SoC加速来袭

SoC，System on Chip，也即片上系统。SoC在目前的大数据时代也将迎来新一轮爆发性增长。SoC在很多领域都有应用，包括物联网、工业制造、交通和商业等等。而如今的SoC也将突破原有的“片上系统”的范畴，将成为越来越智能的微小系统，并涵盖CPU、IP核、存储器等在内的一系列模块。另一方面，这两年ARM与X86之间的争斗愈演愈烈。以Intel为首的X86阵营渗透移动终端，蚕食ARM市场份额；而不甘寂寞的ARM也向企业级领域进军，意欲分得一杯羹。

SoC是什么

SoC是信息系统核心的芯片集成，它将系统上最为关键的部件集成在一块芯片上。从广义角度来说的话，它是一个微小型系统，包括微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)等部件。这种SoC通常具有鲜明的行业应用特征，以具体的客户需求为主导并设计开发。SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术、超深亚微米电路实现技术等。

SoC的应用十分广泛。最为常见的当属我们日常生活中使用的智能手机。比如苹果A4处理器就是基于ARM处理器架构的SoC，它集成基于45纳米制程的一颗ARM Cortex-A8处理器内核以及一颗PowerVR SGX 535图形处理内核。A4采用堆叠封装技术PoP（Package on Package），内部包括处理器核心和内存部件。

A4处理器SOC片上系统

SoC片上系统应用广泛

另外，便携式无人飞机也有这种SoC。比如内置ARM9 CPU, Linux操作系统, 通过WWAN管理开放的Linux内核控制重力感应装置、陀螺仪、机械控制芯片协同工作。从这里我们不难看出，SoC嫣然就是一个微小型计算机系统，涵盖了软硬件和各个部件，从而形成无人机的“大脑”。

SoC之ARM

在嵌入式领域，基于ARM架构的处理器颇受关注。在PowerPC、RISC、MIPS和SPARC等众多处理器市场领域，采用ARM处理器作为实际标准的SoC嵌入式应用十分丰富，包括从标准产品到软核ARM IP，直至在可编程逻辑和ASIC中实现的硬核IP等。

ARM架构SoC的影响力（来源：EE times Group）

ARM微处理器因其卓越的低功耗、高性能在嵌入式应用中位居世界第一。今年年初，为通信和多媒体产业开发片上系统和基于ARM和ARM指令集兼容应用程序处理器的高通公司，开始着手致力于“针对功耗优化服务器市场的高通新型ARMv8基于服务器的SoC ASIC的架构/系统设计”。ARMv8是面向服务器级别的ARM64位架构，具有ECC、能够满足常见企业应用程序的高扩展和高性能。

ARM Cortex-A57（来源：高通）

与该ARMv8兼容的内核，包括专为低功耗使用的Cortex-A53和对性能要求较高而设计的Cortex-A57。高通也是第八家基于ARM服务器开发SoC片上系统的公司，其他还包括AMD、Applied Micro、Cavium、Calxeda、Marvell、Nvidia和三星。预计首个64位架构的ARMv8芯片将在2014年推出。

ARM Cortex-A53（来源：高通）

今年4月，AMD面向全球推出了全新一代嵌入式G系列处理器。AMD全新的嵌入式处理器，将原有的APU产品进行了全面升级。AMD的嵌入式处理器源于APU，此前AMD成功的尝试了将CPU与GPU进行融合，产生了当时的高性能高集成度处理器APU，在行业内引起广泛关注。除了我们熟悉的PC领域的APU，当时AMD还推出了嵌入式G系列APU。在嵌入式领域，嵌入式G系列APU除了性能优势之外，还能够应对复杂的作业环境，应用领域变得更加广泛。

AMD的SoC片上系统

不过嵌入式G系列APU的使用依然要依赖于芯片组支持，其解决方案依然需要双芯片，即APU处理器以及南桥芯片。后来AMD通过努力进一步提高了芯片的集成度，将CPU、GPU和南桥芯片整合到了一起，这样嵌入式G系列APU就进化成为了当今的嵌入式G系列SoC芯片。

在应用领域方面，由于G系列嵌入式SoC一个芯片就已经具备了整个硬件平台的全部功能，因此可以被广泛使用在数字标牌、瘦客户机、工程控制、游戏机等领域，有效降低系统开发的难度，同时为对应的平台提供优异的硬件性能。软件部分，AMD联合了众多合作伙伴，基于OpenCL的开发环境对于SoC开发人员来说驾轻就熟，在对操作系统的支持上，除了专用的控制系统以及传统的X86系统之外，目前还有一些组织把类似Android这样的开放系统也移植到了这套硬件平台上面，因此嵌入式G系列SoC也已经可以支持一些Android系统的应用。

基于ARM架构的SoC

在2011年，Calxeda推出了首款产品EnergyCore处理器，并通过与惠普合作，推出了基于该SoC的服务器。

集成有4个Cortex-A9的四核构成SoC，芯片上配备了4MB二级缓存、连接内核与芯片间的交叉开关“EnergyCore Fabric”，以及DDR3、SATA和PCI Express2.0等接口。在基于这种SoC的Calxeda服务器节点上，满负载（包括内存、磁盘等子系统的所有能耗） 情况下，其功耗仅为5瓦，而在闲置状态下功耗仅为0.5瓦。相比传统意义上的服务器，其能耗可降低90%，同时也可以节约90%以上的空间，由此而带来的则是多达50%以上的成本节约。

EnergyCore架构一览（来源：Calxeda）

通过Fabric可集成数千个服务器节点，从而在满足低功耗、高能效的基础上避免性能上的短板。高带宽Fabric可提供良好的节点互通、I/O、磁盘和网络数据吞吐速率。它最高支持5个通道，可在每通道1GB和10GB之间动态调整，延迟时间低于200ns（纳秒）。通过集群级别的能耗和系统优化，还可提供良好的管理应用体验。支持SoC能耗管理自动化、Fabric路径和能耗自动优化，而且也支持业界标准的系统管理接口IPMI、DCMI等。

四路Calxeda EnergyCore系统板卡

Calxeda产品路线图

其下一代基于ARM的SoC代号为“Midway”，它基于台积电28nm工艺设计的ARM Cortex-A15芯片。这种28nm的Cortex-A15芯片提供了50%的单线程整数性能提升，而与此相关功耗仅有少量增加，而且还支持16GB内存。

SoC之X86

英特尔x86平台向来以标准化著称，在前段时间举行的Intel DataCenter Day上，其披露的产品路线图也提及了SoC处理器。Intel新的嵌入式处理器与2014年同期发布的新Xeon、新ATOM一样采用代号为“Broadwell”的内核，采用14nm工艺制造。它除了具备Broadwell处理器的所有特性之外，还整合一个图形芯片以及一套I/O控制系统。

英特尔中国区总裁杨叙曾经表示，目前市场上主流的酷睿i3、i5、i7架构是最后一代通用型架构，以后英特尔将会全面转向SoC。即将推出的代号为“Silvermont”将基于Atom设计，它将采用四核的ValleyView核心，并将进一步整合GPU，支持四个 “Gen 7″处理单元，每个单元有512 KB L2 cache，支持 VC1/WMV9, MPEG1, MPEG2, MPEG4、H.264,  MPEG2, H.264和VP8的解码。ilvermont微架构摒弃了过去的做法，采用乱序执行体系，在不牺牲性能的基础上同时确保低功耗。

Silvermont微架构新特性

在移动设备领域，由于采用的架构和工艺不同，移动端的芯片往往都是“开足马力”、“油门踩到底”的全速运行，直到设备死机、重启，然后周而复始。对此，英特尔此次推出的Silvermont架构将从根本上改变这种现状，在设备出现这些问题之前就通过智能调节主频来避免问题的发生。

SoC片上系统的电能可以在内核和晶圆上的其他IP（Intellectual Property）之间共享，当然也包括第三方的IP。下面的图片展示了内核可共用电源，内核也可以从GPU临时调用，也就说内核可以动态随需扩展性能。这种设计理念来自睿频加速，但采取的算法和执行机制并不相同。

不同电能状态下的内核、IP模块工作机制示意图

由于Atom是SoC（并不是单个处理器），英特尔可以充分利用多个版本的22nm新品来最大化提升性能、提高计算密度。因此，英特尔芯片优势、架构优势和系统优化会带来功耗的控制问题。也就是英特尔提出的“宽动态”运行。

SoC或与CPU争夺未来市场统领

根据IDC的数据分析，在未来一段时间，PC市场的增长趋于平缓，而嵌入式系统的市场将会有爆发式的增长，这种爆发式增长将为企业带来非常多的发展机会，同时嵌入式用户对于SoC的性能需求也越来越高。

现在是一个智能化的时代、是移动互联的时代、是软硬件结合的时代，企业间需要紧密合作、加强资源整合以加快业务转型来积极应对智能化时代带来的挑战、把握好将来的发展方向。传统的通用型处理器在未来日趋细化的行业应用和市场领域，不能完全体现出其现有的优势出来。

AMD G系列SoC

现在的市场证明，一种体系结构(ISA)无法满足所有应用需求，各种“卸载引擎(off-load engine)”已成为和CPU一样重要的处理器，未来将由异构SoC主导，每个关键功能的处理器都可对编程性、面积和功耗进行优化。SoC更直接的影响着最终产品的功能特性和用户体验，它决定着产品的行业属性和发展方向。

英特尔Atom S1200系列数据中心级SoC特性

由于SoC芯片的高集成度以及较短的布线，它的功耗也相对低的多。SoC将多芯片都集成到一起，不需要单独的配置更多芯片，这样更能够有效的降低生产成本，因此使用SoC方案成本更低。

目前，各大芯片厂商都推出或者提出未来SoC的发展路线图，更直接透露出SoC强劲的发展势头。不过，在企业级的服务器（微服务器有部分市场将采用SoC）和HPC等领域，SoC并不是最好的选择，但SoC会在整个计算设备中挤占传统的CPU市场，比如移动端（手机、平板、传感器等等）和低端服务器、存储等设备。