System na chipie to mały chip ze wszystkimi niezbędnymi komponentami elektronicznymi i obwodami. W literaturze angielskiej używany jest termin SoC (system-on-a-chip). System w urządzeniu do wykrywania dźwięku może zawierać przetwornik ADC, odbiornik audio, pamięć, mikroprocesor i sterowanie logiką we/wy użytkownika na jednym chipie.
W medycynie system SoC oparty na nanorobotach może działać jako programowalne przeciwciała opóźniające wczesne choroby. Urządzenia wideo oparte na chipach mogą pomóc osobom niewidomym, umożliwiając im odbiór obrazu, a urządzenia audio SoC mogą sprawić, że osoby niesłyszące będą słyszeć. System-on-a-chip ewoluuje wraz z innymi technologiami, takimi jak SOI (krzem na izolatorze).
Definicje terminów
System SoC łączy wymagane obwody elektroniczne różnych komponentów komputerowych w jednym zintegrowanym układzie scalonym (IC). SoC to kompletny układ elektroniczny podłoża, który może zawierać analogowe,funkcje cyfrowe, mieszane lub RF. Jego komponenty zazwyczaj obejmują procesor graficzny (GPU), jednostkę centralną (CPU), która może być wielordzeniowa, oraz pamięć systemową (RAM).
Ponieważ system-on-a-chip zawiera zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie, zużywa mniej energii, ma lepszą wydajność, wymaga mniej miejsca i jest bardziej niezawodny niż systemy wieloukładowe. Większość układów systemowych jest obecnie dołączana do urządzeń mobilnych, takich jak smartfony i tablety.
System-on-a-chip został specjalnie zaprojektowany, aby spełnić standardy włączenia wymaganych obwodów elektronicznych wielu komponentów komputerowych do jednego zintegrowanego układu scalonego. Zamiast systemu, który składa wiele chipów i komponentów na płytce drukowanej, SoC tworzy wszystkie niezbędne obwody w jednym urządzeniu.
Wyzwania związane z SoC obejmują wyższe koszty prototypowania, architekturę i bardziej złożone debugowanie. Układy scalone nie są opłacalne. Może się to jednak zmienić wraz z postępem technologicznym.
Wymagane parametry mikroczipowania
System on Chip SoC to bardzo złożone urządzenia. Na przykład system Snapdragon 600 firmy Qualcomm to układ SoC, który był używany w starym smartfonie Samsung Galaxy.
Ludzie chcą mieć możliwość korzystania ze swoich smartfonów do surfowania po Internecie, słuchania muzyki, oglądania filmów, korzystania z nawigacji GPS, robienia zdjęć i filmów, grania w gry, dostępu do sieci społecznościowych. Wszystkie te cechysą wyposażone nie tylko w dobry procesor, ale także w potężny układ graficzny System on Chip SoC, szybki bezprzewodowy chipset Bluetooth oraz obsługę połączeń z sieciami 4G. Wszystko to powinno działać przy najmniejszym zużyciu energii.
Rozwiązaniem jest miniaturyzacja wszystkiego, co można zainstalować. Urządzenia powinny być maksymalnie skompresowane i umieszczone w sposób zwarty na mniejszej powierzchni. Konsekwencją tego jest wyższa moc obliczeniowa i mniejsze zużycie energii. To jest dokładnie to, co oferuje SoC.
Projektowanie systemu na chipie
Koncepcyjnie istnieją trzy poziomy strategii projektowania chipów funkcjonalnych. Pierwszy poziom to symetria grupy punktowej. Narzuca obecność lub brak pewnej reakcji fizycznej i anizotropii kryształu. Dlatego może być używany do wyszukiwania i osłaniania nowych funkcjonalnych kryształów.
Symetria grup punktowych jest warunkiem koniecznym, ale nie wystarczającym dla funkcjonalnego kryształu. Aby system SNK na chipie wykazywał określoną właściwość, musi być uzupełniony o drugi poziom strategii projektowania - strukturę grupy przestrzennej lub symetrię.
Na koniec, aby wzmocnić lub zoptymalizować reakcję, istnieje trzeci poziom strategii projektowania inżynierii molekularnej, który obejmuje precyzyjne dostrajanie struktur elektronicznych lub magnetycznych bloków budulcowych atomów, cząsteczek i klastrów kryształów.
Komponentyurządzenia mobilne
System SoC na chipie może mieć różne elementy, w zależności od jego przeznaczenia. Ponieważ zdecydowana większość SoC jest używana w smartfonach, oferujemy listę najpopularniejszych komponentów takich urządzeń:
- CPU jest rdzeniem wewnątrz SoC. Jest to część odpowiedzialna za wykonanie większości obliczeń i decyzji. Otrzymuje dane wejściowe z innych komponentów sprzętowych i oprogramowania oraz zapewnia odpowiednie reakcje wyjściowe. Bez procesora nie byłoby SoC. Większość dzisiejszych procesorów ma w środku dwa, cztery lub osiem rdzeni.
- GPU - skrócony dla modułu przetwarzania grafiki. Jest również nazywany chipem wideo. GPU odpowiada za rozgrywkę 3D, a także zgrabne przejścia wizualne, które są widoczne w interfejsie dowolnego urządzenia korzystającego z systemu jednoukładowego.
- Pamięć RAM - wszystkie urządzenia komputerowe potrzebują pamięci do działania. Aby móc uruchamiać aplikacje i dane oprogramowania, musisz ich używać. Aby to zrobić, system na chipie musi mieć pamięć RAM.
- ROM - Każde urządzenie musi mieć pamięć ROM do przechowywania oprogramowania, takiego jak oprogramowanie układowe lub system operacyjny, na którym działa.
- Modem - smartfon nie będzie telefonem, jeśli nie będzie mógł połączyć się z sieciami radiowymi. Modemy dbają o połączenie sieciowe lub komórkowe.
Oprócz procesora i pamięci inne układy SoC mogą zawierać interfejsy PCIe przeznaczone dopodłączanie nadajników-odbiorników radiowych, interfejsów SATA lub urządzeń USB.
Projektowanie chipów
Systemy na chipie muszą mieć półprzewodnikowe bloki pamięci, aby wykonywać swoje obliczenia. W zależności od zastosowania SoC, pamięć może tworzyć hierarchię pamięci i pamięci podręcznej. Jest to powszechne na rynku komputerów przenośnych, ale nie jest wymagane w wielu wbudowanych mikrokontrolerach o małej mocy.
Technologie pamięci dla układów SoC obejmują pamięć tylko do odczytu (ROM), pamięć o dostępie swobodnym (RAM), elektrycznie kasowalną programowalną pamięć ROM (EEPROM) i pamięć flash. Podobnie jak w przypadku innych systemów komputerowych, pamięć RAM można podzielić na stosunkowo szybszą, ale droższą statyczną pamięć RAM (SRAM) i wolniejszą, ale tańszą dynamiczną pamięć RAM (DRAM), taką jak system na chipie przedstawiony w tym artykule.
Interfejsy zewnętrzne
SoC obejmują interfejsy zewnętrzne, zwykle dla protokołów komunikacyjnych. Często opierają się na standardach branżowych, takich jak USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C i innych. Obsługiwane mogą być również protokoły sieci bezprzewodowej, takie jak Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN i komunikacja zbliżeniowa.
W razie potrzeby SoC zawierają interfejsy analogowe do przetwarzania sygnałów. Mogą współpracować z różnego rodzaju czujnikami lub aktuatorami, w tym inteligentnymi konwerterami. Mogą również kontaktować się z konkretnymizastosowania modułu lub być wewnętrznym SoC, na przykład, jeśli czujnik analogowy jest wbudowany w SoC, a jego odczyty muszą być przekonwertowane na sygnały cyfrowe w celu przetwarzania matematycznego.
Cyfrowe procesory sygnałowe
Cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) są często dołączane do systemów na chipie. Wykonują przetwarzanie sygnałów operacyjnych dla czujników, siłowników, akwizycję danych, analizę danych i przetwarzanie multimediów. Rdzenie DSP zazwyczaj mają bardzo długie słowo instrukcji (VLIW) i jednokierunkową architekturę zestawu instrukcji, więc są one podatne na wykorzystanie paralelizmu.
4Rdzenie DSP najczęściej zawierają instrukcje specyficzne dla aplikacji i są procesorami zestawu podręczników ASIP specyficznego dla aplikacji. Takie instrukcje odpowiadają wyspecjalizowanym jednostkom funkcjonalnym.
Typowe instrukcje DSP obejmują wielokrotną akumulację, szybką transformację Fouriera, płynne mnożenie i splot. Podobnie jak w przypadku innych systemów komputerowych, SoC wymagają źródeł zegara do generowania sygnałów zegarowych, sterowania wykonywaniem funkcji i zapewniania w razie potrzeby kontekstu czasowego aplikacjom do przetwarzania sygnałów.
Popularne źródła czasu to oscylatory kwarcowe i pętle synchronizacji fazowej. SoC obejmują również regulatory napięcia i obwody zarządzania energią.
Różnica między SoC a CPU
Kiedyś wiele osób myślało, że procesor jest całkowicie odizolowany od monitora. Teraz wielu rozumie, że procesor to tylko niewielka część,a komputer składa się z wielu części.
System na chipie to elektroniczna płytka drukowana, która integruje wszystkie niezbędne komponenty komputera i innych systemów elektronicznych. Należą do nich procesor graficzny, procesor, pamięć, obwody zarządzania energią, kontroler USB, radia bezprzewodowe i wiele innych. Te elementy są lutowane na płycie głównej, która różni się od konwencjonalnych komputerów, której części można wymienić w dowolnym momencie.
Można powiedzieć, że system na chipie (SoC) jest tym, co dzieje się, gdy Vector z Despicable Me używa "kompresji wiązki" na pełnoprawnym komputerze. Dzięki mocy miniaturyzacji, System on a Chip jest funkcjonalnym komputerem, który został skompresowany tak, aby zmieścił się na jednym chipie krzemowym.
Gdzie używane są żetony
SoC jest zazwyczaj mały i nie zajmuje dużo miejsca wewnątrz urządzenia elektronicznego, dzięki czemu idealnie nadaje się do mniejszych urządzeń. Łączy wiele różnych części na jednym chipie, co oznacza, że jego producent nie musi tracić czasu, pieniędzy i zasobów na kładzenie znaczących części fizycznych i budowanie długich obwodów, co z kolei oznacza niższą produkcję i koszty. Systemy na chipie są znacznie wydajniejsze niż te z dedykowanymi poszczególnymi komponentami, takimi jak komputer stacjonarny czy laptop. SoC może działać na bateriach przez dłuższy czas.
Tradycyjne podejście do elektroniki polegało na tworzeniu systemów działających indywidualnieniezależne części. Przykładami są komputery i laptopy. Jednak ciągła miniaturyzacja wszystkiego wokół oznacza, że w coraz większym stopniu polegają na mniejszych, bardziej energooszczędnych systemach na chipie. Smartfony, tablety, a nawet urządzenia IoT (Internet of Things) udowadniają, że systemy na chipach są ważną częścią przyszłości całej elektroniki.
Urządzenie Intel Pentium N3710
Pentium N3710 to 64-bitowy czterordzeniowy system na chipie zaprojektowany przez firmę Intel i wprowadzony na początku 2015 r. pod numerem 3710. Oparty na mikroarchitekturze Airmont. Ten układ działa z częstotliwością 1,6 GHz w trybie do 2,57 GHz. SoC zawiera procesor graficzny HD Graphics 405, który ma 16 jednostek wykonawczych i działa z częstotliwością 400 MHz
Szczegóły architektury system-on-chip N3710:
- Projektant - Intel.
- Producent - Intel.
- Numer modelu - N3710.
- Numer części - FH8066501715927
- Zakres - telefon komórkowy.
- Wydanie – marzec 2015
- Seria Pentium N3000.
- Częstotliwość - 1600 MHz.
- Prędkość - 2567 MHz (1 rdzeń).
- Typ magistrali - IDI CPUID 406C4.
- Mikroarchitektura – Airmont.
- Nazwa główna to Braswell.
- Technologia - CMOS.
- Rozmiar słowa - 64-bitowy.
- Maksymalna liczba procesorów - jednoprocesor.
- Maksymalna pamięć to 8 G.
- Temperatura PP 0 C - 90 C.
- ZintegrowanyInformacje o grafice GPU - grafika HD 405.
- Maksymalna częstotliwość to 700 MHz.
Zalety układów chipowych
Głównym celem wykorzystania SOC w projektowaniu są kroki, które tworzą zalety urządzenia:
- SOC ma niewielkie rozmiary, ale zawiera wiele funkcji.
- Elastyczność. Pod względem wielkości chipa, mocy i współczynnika kształtu systemy te są bardzo trudne do pokonania przez inne urządzenia.
- Opłacalność, szczególnie w przypadku określonych aplikacji SoC, takich jak kod wideo.
- System-on-chip jest niezliczony. W przypadku produktów o dużej pojemności upraszczają ochronę zasobów i koszty inżynieryjne.
Jednak tak doskonałe urządzenie ma swoje wady:
- Duża inwestycja czasowa. Proces projektowania SoC może trwać od 6 do 12 miesięcy.
- Ograniczone zasoby.
- Jeśli opracowywany jest produkt na małą skalę, wymagany będzie sprzęt wysokiej klasy. Być może lepiej będzie korzystać ze sprzętu innych firm, poświęcić czas i zasoby na oprogramowanie aplikacyjne.
Systemy na chipie mają tę wielką wadę, że w ogóle nie można ich dostosować. Innymi słowy, nie można ich ulepszać. System na chipie zwykle umiera tak samo, jak został stworzony. Nic się w nim nie zmienia przez cały okres użytkowania. Jeśli coś ulegnie uszkodzeniu wewnętrznie w instrumencie, tylko ta część nie może zostać naprawiona ani wymieniona. Trzeba wymienić cały SoC.
Najwięksi producencichipy mobilne
Oferujemy krótki przegląd systemów na chipach głównych producentów: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA i Broadcom. Qualcomm, NVIDIA i MediaTek produkują i sprzedają głównie mobilne układy SoC dla producentów sprzętu komputerowego do wykorzystania w produkowanych przez siebie urządzeniach. Broadcom produkuje SoC, które są używane w routerach i urządzeniach sieciowych, a Samsung i Huawei nie tylko produkują SoC, ale są dwiema największymi firmami na świecie, które z nich korzystają.
Nie możesz powiedzieć, który system na chipie jest najlepszy. Projektowanie i rozwój systemów na chipie postępuje tak szybko, że do czasu porównania opcja będzie już przestarzała. Trzeba jednak pamiętać, że najlepszy SoC może nie być najlepszy dla procesorów lub najszybszych transferów bezprzewodowych.
