Was ist ein SoC?

Wenn Sie schon einmal in einen PC-Tower geschaut haben, werden Sie feststellen, dass es viele verschiedene Komponenten gibt. Ihr durchschnittlicher Laptop enthält die meisten der gleichen Komponenten, verkleinert sie jedoch, formatiert sie neu und eliminiert so viel „verschwendeten“ Platz wie möglich. Ein Smartphone kann die gleichen Dinge tun wie ein Desktop- oder Laptop-Computer, allerdings nicht so schnell. Dies liegt daran, dass es die gleiche Art von Hardware enthält. Im winzigen Gehäuse eines Smartphones ist jedoch wirklich nicht genug Platz, um etwas wie einen Laptop aussehen zu lassen. Um die erheblichen Platzbeschränkungen zu umgehen, wird ein völlig neues Designparadigma verwendet.

System-on-Chip

Ein Computer wird von einer CPU, ein Smartphone von einem SoC oder einem System on Chip angetrieben. Der SoC enthält eine CPU, aber auch weit mehr als das. Und das ist es, was es auszeichnet und es dem winzigen Smartphone-Formfaktor ermöglicht, die gleichen Funktionen wie ein Computer zu bieten, dabei in Ihre Tasche zu passen und einen kleinen Akku zu verbrauchen.

Hinweis: SoC ist die Abkürzung für „System on Chip“, die Abkürzung „System on a Chip“ ist jedoch grammatikalisch sinnvoller. Wenn es hilft, können Sie davon ausgehen, dass das „a“ in Klammern steht und vorausgesetzt, aber unausgesprochen bleibt.

Das Computer-Paradigma besteht darin, die Teile zu trennen, sodass Sie sie unabhängig voneinander optimieren und richtig kühlen können, obwohl Laptops mit diesem letzten Teil tendenziell Probleme haben. Das mobile Paradigma besteht darin, alles in einem allumfassenden Superchip zusammenzufassen, einem vollständigen Computersystem auf einem einzigen Chip.

Was enthält ein SoC?

Es hängt wirklich vom SoC ab und davon, wofür es gedacht ist. Es muss mindestens einen Verarbeitungskern enthalten. Dies kann ein Allzweck-CPU-Kern, ein Mikrocontroller-Kern oder etwas Spezifischeres wie ein digitaler Signalprozessor sein. Normalerweise enthält ein SoC mehrere Prozessorkerne, obwohl einige einfache Produkte möglicherweise nur einen verwenden. Ein SoC muss auch eine Art Verbindung enthalten, um verschiedene Komponenten auf dem Chip zu verbinden. In der Vergangenheit war dies ein gemeinsam genutzter Bus. Aktuelle und zukünftige Systeme tendieren jedoch zu einem robusteren netzwerkähnlichen System, das als NoC oder Network on Chip bezeichnet wird.

Tipp: Ein NoC ist nicht mit einem NOC oder Network Operations Center zu verwechseln.

So ziemlich alles andere ist optional, allerdings muss noch mehr enthalten sein, damit es sich um einen SoC handelt. Speicher und Speichercontroller können in Form von SRAM-Cache und DRAM in den Chip integriert werden, es können aber auch Off-Chip-Speicher verwendet werden. Für Smartphones gedachte SoCs verfügen in der Regel über andere Arten von Verarbeitungseinheiten wie eine GPU, eine NPU und einen digitalen Signalprozessor.

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Warum einen SoC wählen?

Typischerweise ist ein SoC ein einzelner monolithischer Siliziumchip. Allerdings ermöglichen moderne Verpackungstechnologien zunehmend das 3D-Stapeln von Siliziumchips übereinander. Diese 3D-Designs werden immer noch als Einzelchips bezeichnet, ebenso wie SoCs. Ein SoC, der verschiedene Chiplets verwendet, wird als System In Package oder SIP bezeichnet.

Der Entwurf eines Systems, das alles in einem einzigen Chip integriert, eignet sich hervorragend für Umgebungen mit begrenztem Platzangebot, da die IP-Dichte auf Silizium extrem hoch ist. Dennoch gibt es räumliche Herausforderungen. Größere Chips haben tendenziell eine geringere Ausbeute, da sich Defekte im Siliziumwafer mit größerer Wahrscheinlichkeit auf einen bestimmten Chip auswirken. Die Bündelung einer großen Rechenleistung bedeutet auch, dass viel Wärme erzeugt werden kann. Zusammengenommen bedeutet dies, dass Kompromisse eingegangen werden müssen, um ein stabiles System zu gewährleisten. Dies harmoniert auch gut mit dem Strombedarf der vielen batteriebetriebenen Geräte, die SoCs verwenden, bei denen die Energieeffizienz entscheidend ist.

Für direkte Endbenutzergeräte muss ein Gleichgewicht zwischen hoher Energieeffizienz und hoher Leistung gefunden werden. Zu diesem Zweck nutzen die meisten Smartphone-SoCs eine Reihe von CPU-Kernen, von denen einige auf Leistung und andere auf Effizienz abgestimmt sind.

Indem alles auf einem einzigen Chip untergebracht wird, wird die Latenz minimiert und es können höhere Bandbreiten erreicht werden. Darüber hinaus wird der für die Signalübertragung erforderliche Strom reduziert, da die „Kabel“ kürzer sind. Mit einem fest integrierten Chip kann man weniger schiefgehen. Darüber hinaus sind in den Herstellungskosten keine Kosten für zusätzliche Kombinationsschritte enthalten, beispielsweise bei einem Chiplet-Design.

Einschränkungen eines SoC

Die größte Einschränkung eines SoC ist die Wärme-/Leistungsdichte. Es ist schwierig, Geräte zu kühlen, insbesondere ein Smartphone, das auf passive Kühlung angewiesen ist. Ein SoC muss auf seine erwartete thermische Hülle abgestimmt werden. Dies ist letztlich der leistungslimitierende Faktor auf Smartphones. Bei der Ausweitung auf Geräte mit aktiverer Kühlung, wie z. B. neuere Mac-Books mit Apples selbstentwickeltem Silizium, kann das Energiebudget erhöht werden, da die Wärme effizienter abgeführt werden kann. Damit bieten die M1- und M2-Chips deutlich mehr Rechenleistung als ein Smartphone-SoC.

Allerdings gibt es hier eine Grenze. Moderne High-End-CPUs und GPUs sind bereits unglaublich heiß. Man kann einfach nicht beides in einen großen SoC integrieren. Die Wärmedichte wäre einfach zu hoch und eine Kühlung wäre praktisch unmöglich. Einige dieser Geräte, mehr GPUs als CPUs, stoßen auch bei monolithischen Chips an die Grenzen der aktuellen Technologie. Dies lässt sich daran erkennen, dass der Wandel hin zu Chiplet-Designs bereits begonnen hat.

Chiplets helfen in vielerlei Hinsicht, indem sie einige Designkosten senken und die Ausbeute steigern, haben aber keine großen Auswirkungen auf die Thermik, da die Chiplets immer noch sehr nahe beieinander untergebracht werden müssen und die gleiche Wärmeableitungsausrüstung haben. Daher kann nur so viel Rechenleistung in einen SoC gepackt werden, bevor er zu groß und unhandlich wird. Ab diesem Zeitpunkt kann durch die Aufteilung der Komponenten, wie es bei modernen Computern der Fall ist, eine höhere Leistung erzielt werden.

Allerdings integrieren Computer langsam immer mehr Funktionen in die CPU. Dies bringt Leistungsvorteile mit sich. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass dieser Prozess zu weit gehen wird. Vor allem Massenspeicher, DRAM und High-End-Grafik dürften wohl nicht integriert werden.

Abschluss

SoC steht für System on Chip. Es ist nicht zu verwechseln mit SOC, was für Security Operations Center oder Systems and Organization Controls steht. Dabei handelt es sich um das Konzept, die meisten Komponenten eines Computergeräts direkt in einen einzigen Siliziumchip zu integrieren. Der Kern des Chips ist die CPU, aber auch die meisten anderen Komponenten und die Rechenleistung sind direkt enthalten. Das SoC-Designparadigma war auf dem Smartphone-Markt äußerst erfolgreich. Es wird auch in eingebetteten Geräten, IoT und Industriesystemen eingesetzt, wo es mehr „Intelligenz“ als herkömmliche Mikrocontroller bietet. SoCs sind auch in Tablets und einigen dünnen und leichten Laptops zu finden.

Aufgrund ihres Marktes sind SoCs in der Regel auf Energieeffizienz mit optionaler Spitzenleistung bei Bedarf abgestimmt. Dies ist jedoch nicht unbedingt integraler Bestandteil des Designs. Die Gesamtleistung wird durch die Wärmedichte begrenzt, was bedeutet, dass es Grenzen dafür gibt, wie viel Funktionalität in ein SoC integriert und nicht aufgeteilt werden sollte.