轨道的辐射特性．进而取得SoC的抗辐照特性．以SoC技术研究为基础．已研制出多款面向航天应用的具有自主知识产权的SoC产品。目前．我所已成功研制了两款产品：抗辐照空间处理器和飞行器测控SoC。它们兼容SPARCV8指令集。集成了整数处理单元。浮点处理单元，独立的指令cache和数据cache．硬件乘法器和除法器。抗辐照空间处理器具有PCI接口，性能与欧洲下一代空间处理器相当；飞行器测控SoC集成多路A／D、模拟开关、1553B总线控制器等多种功能。飞行器测控系统采用了SoC技术后，重量和功耗得到大幅度降低．同时极大提升了系统的功能密度和可靠性。4建议为满足未来航天型号电子系统的高可靠、高性能、小型化、低功耗等需求，应继续深入开展SoC技术的研究工作。4．1建立面向航天应用的开放式SoG技术平台开放式SoC平台向航天系统和整机用户提供嵌入式系统框架设计的软件操作界面，用户直接从平台中选择符合要求的IP模型，搭建满足系统用户要求的SoC。通过虚拟原型系统进行SoC结构探索和用户软件开发，通过软硬件协同设计的方法．缩短整个系统的研制周期。4．2进一步提升$oG性能开展新型高性能处理器、多核处理器研制工一38一厦应虚差虚鱼￡盛苤厦差座厦：厦凄凄差作．大幅度提升处理性能，满足不同用户对性能的需求：进一步丰富外围IP的种类，使之基本覆盖航天应用的常规接口IP：进一步研究抗辐射技术．提高抗总剂量、抗单粒子和抗闩锁的能力。4．3提高可配置能力通过对可重构技术和可编程逻辑集成技术的研究．在缩小电子系统体积的同时，提高SoC技术的应用灵活性．使用户可以方便地实现硬件系统的二次开发．能够提高整个系统的性能，缩短系统的研制周期。提升系统的功能密度，满足未来武器型号小型化、智能化的要求。SoC充分利用已有的设计积累．采用可重用的设计方法。显著提高了集成电路的设计能力，对计算机应用技术的发展产生了深远的影响。从上世纪90年代起．SoC技术成为提高集成电路功能集成度、提升处理性能、降低功耗的新的集成电路设计技术。近年来，国内航天型号单位与芯片研制单位共同开展SoC技术研究．积极探索SoC技术在航天型号中的应用．成功研制出多款满足航天任务需求的SoC产品。可以预见，soC技术将在我国未来的航天任务中发挥越来越重要的作用。参考文献1兰利东。范隆，于立新．基于SPARCV8抗辐射处理器设计与验证．第六届航天器抗辐射加固技术学术交流会议论文集。2009—1l：294—302．2BergJean—Michel，LeviaOz，RouillardJacques．Hardware／Softwareco-designandco—verification．Boston：KluwerAcademicPublish—er$，1997．3张志敏．SoC分类及其技术发展趋势．信息技术快报，2005，3(4)．4ITRS2009WinterConference．DesignSD—Dec2009一TW—Conf—finalFINAL．pdf．5冯鑫．郭炜．基于ESL的MEPG一4解码SoC软硬件协同设计．计算机仿真，2007(10)：257—260．《航天标准化》20l1年第1期