SoC入门-1芯片研究框架（上）
原创 thatway1989 那路谈OS与SoC嵌入式软件 2024-09-09 18:04
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.pdf
1. 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SoC，SoC是什么？
片上系统SoC（System 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CPU；NPU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”。
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