系统级芯片（System on Chip，简称SoC），也称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

SoC下游应用领域众多，主要集中在消费电子和汽车电子等。

SOC芯片可应用于智能车载领域，截至2024年8月主要包括行车记录仪、CMS、DMS、双预警部标机等。“硬件预埋+OTA升级”是驱动自动驾驶SOC增长的核心因素，ADAS/AD、座舱智能化驱动汽车SOC市场量价提升。

随着5G、人工智能等技术的不断发展，手机SoC的应用场景也越来越广泛。例如，在自动驾驶和智能辅助车辆等应用中，边缘计算和机器学习的结合显著提高了运营效率。同时，SoC中增强的连接功能（包括5G和Wi-Fi 6技术）可以满足超连接世界的需求。系统级芯片完整集成了CPU、GPU、通信等模块的手机主芯片。2025年5月15日，雷军官宣：小米自主研发设计的手机 SoC 芯片，名字叫玄戒 O1，即将在5月下旬发布。

2014年8月21日《新闻联播》报道：“中国本土企业创维联合海思自主研发的智能电视SOC芯片研制成功并首次实现量产。搭载这款芯片的创维GLED新品的系统速度、解码能力等智能电视核心性能居行业领先水平。”同时，创维此“智能电视SOC芯片研发及产业化”项目已经申报“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”国家科技重大专项(简称“核高基重大专项”)课题，创维将与海思在芯片定义、芯片验证、芯片的整机研发和产业化等核心领域展开深度合作。首批搭载此芯片的创维G8200系列新品4000台已于2014年8月20日上市。

公司影像类SoC芯片主要应用于消费类无人机、工业内窥镜和智能娱乐终端等。

声音检测设备的片上系统是在单个芯片上为所有用户提供包括音频接收端、模数转换器(ADC)、微处理器、必要的存储器以及输入输出逻辑控制等设备。

2012年10月14日成功发射了实践九号A、B卫星上卫星控制计算机。其中实践9B卫星控制计算机的核心是中国首枚应用于航天的片上系统芯片SoC2008，由中国航天科技集团公司五院502所自主研制，具有完全自主知识产权。这标志着中国已经全面突破和掌握了SoC系统级设计、抗辐射加固设计、容错设计、高可靠实时操作系统设计以及验证等关键技术。502所研制的SoC2008是一款面向航天电子系统应用的高性能、低功耗的抗辐射加固的片上系统芯片，它可满足各类星载电子系统的应用需求。

高通公司是全球领先的无线通信技术提供商，其骁龙系列SoC在手机市场上占据重要地位。2007年11月，高通推出了Snapdragon处理器（2012年将其中文名称定为“骁龙”）。2013年，高通为骁龙处理器引入全新命名方式和层级，包括骁龙800系列、600系列、400系列和200系列处理器。骁龙8系列是高通的旗舰soc系列，如骁龙8 Gen2、骁龙8 Gen3、骁龙8Elite等。自2016年以后，高通在芯片制程和价格方面不断迭代升级，2024年的骁龙8 Gen 4更是一次飞跃。这款芯片将在台积电的3nm工艺基础上，搭载高通自研的Oryon CPU，预期性能有显著提升。与联发科天玑9400不同，骁龙8 Gen 4将彻底放弃ARM架构，全面转向高通自研的Oryon架构。加上GPU、NPU、ISP，基带，高通至此拥有了完整的Soc自研能力。

苹果公司是全球知名的科技巨头，其自研的A系列SoC在手机市场上具有极高的声誉，如A16、A17 Pro等。这些SoC专为iPhone设计，集成了高性能CPU、GPU以及神经网络引擎。

发科技股份有限公司（MediaTek Inc.）是全球第四大无晶圆厂半导体公司，在移动终端、智能家居应用、无线连接技术及物联网产品等市场位居领先地位，一年约有20亿台内建MediaTek芯片的终端产品在全球各地上市，其天玑系列SoC在市场上受到广泛关注。2025年12月，联发科宣布与日本汽车零部件供应商电装(DENSO)展开深度合作，共同开发面向ADAS先进辅助驾驶系统与智能座舱的定制车用SoC。

三星在自研SoC方面投入巨大，但后来其Exynos系列SoC在市场上的表现并不突出，甚至一度被传出将放弃自研旗舰SoC的消息。2024年7月，有消息称，三星正研发Exynos 1580芯片，内部代号为“Santa”，会装备在2025年发布的Galaxy A56手机中。

华为是通信设备供应商和智能手机制造商，其麒麟系列SoC曾一度成为华为手机的标志性配置。华为麒麟系列SoC的进展面临一些挑战。

系统级芯片（SoC）也称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路其中包含完整系统并高嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。从狭义角度讲它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP存储器（或片外存储控制接口）集成在单一芯片上，它通常是用户定制的，或是面向特定用途的标准产品。

系统级芯片定义的基本内容主要表现在两方面：其一是它的构成，其二是它形成过程。系统级芯片的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块和外部进行通信的接口模块、含有ADC/DAC的模拟前端模块、电源提供和功耗管理模块。系统级芯片形成或产生过程包含3个方面：①基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证。②再利用逻辑面积技术使用和产能占有比例高效提高即开发和研究IP核生成及复用技术，特别是大容量的存储模块嵌入的重复应用等。③超深亚微米(UDSM)、纳米集成电路的设计理论和技术。

SoC是集成电路发展的必然趋势，也是IC产业未来的发展。1958年，世界上出现了第一款集成电路芯片。随后几十年中，芯片制程工艺不断进步，后来由于信息市场的需求和微电子自身的发展，引发了以微细加工（集成电路特征尺寸不断缩小）为主要特征的多种工艺集成技术日面向应用的系统级芯片的发展。系统级芯片可追溯到20世纪70年代。1974年，第一个真正的SoC产品出现在Microma手表中。此外，在快速浏览1989年出版的The Art of Electronics中，发现一些示意图看起来很像SoC，其具有步进电机控制、模拟数字转换器、串行I/O、集成ROM、定时器和事件控制器。这些早期的SoC有另一个表明它们功能而非它们架构的名称：专用标准产品（ASSP）。

正式的系统级芯片的设计技术始于20世纪90年代中期。随着半导体工艺技术的发展，大规模复杂功能的集成电路设计能够在单硅片上实现，SoC正是在集成电路（IC）向集成系统（IS）转变的大方向下产生的。1994年Motorola发布的Flex Core系统（用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器）和1995年LSILogic公司为Sony公司设计的SoC，可能是基于知识产权（Intellectual Property，IP）核完成SoC设计的最早报道。

1999年，Dataquest公司发布的统计数据，显示系统级芯片增长率达63%，2000年也维持60%以上的增长。同年，为了推动加拿大进入SoC技术的前沿，由加拿大政府和行业资助的非盈利机构——加拿大微电子公司（Canadian Microelectronic Corp，简称CMC）于2000年6月开始投资4亿加元（约折合2.6亿美元）在加拿大大学建立SoC研究基地，并通过其原有40多所大学支持其微电子研究来建立SoC研究网络。12月，中国科技部预启动“十五”国家“863”计划一-超大规模集成电路SoC专项工作，并颁发了2000年~2001年度该专项预启动计划项目的申请指南。内容包括关键电子信息产品核心芯片开发、超大规模集成电路IP核开发、SoC设计关键技术和制造关键技术研究。

从2001年SoC应用前10大产品看，通信类产品，尤其是移动通信产品对于SoC的需求最为迫切，也带动了整体SoC芯片市场与技术的快速发展；其次是消费类产品，由于相关产品对于外型上轻薄短小、低耗电、低价格、高质量有其需求，因此也对SoC有较大的需求。相对于通信以及消费类市场，计算机与周边设备产品对于SoC的需求较低，原因在于SoC的便利性对于该类产品并无实质性利益，计算机与周边设备产品将会在SoC发展极为成熟后才开始使用。2001年整体半导体产业出现不景气的现象，虽致使系统级芯片向下滑落，但与半导体业-32.2%的状况相比，系统级芯片市场销售额下降率仅为5%，为200亿美元，占世界半导体总产值的12.9%。由于SoC的设计不同于传统的集成电路设计，它需要新的方法和思路，在当时的EDA产品基础上改进和提高已无法满足SoC的设计要求。如超过100万级的复杂逻辑，门级设计已不可能，SoC必须通过IP核和系统集成设计实现。当时主要的EDA工具供应商，如Synopsys、Cadence都在加紧开发适用于SoC的EDA工具，并与集成电路制造商，如LSILogic、VLSI、IBM等保持合作。由于SoC的高复杂度，已迫使SoC的设计转向建立在IP芯核基础上的系统级仿真及软硬件联合仿真，同时建立大量的可重复使用的高性能芯核。另外，低功耗设计、可测性设计、电源设计、封装设计等也都需要在设计工具中重新考虑。

2002年2月，Synopsys发布了其商用SystemC仿真器一CoCentric(r)System Studio，它已能支持算法、结构、硬件和软件的联合验证和分析。由于提供一个支持从概念直到硬件和软件实现的仿真器，大幅简化了SoC的设计流程，从而将大大加速具有竞争力的SoC的开发。在SoC设计中，首先要定义系统的功能和有关要求，并将它们分配到硬件和软件两部分中，分别进行设计，最后集中到一起进行软、硬件总体协调设计、验证。通过建立虚拟样品环境来生成虚拟样品，可以对软、硬件能否协调工作进行验证，这是系统集成电路的核心。Cadence公司2003年2月推出了一款名为Incisive的验证平台，它是当时世界上运行最快和最有效率的验证平台。它把各种层面的验证过程整合到一个统一平台上来进行，给SoC设计人员提供了极大的便利，大大压缩了复杂系统验证所需要的时间。同年，中国首家系统级芯片（SoC）设计平台日前在哈工大微电子中心搭建成功。

2004年，晶晨股份成立，其主营业务为系统级SoC芯片，主要分为S系列SoC芯片、T系列SoC芯片、A系列SoC芯片等。2008年，灿芯股份成立，聚焦系统级（SoC）芯片一站式定制服务，定制芯片包括系统主控芯片、光通信芯片、5G基带芯片、卫星通信芯片等关键芯片，产品被广泛应用于物联网、工业控制、网络通信、高性能计算等众多高技术产业领域中。同年12月，浙江大学信息与通信工程研究所“卫星数字电视SOC芯片”荣获2008年度信息产业重大技术发明奖。

2010年8月，专注于系统级芯片（SoC）的集成电路设计企业杰理科技成立，主要面向蓝牙音视频、智能穿戴、智能物联终端等领域，为全球市场提供高规格、高灵活性与高集成度的芯片产品。

　2014年，炬芯科技成立，总部位于珠海，是中国领先的低功耗系统级芯片设计厂商。主营业务为中高端智能音频SoC芯片的研发、设计、销售。主要产品为蓝牙音频SoC芯片系列、便携式音视频SoC芯片系列、智能语音交互SoC芯片系列等，广泛应用于蓝牙音箱、蓝牙耳机、蓝牙语音遥控器、蓝牙收发一体器、智能教育、智能办公、智能家居等领域。炬芯科技的智能音频SoC芯片产品在中国市场占据重要地位。

2015年，益华电脑推出Palladium Z1硬件仿真加速平台，以帮助芯片设计团队设计和验证各种系统级芯片。这一创新平台很快成为了益华电脑新的营收增长点。2015年，小米自己研发首款SoC芯片“澎湃S1”，从项目立项到最终芯片量产，小米仅用了28个月的时间，2015年7月，SoC芯片澎湃S1的硬件设计完成，并首次流片；9月19日，澎湃S1的样品回片；9月24日凌晨1点48分第一次拨通电话，9月26日凌晨1点多首次点亮屏幕。2017年2月28日，在“我心澎湃”发布会上，小米正式发布了SoC芯片澎湃S1，首款搭载澎湃S1芯片的手机小米5C也一同发布。澎湃S1芯片的正式发布，使得小米成为继苹果、三星、华为之后第四家拥有自主研发手机芯片的手机厂商。不过，“澎湃”之后并非一帆风顺。此后，关于澎湃S2的消息不断，但小米迟迟未发布下一代自研手机SoC芯片。

2024年，全球智能手机市场迎来回暖，中国智能手机市场出货量也同比增长，高端手机需求强劲。但是，由于工艺升级以及代工成本上涨等因素，直接推高了SoC芯片单价上涨，国产手机尤其是高端旗舰手机也无奈地出现集体涨价潮。

截至2025年5月，具备自研SoC芯片的厂商包括苹果、三星、华为、高通、联发科等，这些厂商在智能手机处理器市场占据主导地位，其中苹果、三星、华为是真正意义上具备设计SoC芯片实力的手机厂商。5月15日晚，小米集团创始人雷军宣布，小米自主研发设计的手机SoC芯片——玄戒O1，即将在5月下旬发布。

嵌入式系统是SoC的基本结构在使用SoC技术设计的应用电子系统中，可以十分方便地实现嵌入式结构。各种嵌入结构的实现十分简单，只要根据系统需要选择相应的内核，再根据设计要求选择之相配合的IP模块，就可以完成整个系统硬件结构。尤其是采用智能化电路综合技术时，可以更充分地实现整个系统的固件特性，使系统更加接近理想设计要求。必须指出，SoC的这种嵌入式结构可以大大地缩短应用系统设计开发周期。

系统级芯片由嵌入式处理器（如MPU、MCU或DSP）、存储器（如SRAM、SDRAM、FlashROM）、专用功能模块（如ADC、DAC、PLL、2D/3D图形运算单元）、I/O接口模块（如USB、UART、Ethernet）、片内总线等多种功能模块构成。

处理器（Processor）是芯片的形式，是系统级芯片中的一个核。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，它经历了由早期依托通用处理器技术到独立发展的过程。嵌入式处理器种类繁多，且与嵌入式系统本身的需求密切相关，甚至能够定制特定的嵌入式处理器。

通用处理器（General Purpose Processor，GPP）主要包括微处理器与嵌入式微处理器，典型的如80x86、ARM、SPARC微处理器系列。通用处理器的指令集并非为特定的应用专门设计。

专用指令集处理器主要是针对特定应用设计的指令集处理器，兼具针对特定应用的高有效性、低功耗及通用处理器可编程的高灵活性等优点。

附加处理的专用处理器主要包括协处理器、加速器、各种控制器（如DMA控制器）等辅助功能处理器。

FPGA核使用一个或多个处理器单元，具有可编程门阵列，作为一种可配置处理器，能够对芯片功能进行改进。

使用多核处理器或多处理器可执行多项不同的任务，进一步满足嵌入式系统对性能的需求。

存储器作为系统硬件的基本组成部分，用来存放运行在嵌入式系统上的程序和数据。与常见的、出现在通用计算机中的模块化和标准化的存储器不同，嵌入式存储器通常针对运用需求进行特殊定制或自主设计。

SoC具有内部接口或总线或网络以连接所有单独的模块。外部连接的设备/接口如USB、HDMI、Wi-Fi和蓝牙被包含在外围设备中。

GPU代表图形处理单元，用于SoC中以可视化界面。GPU专门设计用于加速与图像计算相关的操作。

SoC按用途的不同可以分为两种类型：一种是专用SoC芯片，是专用集成电路（ASIC）向系统级集成的发展；另一种是通用SoC芯片，将绝大部分部件（如MCU、DSP、RAM、I/O等）集成在单个芯片上，同时提供用户设计所需要的逻辑资源和编程所需的软件资源。

SOC按实现技术可分为三类：一类是CSOC，以学术研究机构为主导，注重体系结构探索性工作；另一类是SOPC，以FPGA厂商和科研机构为主导，适合多品种少批量产品开发；第三类是ASIC SOC，以微处理器和芯片设计公司为主导，追求良好的性价比，适合大批量规模生产。

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嵌入式软件移植、开发研究。

总线结构及互连技术，直接影响芯片总体性能发挥。对于单一应用领域，可选用成熟的总线架构；对于系列化或综合性能要求很高的，可进行深人的体系结构研究，构建各具特色的总线架构，不受制于第三方，与系统同步发展，更具竞争力。SOC开发研制主要有基于平台（包括自主构建总体架构）、基于核、基于合成等方法,不断推出性能更好、扩展性更强的总线规范，如AXI总线（AMBA总线升级）、L*BUS总线（中科院计算所）等。

系统芯片的设计思想有别于普通的IC设计，它是以IP核为基础，以硬件描述语言HDL为主要设计手段，借助于以计算机为平台的EDA工具而进行的。可复用的IP核一般分为硬核、固核和软核三种类型。一个IP模块，首先要有功能描述文件，用于说明该IP模块的功能时序要求等，其次还要有设计实现和设计验证两个方面的文件。硬核的实现比较简单，类似于 PCB 设计中的IC芯片的使用；软核的使用情况较为复杂，实现后的性能与具体的实现方式有关。为保证软核的性能，软核的提供者一般还提供综合描述文件，用于指导软核的综合。固核的使用介于上述两者之间。

硬核是以版图形式描述的设计模块，它基于一定的设计工艺，不能由设计者进行修改，可有效地保护设计者的知识产权。换句话说，用户得到的硬核仅是产品的功能，而不是产品的设计。由于硬核的布局不能被系统设计者修改，所以也使系统设计的布局布线变得更加困难，特别是在一个系统中集成多个硬件IP核时，系统的布局布线几乎不可能。

固核由RTL描述，由可综合的网表组成。与硬核相比，固核可以在系统级重新布局布线，使用者按规定可增减部分功能。由于RTL描述和网表对于系统设计者是透明的，这使得固核的知识产权得不到有效的保护。固核的关键路径是固定的，其实现技术不能更改，不同厂家的固核不能互换使用。因此，硬核和固核的一个共同缺陷就灵活性比较差。

软核是完全用硬件描述语言（VHDL/Verilog HDL）描述出来的IP，它与实现技术无关，可以按使用者的需要进行修改。软核可以在系统设计中重新布局布线，在不同的系统设计中具有较大的灵活性，可优化性能或面积达到期望的水平。由于每次应用都要重新布局布线，软核的时序不能确定，从而增加了系统设计后测试的难度。

SoC一般由有多级总线，每一总线上含有多个设备（IP核）。如何确保整个芯片正常运转，必须考虑防“死锁”和“解锁”机制。即使某一设备（IP核）瘫痪，也不应影响整个芯片其他功能。此外随着超深亚微米技术发展，对总线传输的可靠性提出了严重挑战，必须研究容错机制和故障恢复机制。

由于市场和设计风险的压力，SoC软硬件协同设计尤为重要。改进软硬件协同说明、协同分析、协同设计、协同模拟和协同验证，可大大减少硬件设计风险和缩短嵌入式软件的开发调试时间。同时在协同验证环境中能够及时发现软硬件中所存在的致命问题，避免在最后集成测试阶段重新进行软硬件的调整。

SoC设计验证技术主要分IP核验证、IP核与总线接口兼容性验证和系统级验证等三个层次，包括设计概念验证、设计实现验证、设计性能验证、故障模拟、芯片测试等。从验证类型划分，有兼容性测试、边角测试、随机测试、真实码测试、回归（Regression）测试和断言验证等。由于芯片越来越复杂，软件仿真开销大，硬件仿真验证成为一种重要的验证手段。验证工作约占整个设计工作的70%，如何提高验证覆盖率和验证效率是设计验证的永恒课题。

由于SoC系统复杂度和规模越来越庞大，多时钟、多电压以及超深亚微米等新课题不断出现，对SoC的综合性研究提出了更高的要求。尤其对时序预算如何分级、分解，关键路径的特殊约束的研究，要求研究人员具有深厚的系统背景知识。与此同时，静态时序分析（STA）日趋复杂、后端动态仿真效率低下，对总体设计人员提出了严峻挑战。

SoC可测性设计技术主要研究解决批生产可测性问题和在线可调试性问题,实施技术包括DFT、SCAN、BIST、Iddq、JTAG/eJTAG等，要研究基于各种IP核的SoC测试架构和测试向量有效传递性，更重要的是要考虑测试平行化，降低芯片测试占用时间，此外要关注在线调试工作，方便用户开发和调试基于SoC的产品。

低功耗已经成为与面积和性能同等重要的设计目标,因此精确评估功耗也成为重要问题。芯片功耗主要由跳变功耗、短路功耗和泄漏功耗组成。降低功耗要从SoC多层次立体角度研究电路实现工艺、输入向量控制（IVC）技术、多电压技术、功耗管理技术以及软件(算法)低功耗利用技术等多个方面综合解决问题。

由于晶体管数急剧增加、芯片尺寸日益变小、密度不断增大、IP核可重用频度提高、低电压、多时钟、高频率、高可测性、新型高难度封装等要求的出现以及新工艺/新设计技术层出不穷，半导体工艺特征尺寸向深亚微米发展，要求SoC设计师不断研究新工艺、新工具，研究关键电路架构、时序收敛性、信号完整性、天线效应等问题。

SoC从整个系统的角度进行设计，在相同的工艺条件下可实现更高性能的系统指标。同时，采用SoC设计方法完成同样功能所需的晶体管数量可降低2~3个数量级。SoC是一个电路集成系统，相当于一个部件或一部整机，降低所占的印刷电路板的空间，为实现许多复杂的信号处理和信息加工提供了新的思路和方法。

SoC作为一个完整的系统，其设计通常包含硬件设计和软件设计两部分，其中硬件设计指基于硬件描述语言VerilogHDL或VHDL对数字电路的设计，而软件设计指运行在SoC上的嵌入式系统与应用程序。因此，SoC的设计通常需要进行软硬件协同设计，由硬件设计工程师和嵌入式软件工程师共同完成SoC的设计任务，软硬件协同设计的设计步骤通常包括系统需求规格说明、关键算法建模、软硬件划分、软硬件同步设计与系统测试。

在软硬件协同设计的初始阶段，就需要从系统需求规格说明入手，对整个系统的详细功能、具体性能参数、功耗要求、成本控制与开发周期等因素进行全面的识别和分析，形成严密而详细的设计文档。

SoC设计中的系统框架设计通常可以通过技术继承、技术迭代快速完成，但对于特定目标的SoC设计中往往包含一定数量的采用新技术、新方法实现的关键算法处理单元，这些关键算法处理由于没有经历充分的技术迭代，通常会存在一定的开发风险。因此，在SoC设计过程中，设计者需要针对这些关键算法模块进行必要的建模与仿真。一般的，设计者会使用诸如C、Matlab和Python等高级语言创建关键算法的仿真模型。一些高级电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）工具可以基于高级软件语言实现高层次综合，将利用特定高级软件语言描述的算法转换为硬件描述语言，这样能够大幅加快硬件模块的开发速度。此外，对于某些特殊的关键算法模块，SoC设计人员还可以充分利用现场可编程门阵列（Field Pro-grammable Gate Array，FPGA）进行功能、性能验证。

这一阶段需要反复评估、分析系统需求规格说明与关键算法建模结果，对SoC中的软件部分和硬件部分进行清晰、严密的划分，并明确软件和硬件的协同工作方式。通常采用硬件设计解决方案的优势在于性能的大幅提升。由于硬件部分的工作频率更高、并行化程度更高，因此硬件设计会为系统带来显著的性能提升。但由于硬件设计中通常涉及知识产权核（Intellectual PropertyCore，通常简称为IP核）的大量应用，因此硬件设计中的调试、仿真、验证时间周期均会明显增加，同时考虑到关键IP的版权费用，开发成本也会增加。采用软件设计解决方案的优势在于开发的灵活性更高、调试的周期较短、成本较低、风险较低，但性能方面通常会存在难以克服的短板。因此，SoC设计过程中的软硬件划分可以看作一种基于系统需求规格说明与关键算法建模结果的折中。

基于明确的软硬件划分结果，进行软硬件同步设计。通常硬件设计部分为基于标准单元的SoC设计或基于FPGA的SoC设计，软件设计部分包括算法开发、算法优化、操作系统开发、接口驱动开发与应用软件开发等。

系统测试通常基于SoC的设计层次架构，进行从下至上、从小至大的分层测试，逐级验证各层次软硬件的功能、性能是否满足系统需求规格说明。

随着单片SoC复杂度和功能密度的不断提高，芯片验证变得越来越困难和关键。验证阶段又称硅前验证，主要是指在流片前，确保从设计规范到网表的功能正确和正确转换的过程。

步骤1：系统中的所有IP都需要在集成前进行验证。即IP在发送给SoC集成商或IP用户之前由IP供应商进行验证。由于IP可以从不同的IP供应商以不同的格式交付，因此集成人员需要通过将设计文件和测试工作台转换到自己的应用程序环境来重新验证IP在单个IP验证之后，需要用额外的逻辑封装获得的IP，以便与现有IP进行通信。然后它就可以集成到SoC中了。

步骤2：基于接口协议，对芯片中各块之间的接口进行验证，以减少最终的集成工作，使系统能够在早期就检测到错误。

步骤3：SoC级验证。准确地说，SoC行为是根据其规范进行建模的，并通过行为仿真实验台进行验证。测试台可以使用多种语言来描述，例如Verilog/VHDL，C/C++。此外，还需要将测试台转换为指定的格式，以适用于以下步骤中的硬件和软件验证。

步骤4：完成系统级验证后，根据软硬件IP库将SoC设计划分为软件和硬件两部分。然后使用上一步中创建的测试台对架构（包括软件和硬件部分）进行验证。

步骤5：对上一步中得到的RTL硬件设计进行功能验证。硬件验证需要使用到在系统行为验证过程中创建的测试台。RTL的验证主要包括验线、逻辑仿真、形式验证（即等价性检查和模型检查）、基于事务的验证和代码覆盖率分析。

步骤6：根据系统规范进行软件验证。软件验证和硬件/软件（HW/SW）集成可以通过不同的方法执行，包括软原型、快速原型、仿真和HW/SW协同验证。以HW/SW协同验证为例，具有处理器类型核心的SoC需要进行协同验证。在此过程中，HW/SW测试与验证同时进行。具体来说，协同仿真是将当前硬件仿真器与软件仿真器/调试器进行耦合，从而使软件能够在目标硬件设计上执行。接着提供硬件设计并进行实际刺激。这种协同验证减少了创建硬件测试工作台的步骤，并促进了硬件和软件集成。此外，它还为系统验证提供了极大的性能改进。

步骤7：利用目标技术库合成RTL设计，生成门级网表。网表通常通过形式化的等价性检查工具进行验证，以确保RTL设计在逻辑上与网表是等价的。为了满足可测试性和时序需求，网表通常会植入DFT元件（如扫描链）和时钟树，所以更新后的网表必须使用形式等价性检查工具进行重新验证，以确保更新设计的功能的正确性。然后从门级阶段到物理布局阶段进行时间验证，以避免任何时间违规，从而满足时间上的需求。

步骤8：对集成电路的物理布局进行验证，确保设计满足一定的标准。它包括设计规则检查（DRC）、布局对原理图（LVS）、电气规则检查（ERC）、天线效应分析和信号完整性（SI）分析（包括高电流、电阻压降、串扰噪声和电迁移）。任何违规都必须在芯片制造之前解决。一旦完成了物理布局验证，就可以进行签名和录制了。

系统级芯片是面向特定应用的嵌入式系统。随着微电子技术的发展，SOC主要有以下三种实现方案：

硬核处理器是在FPGA中预先植入的微处理器。硬核处理器在时序、面积和功耗方面都针对特定的器件工艺进行了优化，因而性能优异。植入硬核处理器的FPGA将FPGA丰富的逻辑资源和微处理器强大的处理能力有机地结合起来，从而能够更加有效地实现系统的功能。

除了嵌入硬核处理器之外，软核处理器的方式也广泛应用。这是因为嵌入硬核处理器虽然性能优异，但也存在一定的局限性：(1)硬核处理器通常来自第三方公司，FPGA厂商需要支付其IP费用，从而会导致系统的成本高；(2)硬核处理器的结构是固定的，如总线规模、接口方式以及指令系统，用户无法裁减处理器资源以降低设计成本，同时也不支持自定义IP，无法优化系统的性能指标；(3)硬核处理器只能在特定的FPGA系列中使用，如CycloneV系列FPGA中的ARM双核处理器以及Stratix10系列中的ARM四核处理器。应用软核处理器能够有效地克服上述局限性。但是，由于软核处理器是用FPGA的片内资源构建的处理器，其底层的定制优化程度远低于经过布局布线优化的硬核处理器，受到其时序性能的限制，软核处理器能够运行的最高时钟频率比硬核处理器要低得多。因此，软核处理器适合于对处理器系统整体性能要求不高的应用场合，如工业测控、人机交互和协调控制等方面。

HardCopy是利用EDA开发工具，将成功实现于FPGA器件上的SOPC系统通过特定的技术转化为ASIC，将FPGA的灵活性和ASIC的市场优势结合起来，适应于有较大批量要求并对成本敏感的电子产品。HardCopy 避开了直接设计ASIC的困难，克服了传统ASIC设计开发周期长、一次性成功率低、有最少的投片量要求等普遍问题。HardCopy器件是FPGA的精确复制,剔除了可编程性。这样,器件的硅片面积就更小，成本就更低，并且还能够改善时序特性。

从单一功能增加到多种功能，如一般移动电话由RF/IF信号处理电路和基频信号处理电路两大部分组成，上市的移动电话用IC由2~4块组成，1998年日本富士通公司利用CMOS工艺推出单芯片移动电话用IC，1999年美国朗讯公司将采用Bi-CMOS工艺推出单芯片移动电话用IC。这样，在单芯片上可实现天线切换、锁相回路（PLL）、本地振荡、解调变处理、调变处理和帧处理等功能。

SOC是从整个系统的角度进行设计，在相同的工艺条件下可实现更高性能的系统指标，如利用0.35/m工艺，采用SOC设计方法，在相同的系统复杂性和处理速率下，相当于采用0.1/m工艺制造的IC所实现的同样系统的性能。同时，采用SOC设计方法完成同样功能所需的晶体管数目可降低2~3个数量级。

SoC降低所占的印制电路板（PCB）空间，一个芯片集成一个系统，相当于一个部件或一部整机，势必减少整机的体积。

SoC可缩短产品上市时间，以获取更多的利润。如DVD用SOC的研制时间可从原来的1~2年缩短到6个月以内。

SoC可提高抗电磁干扰和系统可靠性：如日本日立公司HG73M系列SOC，它集成SH3型SPUCore、高速逻辑电路和高密度DRAM等，其数据传输速率比采用外部DRAM系统高10~100倍，其功能仅为原来的1/10~1/2。

SOC要集成多种功能的IC，若靠一个公司从头做起，要花费很大的代价，浪费很多的时间，并且一个公司也不可能做好全部的事情，因为每个公司都有自己的关键技术，都有自己的知识产权。要缩短设计周期，必须向别的公司购买IP，可减少重复劳动，提高效率，节约开支，降低成本。由于采用SOC，可减少外围电路芯片，也降低了整机的成本。

SOC制造商要更多地与用户联系，尽早让用户参与设计，这样设计出来的芯片上市最快、最受用户欢迎也最容易占领市场。

芯片设计业面临一系列挑战，系统芯片SoC已经成为IC业界的焦点，SoC的性能越来越强，其规模越来越大。SoC芯片的规模一般远大于普通的ASIC，同时由于深亚微米工艺带来的设计困难等，使得SoC设计的复杂度大大提高。在SoC设计中，仿真与验证是SoC设计流程中最复杂、最耗时的环节，约占整个芯片开发周期的50%~80%。此外，由于SoC测试资源受到芯片面积的束缚，使得用以产生测试激励（测试矢量）的种子数量有限，这将导致其测试故障覆盖率很难得到提高。

SoC技术的发展趋势是基于SoC开发平台，基于平台的设计是一种可以达到最大程度系统重用的面向集成的设计方法，分享IP核开发与系统集成成果，不断重整价值链，在关注面积、延迟、功耗的基础上，向成品率、可靠性、EMI噪声、成本、易用性等转移，使系统级集成能力快速发展。无论在中国国外还是国内，在SoC技术领域已展开激烈的竞争。SoC接指令集来划分，主要分x86系列（如SiS550）、ARM系列（如OMAP）、MIPS系列如（Au1500）和类指令系列（如M 3Core）等几类。中国国内研制开发者主要基于后两者，如中国科学院计算技术研究所中科SoC（基于龙芯核，兼容MIPSM指令集）、北大众志（定义少许特殊指令）、方舟2号（自定义指令集）、国芯C3 Core（继承M3Core）等。开发拥有自主知识产权的处理器核、核心IP和总统架构，同时又保证兼容性集成第三方IP，将使中国SoC发展具有更强的竞争力，从而带动国内IC产业往深度、广度方向发展。