SoCとは何ですか?

PC タワーの内部を見たことがあれば、さまざまなコンポーネントがたくさんあることがわかるでしょう。平均的なラップトップには、ほとんど同じコンポーネントが含まれていますが、それらが縮小され、再フォーマットされ、可能な限り多くの「無駄な」スペースが削減されています。スマートフォンは、デスクトップやラップトップコンピューターと同じことを実行できますが、確かにそれほど速くはありません。これは、同じ種類のハードウェアが含まれているためです。しかし、スマートフォンの小さな本体には、ラップトップのように見えるものを置くのに十分なスペースはありません。重大なスペース制約を回避するために、まったく新しい設計パラダイムが使用されます。

システムオンチップ

コンピューターには CPU が搭載され、スマートフォンには SoC またはシステムオンチップが搭載されます。SoC には CPU が含まれていますが、それ以外のものも含まれています。そしてそれが差別化であり、小さなスマートフォンのフォームファクターがポケットに収まり、少ないバッテリーで動作しながら、コンピューターと同じ機能を提供できるようになります。

注: SoC は System on Chip の略ですが、文法的には System on a Chip の短縮形の方が適切です。それが役立つ場合は、「a」が括弧内にあり、仮定されているが言われていないと仮定することができます。

コンピューターのパラダイムは、各パーツを個別に最適化して適切に冷却できるようにパーツを分離することですが、ラップトップは最後のパーツで苦労する傾向があります。モバイルパラダイムは、すべてを 1 つの包括的なスーパーチップ、つまり単一チップ上のフルコンピューターシステムにグループ化することです。

SoCには何が含まれていますか?

実際には、SoC とその目的によって異なります。少なくとも 1 つのプロセッシングコアが含まれている必要があります。これは、汎用の CPU コアである場合もあれば、マイクロコントローラーコアである場合も、デジタルシグナルプロセッサーなどのより特殊なものである場合もあります。通常、SoC には複数のプロセッシングコアが含まれますが、一部の単純な製品では 1 つだけを使用する場合があります。SoC には、チップ上のさまざまなコンポーネントを接続するための何らかの相互接続も含まれている必要があります。歴史的に、これは共有バスでしたが、現在および将来のシステムは、NoC またはネットワークオンチップと呼ばれる、より堅牢なネットワークのようなシステムに向かう傾向にあります。

ヒント: NoC を NOC またはネットワークオペレーションセンターと混同しないでください。

他のほとんどすべてはオプションですが、SoC であるためにはさらに多くのものが含まれている必要があります。メモリおよびメモリコントローラは、SRAM キャッシュおよび DRAM の形式でチップに統合できますが、オフチップメモリも使用できます。スマートフォン向けの SoC には、GPU、NPU、デジタルシグナルプロセッサなどの他のタイプの処理ユニットが統合される傾向があります。

ズズズ

SoC を選択する理由

通常、SoC は単一のモノリシックシリコンチップです。とはいえ、最新のパッケージング技術により、シリコンチップを相互に 3D 積層することが可能になり始めています。これらの 3D 設計は依然としてシングルチップと呼ばれる傾向があり、SoC も同様です。個別のチップレットを利用する SoC は、システムインパッケージ (SIP) として区別されます。

すべてを 1 つのチップに統合するシステムの設計は、シリコン上の IP 密度が非常に高いため、スペースに制約のある環境に最適です。それにもかかわらず、スペースの問題は発生します。シリコンウェーハの欠陥が特定のチップに影響を与える可能性が高いため、チップが大きいほど歩留まりが低くなる傾向があります。大量の処理能力を詰め込むということは、大量の熱が発生する可能性があることも意味します。これらを組み合わせると、システムの安定性を確保するには妥協が必要になるということになります。これは、電力効率が重要な SoC を利用する多くのバッテリー駆動デバイスの電力要件ともうまく相乗効果を発揮します。

直接のエンドユーザーデバイスの場合、高い電力効率と高性能の間のバランスを見つける必要があります。そのために、ほとんどのスマートフォン SoC はさまざまな CPU コアを利用しており、その一部はパフォーマンスを重視して調整され、その他は効率を重視して調整されています。

すべてを単一チップ上に配置することで、遅延が最小限に抑えられ、より高い帯域幅を実現できます。さらに、「ケーブル」が短くなるにつれて、信号の通信に必要な電力も削減されます。チップが緊密に統合されているため、問題が発生する可能性はほとんどありません。さらに、製造コストには、チップレット設計などの追加の組み合わせステップにかかるコストは含まれません。

SoC の制限

SoC の最大の制限は、熱/電力密度です。デバイス、特にスマートフォンのような受動的冷却に頼らなければならないものを冷却することは困難です。SoC は、予想される熱エンベロープに合わせて調整する必要があります。これは最終的にはスマートフォンのパフォーマンスを制限する要因になります。Apple が自社設計したシリコンを搭載した最近の Mac ブックなど、よりアクティブな冷却を備えたデバイスに拡張すると、熱がより効率的に放散されるため、電力バジェットを増やすことができます。そのため、M1 および M2 チップは、スマートフォン SoC よりも大幅に高い処理能力を提供します。

ただし、これにも限界があります。最新のハイエンド CPU と GPU は、すでに信じられないほど高温になっています。両方を 1 つの大きな SoC に単純に統合することはできません。熱密度が高すぎるため、冷却することは基本的に不可能です。これらのデバイスの一部、CPU よりも GPU も、モノリシックチップに関する限り、現在のテクノロジーの限界に達しています。これは、チップレット設計への移行がすでに始まっていることからもわかります。

チップレットはさまざまな面で役立ち、設計コストの一部を削減し、歩留まりを向上させますが、チップレットは依然として互いに非常に近くにパッケージ化され、同じ熱放散装置を共有する必要があるため、熱に大きな影響を与えることはありません。そのため、SoC が大きくなりすぎて扱いにくくなる前に、SoC に詰め込める処理能力には限界があり、その時点で、現代のコンピューターで見られるようにコンポーネントを分割することで、より高いパフォーマンスを達成できます。

そうは言っても、コンピューターは徐々により多くの機能を CPU に統合しています。そうすることでパフォーマンス上の利点があります。ただし、このプロセスが大幅に延長される可能性は低いです。特に大容量ストレージ、DRAM、ハイエンドグラフィックスが統合される可能性は低いです。

結論

SoC はシステムオンチップの略です。Security Operations Center または Systems and Organization Controls の略である SOC と混同しないでください。これは、コンピューティングデバイスのほとんどのコンポーネントを単一のシリコンチップに直接統合するという概念です。チップのコアは CPU ですが、他のほとんどのコンポーネントと処理能力も直接含まれています。SoC 設計パラダイムは、スマートフォン市場で非常に成功しています。また、組み込みデバイス、IoT、および従来のマイクロコントローラーよりも「スマート」な産業システムでの使用も検討されています。SoC は、タブレットや一部の薄型軽量ラップトップにも搭載されています。

市場を考慮すると、SoC は通常、オンデマンドでオプションのピークパフォーマンスを備えた電力効率に合わせて調整されます。ただし、これは必ずしもデザインに不可欠なわけではありません。全体的なパフォーマンスは熱密度によって制限されます。これは、機能を分割するのではなく SoC に統合する必要がある機能の量に制限があることを意味します。