SoC入门-1芯片研究框架（上）

一直想写点SoC相关的文章这东西跟代码还是有点距离作为软件程序员总感觉全是文字有点虚。但是深入底层的软件还是需要对硬件有一些了解真是有点头大不知从何写起又能从何处结束。不管那么多了先杀进去再说不一定成体系那就边拓展知识边界边完善。本篇作为开篇介绍点最基本的知识而且有含量的这里基金公司的研报就派上用场了可谓最专业的人写给比较外行投资人的人看的属于入门文档资料的典范毕竟投资者是拿真金白银来的。SoC最强入门入门即巅峰直接上干货《SOC芯片研究框架》https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202209091578190354_1.pdf?1662756207000.pdf1. SoC简介1.CPU应该大家都不陌生intel、AMD、ARM这些。但是实际的芯片里面却是使用的SoCSoC是什么片上系统SoCSystem on Chip即在一块芯片上集成一整个信息处理系统简单来说 SoC芯片是在中央处理器CPU的 基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路是智能设备的“大脑”。2.SoC的优势是什么随着半导体工艺的发展传统MCU已经不能完全满足智能终端的需求SoC应运而生凭借其性能强、功耗低、灵活度 高的特点使单芯片能够完成完整的电子系统。SoC在移动计算例如智能手机和平板电脑和边缘计算市场中非常普 遍。它们也常用于嵌入式系统如WiFi路由器和物联网。当前 SoC已成为功能最丰富的硬件集成了 CPU、GPU、RAM、ADC、DAC、Modem、高速DSP 等各个功能模块部分 SoC还集成了电源管理模块、各种外部设备的控制模块同时还需要考虑各总线的分布利用等。3.SoC的类型有哪些4.构造SoC的基本单元是什么IP核Intellectual Property Core即知识产权核在集成电路设计行业中指已验证、可重复利用、具有某种确定功 能的芯片设计模块。SoC是以IP模块为基础的设计技术IP是SoC应用的基础。IP 核可以划分为CPU、GPU、DSP、VPU、总线、接口等6个类别也可按软核、固核、硬核分类。5.芯片产业怎么分工单一厂商难以承担高额研发及制造费用。20世纪80年代台积电的成立不断引导半导体产业朝“Fabless设计 Foundry制造OSAT封测”分工方向发展。1990年IP龙头Arm诞生开创了IP核授权模式。Arm负责芯片 架构设计并将IP核授权给Fabless厂商。一方面能够简化设计流程、加快了设计速度降低设 计难度另一方面符合半导体分工发展的模式6.SoC的结构是怎样典型的SoC包括以下部分一个或多个处理器内核可以是MCU、MPU、数字信号处理器或专用指 令集处理器内核;存储器可以是RAM、ROM、EEPROM或闪存;用于提供时间脉冲信号的振荡器和锁相环电路;由计数器和计时器、电源电路组成的外设;不同标准的连线接口如USB、火线、以太网、通用异步收发;用于在数字信号和模拟信号之间转换的ADC/DAC;电压调理电路及稳压器。7.AMBA片上总线是什么在外设内部各组件通过芯片上的互联总线相互连接。ARM公司推出的 AMBA片上总线主要包括高性能系统总线AHB、通用系统总线ASB、外围互 联总线APB、可拓展接口AXI。AMBA规范主要包括了AHB (Advanced High-performance Bus) 高级高性能总线 ASB (Advanced System Bus) 高级系统总线 APB (Advanced Peripheral Bus) 高级外围总线 AXI (Advanced eXtensible Interface) 高级可拓展接口1、AHB主要是针对高效率、高频宽及快速系统模块所设计的总线它可以连接如微处理器、芯片上或芯片外的内存模块和DMA等高效率模块。2、ASB 总线适用于连接高性能的系统模块。它的读/写数据总线采用的是同一条双向数据总线可以在某些高速且不必要使用AHB 总线的场合作为系统总线可以支持处理器、片上存储器和片外处理器接口及与低功耗外部宏单元之间的连接。3、APB主要用在低速且低功率的外围可针对外围设备作功率消耗及复杂接口的最佳化。APB在AHB和低带宽的外围设备之间提供了通信的桥梁所以APB是AHB或ASB的二级拓展总线。4、AXI高速度、高带宽管道化互联单向通道只需要首地址读写并行支持乱序支持非对齐操作有效支持初始延迟较高的外设连线非常多。参考blog.csdn.net/qlexcel/art…MCU和SoC的区别是什么MCU一个MCU核 外围模块SoC多个A核 多个MCU核 外围模块9.SoC中CPU核及其指令集主要有那些及其优缺点指令集是CPU的一种设计模式分为精简指令集RISC和复杂指令集CISC两种。其中ARM、MIPS、Power、Alpha等均是基于RISC 架构X86则是基于CISC的架构。X86架构占据了服务器和桌面领域的垄断地位ARM架构占据了 嵌入式领域的绝大部分市场而MIPS、Power、RISC-V等也在相关特殊领域占有一定的市场份额。SoC处理器内核通常都使用ARM、RISC-V指令集架构因为在嵌 入式和移动计算市场中面积和功率通常受严格限制。10.ARM指令集进化过程及新加功能是什么ARM开发了ARM架构并授权其他公司使用并自主开发SoC当前ARM架构在移动端核心CPU占据绝对主导份额。从1985 年ARMv1架构诞生起到2021年ARM架构已发展到第九代。2021年正式推出的ARMv9指令集在兼容ARMv8的基础上 进一步提升处理器性能、安全性、矢量计算、机器学习和数字信号处理。基于ARMv9发开的处理器将在2022年正式商 用可能应用于下一代骁龙等SoC。11.ARM芯片的分类及应用领域Cortex-A面向高性能应用处理器内核如智能手机、平板电脑、 机顶盒、网络设备、服务器等。Cortex-R针对高性能实时应用场景如 汽车应用、消费电子等。Cortex-M系列主要面向嵌入式设备和IoT设备 对功耗和尺寸要求较高应用于微控制器、传感器、通信模组、智能 家居等。12.ARM的两种收费模式是什么ARM核心收费模式授权费license fee、版税royalty。ARM授权技术给芯片设计公司设计公司缴纳授权费生产芯片后发芯片给OEM终端客户并按芯片发货量缴纳版税给ARM终端厂商付费给芯片代工厂ARM也会为终端厂商提供技术和业务支持。这个收费正是发达国家用高端产业压榨不发达国家低端产业的典范正所谓落后就要挨打天下苦秦久矣。没办法有时候我们想买人家还不卖给我们你说气人不气人。任重道远啊。13.RISC-V的特点是什么AI、5G、边缘计算的发展对计算技术提出新的需求但绝大多数指令集架构都受到专利保护如x86、MIPS、Alpha遏制 了创新发展。先前的指令集架构较复杂且应用领域较单一且不便于对特定应用进行自定义扩展缺乏适用于多个领域 的统一架构。为此加州大学伯克利分校研究人员设计了新的指令集架构RISC-V并以BSD授权的方式开源。近两年RISC-V 架构大热生态也发展较快比较适合低功耗的应用场景其开源、精简、可修改等特点决定了RISC-V将在物联网时代拥 有巨大的发展前景未来很可能发展成为世界主流指令结构之一。免费就是我们的救星就像Linux一样。14.香山RiSC-V是什么香山是RISC-V联盟联合业界企业开发的开源高性能RISC-V处理器基于硬件设计语言Chisel支持RV64GC指令集运用支 持敏捷设计的流程工具开源协议选择木兰宽松版许可证MulanPSLv2于2020年6月11日在GitHub上建立代码仓库 其理念为代码开源、流程开放、文档公开满足了业界对高性能处理器的需求。香山第一版架构“雁栖湖”于2021年4 月完成代码计划7月基于28nm流片未来目标性能和ARM Cortex-A76齐平。第二版架构“南湖”计划2021年年底基于 14nm流片。15.SoC的未来发展趋势有哪些高端SoC不断追求算力提升SoC的发展是性能、算力、功耗、工艺难度几方面的平衡。当前AI成为各大SoC厂商的必争之地同时对算法提出更高要求在功耗受限的场景下实现AI算法成为关键算力效率单位算力的成本和功耗极为重要。以苹果A14SoC为例A14使用5nm工艺和A13相比CPU性能提升16%GPU提升10%左右AI加速器Neural Engine的性能提升则接近100%。未来应用于手机、平板、服务器等高端SoC将继续朝高性能发展。2. SoC产业16.SoC产业链介绍上游做IP核设计及工具中游做SoC芯片下游做产品可见上游最高端收保护费就可以了。越往下游只是人口和市场在支撑。17.全球核心IP核及EDA厂商有哪些上游设计工具行业集中度较高当前全球核心IP 主要由 ARM、Synopsys、Cadence 提供合计占比近 65% 全球 EDA 产业主要由Cadence、Synopsys 和西门子旗下的 Mentor Graphics 垄断三大 EDA 企业占全球市场的份额超过 60%上游厂商议价能力较强。可见IP核供应厂商国内很少只有一个芯原跻身全球前十但是份额也很少2%。国内集成电路设计企业所需的IP核大多来自境外供应商每年进口金额10亿美元以上占全球市场的1/3左右。形势非常严峻妥妥的被割韭菜。18.EDA工具有哪些分类19.全球晶圆代工厂有哪些晶圆制造环节作为半导体产业链中至关重要的工序制造工艺高低直接影响半导体产业先进程度。在全球前十大代工厂商中台积电一家占据了超过一半的市场份额前八家市场份额接近90%20.芯片封测是什么有技术含量么封测技术是半导体产业中至关重要的环节它涉及芯片封装和测试两个方面。封装是将芯片封装在细小的封装体中以保护芯片免受外界环境的影响测试则是对封装后的芯片进行功能性和可靠性检测确保其性能达标。从技术含量角度看封测技术确实具有一定的复杂性。它涉及材料科学、微电子学、机械工程等多个领域要求研发人员具备丰富的知识储备和实践经验。然而与芯片设计、制造等环节相比封测技术的技术含量相对较低。这主要体现在其研发周期相对较短技术门槛相对较低。因此虽然封测技术在半导体产业中占据重要地位但其技术含金量并非想象中那么高。所以苦活累活我们先干起来。产业链下游芯片封测是最先能实现国产自主可控的领域。大陆地区半导体产业在封测行业影响力强市场占有率优秀龙头企业长电科技/华天科技/晶方科技等市场规模不断提升先进封装技术水平和海外龙头企业基本同步BGA、WLP、SiP等先进封装技术均能顺利量产。21.芯片的类型和应用领域有那些22.AI芯片的发展如何人工智能AI是计算机学科的重要分支主要分为语音和视觉识别、自然语言处理以及深度学习等几大研究方向。21世纪以来AI的产业化被应用于金融、教育、医疗、交通、汽车、制造、娱乐等各个行业。AI芯片是智能终端的硬件 基础各类应用场景丰富多样在智能手机、智能音频、电子汽车、智能安防等方面提供硬件支持不同应用市场下 竞争格局分散。23.AI芯片的分类有哪些AI芯片也称为AI加速器负责运行AI算法、处理AI应用中的计算任务。AI芯片按照应用端可分为云端服务器端芯片终端移动 端芯片按照功能可分为训练Training芯片推断 Inference芯片按照技术架构可分为通用芯片GPU半定 制化芯片FPGA全定制化芯片ASIC。未来的AISoC将形成以CPU为控制中心GPU、FPGA、ASIC作为 专用AI加速模块的格局。GPU、FPGA、ASIC在AI芯片中有不同的适用场景GPU主要处理图像领域运算加速和复杂的通用性AI平台FPGA常用于深度学习算法中的推断阶段ASIC满足场景某一特殊场景的特殊定制谷歌母公司Alphabet的 TPU、寒武纪的 NPU、地平线的 BPU、Movidius的VPU等都属于ASIC芯片。24.NPU是什么主要用在哪里随着机器学习ML、人工神经网络和机器视觉在AI领域的不断发展AI加速器对CPU的补充能够处理海量数据满 足目标检测、人脸识别、语音助手等AI应用对高算力的需求异构计算变得愈发重要。CPU更擅长逻辑控制算力较弱相比之下GPU计算单元ALU占比较大算力远大于CPUNPU是嵌入式神经网 络处理器拥有更强算力和更低功耗当前各类AI算法主要利用深度神经网络等算法模拟人类神经元和突触作为AI SoC中处理AI算法的核心NPU应用于智能识别、预测规划、智能控制等功能领域。25.ARM在AI芯片的布局如何ARM AI平台为ML提供了完整的异构计算平台包括ARM Cortex CPU、Mali GPU和Ethos NPU。其中Ethos系列NPU包括EthosN78/77/57/37、Ethos-U65/55。Ethos-N可以作为独立IP集成在SoC中Ethos-U配合配套的 Cortex-MCPU。2020年ARM发布了ARM Cortex-M55处理器其AI性能能够应用于自动检测、对象检测Cortex-M55和ARM Ethos-U55组合 使用能大幅提高推理性能及电源效率满足手势检测、生物和语音识别对AI性能的要求而Cortex-A CPU、Mali GPU、 Ethos-N NPU组合亦可满足更先进的对象分类、实时识别AI应用需求。篇幅有限分成上下两篇。后记为了增加阅读趣味性本文以问答的方式进行。有时候能问出来一个好问题非常的重要如今的信息发达社会有了问题很快就能寻求解决就是怕****不知道该问什么问题。这点非常的可怕笔者最近也深有体会比如在公司里面如果不是应届生社招来的也不会给你安排一个师傅系统的教你如果领导也不指导你如果只吃技术的老本那很快估计会被淘汰掉。没人有义务去教你浪费时间或者不是自己的人不能碰而且教会你了你可能抢了别人的饭碗也没教你的动力而且教你的东西真的有用吗怕教给你些没用的或者错的你还骂的。另外在高手眼里当年他就是自学成才的如果直接教给你缺少了自学的过程那对你反而有害你都没有自己的思考和学习和犯错过程了自然理解的不透彻。总之没人管你。如何破局我发现你如果私下或者群里问一个问题不愿教你的人也会去回答这个问题此所谓漏能的本性啊如果不回答你问题那不显的他不专业了。所以能提出的问题基本都有解答但是各种原因就是没人手把手的系统教你想进步就必须学会思考问出你想知道的问题。另一方面解决系统性学习的问题就需要寻找技术领域内的一两本权威书籍或教学视频进行系统学习。回归正题本SoC系列虽然是入门但是相信不会让你失望后续持续更新一起来学起来。“啥都懂一点啥都不精通干啥都能干干啥啥不是专业入门劝退堪称程序员杂家”。欢迎各位有自己公众号的留言申请转载纯干货持续更新欢迎分享给朋友、点赞、收藏、在看、划线和评论交流公众号“那路谈OS与SoC嵌入式软件”欢迎关注个人文章汇总https://thatway1989.github.io