Cosè un SoC?

Se hai mai guardato all'interno di un PC tower, puoi vedere che ci sono molti componenti diversi. Il tuo laptop medio contiene la maggior parte degli stessi componenti ma li riduce, li riformatta e taglia quanto più spazio "sprecato" possibile. Uno smartphone può fare le stesse cose di un computer desktop o portatile, anche se è vero, non così velocemente. Lo fa perché contiene lo stesso tipo di hardware. Nel minuscolo corpo di uno smartphone, però, non c'è davvero abbastanza spazio perché le cose sembrino nemmeno un laptop. Per aggirare i notevoli vincoli di spazio, viene utilizzato un paradigma di design completamente nuovo.

Sistema su chip

Un computer è alimentato da una CPU, uno smartphone da un SoC o da un System on Chip. Il SoC contiene una CPU, ma contiene anche molto di più. Ed è questo che lo differenzia e consente al minuscolo fattore di forma dello smartphone di offrire le stesse funzionalità di un computer mentre si inserisce in tasca e si scarica una piccola batteria.

Nota: SoC è l'abbreviazione di System on Chip, tuttavia la contrazione System on a Chip ha più senso grammaticale. Se ti aiuta, puoi presumere che la "a" sia tra parentesi e sia presunta ma non detta.

Il paradigma del computer è quello di separare le parti in modo da poterle ottimizzare in modo indipendente e raffreddarle correttamente, sebbene i laptop tendano a lottare con quest'ultima parte. Il paradigma mobile consiste nel raggruppare tutto in un super-chip onnicomprensivo, un sistema informatico completo su un singolo chip.

Cosa contiene un SoC?

Dipende davvero dal SoC e da cosa è destinato. Deve contenere almeno un core di elaborazione. Questo può essere un core della CPU generico, oppure può essere un core del microcontrollore o qualcosa di più specifico come un processore di segnale digitale. In genere, un SoC conterrà più core di elaborazione, anche se alcuni prodotti semplici potrebbero utilizzarne solo uno. Un SoC deve anche contenere una sorta di interconnessione per collegare diversi componenti sul chip. Storicamente, questo è stato un bus condiviso, tuttavia, i sistemi attuali e futuri stanno tendendo verso un sistema simile a una rete più robusto denominato NoC o Network on Chip.

Suggerimento: un NoC non deve essere confuso con un NOC o Network Operations Center.

Praticamente tutto il resto è opzionale, anche se deve essere contenuto di più per essere un SoC. La memoria e il controller di memoria possono essere integrati nel chip sotto forma di cache SRAM e DRAM, sebbene sia possibile utilizzare anche memoria off-chip. I SoC destinati agli smartphone tendono ad avere altri tipi di unità di elaborazione integrate come GPU, NPU e processore di segnale digitale.

zzz

Perché scegliere un SoC?

In genere, un SoC sarà un singolo chip di silicio monolitico. Detto questo, le moderne tecnologie di packaging stanno iniziando a consentire l'impilamento 3D di chip di silicio uno sopra l'altro. Questi progetti 3D tendono a essere ancora indicati come chip singoli, così come i SoC. Un SoC che utilizza chiplet distinti è differenziato come System In Package o SIP.

La progettazione di un sistema che integri tutto in un singolo chip è eccellente per ambienti con limiti di spazio poiché la densità IP su silicio è estremamente elevata. Tuttavia, si verificano sfide spaziali. I chip più grandi tendono ad avere rese inferiori poiché è più probabile che i difetti nel wafer di silicio influiscano su un determinato chip. Mettere insieme molta potenza di elaborazione significa anche che può esserci molta produzione di calore. Tutto ciò significa che è necessario scendere a compromessi per garantire un sistema stabile. Ciò si sincronizza bene anche con i requisiti di alimentazione dei numerosi dispositivi alimentati a batteria che utilizzano SoC in cui l'efficienza energetica è fondamentale.

Per i dispositivi dell'utente finale diretto, è necessario trovare un equilibrio tra elevata efficienza energetica e prestazioni elevate. A tal fine, la maggior parte dei SoC per smartphone utilizza una gamma di core della CPU, alcuni dei quali ottimizzati per le prestazioni e altri ottimizzati per l'efficienza.

Posizionando tutto su un singolo chip, la latenza è ridotta al minimo e si possono ottenere larghezze di banda più elevate. Inoltre, la potenza necessaria per comunicare i segnali è ridotta poiché i "cavi" sono più corti. Con un chip strettamente integrato, c'è meno da sbagliare. Inoltre, i costi di produzione non includono i costi per passaggi di combinazione aggiuntivi come in un progetto di chiplet.

Limitazioni di un SoC

L'unica più grande limitazione di un SoC è la densità di calore/potenza. È difficile raffreddare i dispositivi, soprattutto qualcosa come uno smartphone che deve fare affidamento sul raffreddamento passivo. Un SoC deve essere sintonizzato sul suo inviluppo termico previsto. Questo è in definitiva il fattore limitante delle prestazioni sugli smartphone. Quando viene esteso a dispositivi con un raffreddamento più attivo come i recenti libri Mac con silicio progettato da Apple, il budget energetico può essere aumentato in quanto il calore può essere dissipato in modo più efficiente. Pertanto, i chip M1 e M2 offrono una potenza di elaborazione significativamente maggiore rispetto a un SoC per smartphone.

C'è un limite a questo però. Le moderne CPU e GPU di fascia alta sono già incredibilmente calde. Semplicemente non puoi semplicemente integrare entrambi in un unico grande SoC. La densità termica sarebbe semplicemente troppo alta e sarebbe praticamente impossibile raffreddare. Alcuni di questi dispositivi, GPU più che CPU, stanno anche raggiungendo i limiti della tecnologia attuale per quanto riguarda i chip monolitici. Questo può essere visto con il passaggio già iniziato verso i progetti di chiplet.

I chiplet aiutano in molti modi, riducendo alcuni costi di progettazione e aumentando i rendimenti, ma non hanno un effetto massiccio sulle termiche poiché i chiplet devono ancora essere impacchettati molto vicini l'uno all'altro e condividere la stessa apparecchiatura di dissipazione del calore. In quanto tale, c'è solo così tanta potenza di elaborazione che può essere stipata in un SoC prima che diventi troppo grande e ingombrante, a quel punto è possibile ottenere prestazioni migliori suddividendo i componenti come si vede nei computer moderni.

Detto questo, i computer stanno lentamente integrando sempre più funzionalità nella CPU. Ci sono vantaggi in termini di prestazioni nel farlo. Tuttavia, è improbabile che questo processo si estenda troppo. È improbabile che l'archiviazione di massa, la DRAM e la grafica di fascia alta siano integrate.

Conclusione

SoC sta per System on Chip. Non deve essere confuso con SOC che sta per Security Operations Center o Systems and Organization Controls. È il concetto di integrare la maggior parte dei componenti di un dispositivo informatico direttamente in un singolo chip di silicio. Il cuore del chip è la CPU, ma sono inclusi direttamente anche la maggior parte degli altri componenti e la potenza di elaborazione. Il paradigma del design SoC ha avuto un enorme successo nel mercato degli smartphone. Vede anche l'uso in dispositivi embedded, IoT e sistemi industriali dove offre più "intelligenti" rispetto ai microcontrollori tradizionali. I SoC si possono trovare anche nei tablet e in alcuni laptop sottili e leggeri.

Dato il loro mercato, i SoC sono generalmente ottimizzati per l'efficienza energetica con prestazioni di picco opzionali su richiesta. Tuttavia, questo non è necessariamente parte integrante del design. Le prestazioni complessive sono limitate dalla densità termica, il che implica che ci sono limiti su quante funzionalità dovrebbero essere integrate in un SoC piuttosto che essere suddivise.