Wat is een SoC?

Als je ooit in een pc-toren hebt gekeken, zie je dat er veel verschillende componenten zijn. Uw gemiddelde laptop bevat de meeste van dezelfde componenten, maar verkleint ze, formatteert ze opnieuw en snijdt zoveel mogelijk "verspilde" ruimte weg. Een smartphone kan dezelfde dingen doen als een desktop- of laptopcomputer, hoewel weliswaar niet zo snel. Het doet dit omdat het dezelfde soort hardware bevat. In de kleine behuizing van een smartphone is er echter echt niet genoeg ruimte om dingen er zelfs maar uit te laten zien als een laptop. Om de aanzienlijke ruimtebeperkingen te omzeilen, wordt een geheel nieuw ontwerpparadigma gebruikt.

Systeem op chip

Een computer wordt aangedreven door een CPU, een smartphone door een SoC of een System on Chip. De SoC bevat een CPU, maar bevat ook veel meer dan dat. En dat is wat het onderscheidt, en stelt de kleine smartphone-vormfactor in staat om dezelfde functies te bieden als een computer, terwijl hij in je zak past en op een kleine batterij werkt.

Opmerking: SoC is een afkorting van System on Chip, maar de samentrekking System on a Chip is grammaticaal logischer. Als het helpt, kun je aannemen dat de "a" tussen haakjes staat en wordt verondersteld maar onuitgesproken.

Het computerparadigma is om de onderdelen te scheiden, zodat je ze onafhankelijk van elkaar kunt optimaliseren en goed kunt koelen, hoewel laptops de neiging hebben om met dat laatste onderdeel te worstelen. Het mobiele paradigma is om alles samen te voegen tot één allesomvattende superchip, een volledig computersysteem op één enkele chip.

Wat bevat een SoC?

Het hangt echt af van de SoC en waarvoor deze bedoeld is. Het moet wel ten minste één verwerkingskern bevatten. Dit kan een CPU-kern voor algemeen gebruik zijn, of het kan een microcontroller-kern zijn of iets specifieker, zoals een digitale signaalprocessor. Doorgaans bevat een SoC meerdere verwerkingskernen, hoewel sommige eenvoudige producten er slechts één gebruiken. Een SoC moet ook een soort interconnect bevatten om verschillende componenten op de chip met elkaar te verbinden. Historisch gezien was dit een gedeelde bus, maar huidige en toekomstige systemen neigen naar een robuuster netwerkachtig systeem dat een NoC of Network on Chip wordt genoemd.

Tip: Een NoC is niet te verwarren met een NOC of Network Operations Centre.

Vrijwel al het andere is optioneel, hoewel er meer moet zijn om het een SoC te laten zijn. Geheugen en de geheugencontroller kunnen in de chip worden geïntegreerd in de vorm van SRAM-cache en DRAM, hoewel ook off-chipgeheugen kan worden gebruikt. SoC's die bedoeld zijn voor smartphones hebben meestal andere soorten verwerkingseenheden zoals een GPU, NPU en digitale signaalprocessor geïntegreerd.

zzz

Waarom kiezen voor een SoC?

Doorgaans zal een SoC een enkele monolithische siliciumchip zijn. Dat gezegd hebbende, beginnen moderne verpakkingstechnologieën de 3D-stapeling van siliciumchips op elkaar mogelijk te maken. Deze 3D-ontwerpen worden nog steeds enkele chips genoemd, net als SoC's. Een SoC die gebruik maakt van verschillende chiplets wordt gedifferentieerd als een System In Package of SIP.

Het ontwerpen van een systeem dat alles in een enkele chip integreert, is uitstekend geschikt voor omgevingen met beperkte ruimte, aangezien de IP-dichtheid op silicium extreem hoog is. Toch doen zich ruimte-uitdagingen voor. Grotere chips hebben over het algemeen lagere opbrengsten, omdat defecten in de siliciumwafer waarschijnlijker een bepaalde chip aantasten. Door veel rekenkracht bij elkaar te pakken, kan er ook veel warmte geproduceerd worden. Gecombineerd betekent dit dat er compromissen moeten worden gesloten om een ​​stabiel systeem te garanderen. Dit sluit ook goed aan bij de stroomvereisten van de vele batterijgevoede apparaten die gebruikmaken van SoC's waar energie-efficiëntie de sleutel is.

Voor directe eindgebruikersapparaten moet een balans worden gevonden tussen hoge energie-efficiëntie en hoge prestaties. Daartoe gebruiken de meeste SoC's voor smartphones een reeks CPU-kernen, waarvan sommige zijn afgestemd op prestaties en andere zijn afgestemd op efficiëntie.

Door alles op één chip te plaatsen, wordt de latentie geminimaliseerd en kunnen hogere bandbreedtes worden bereikt. Bovendien is het vermogen dat nodig is om signalen over te brengen verminderd, aangezien de "kabels" korter zijn. Met een strak geïntegreerde chip is er minder mis te gaan. Bovendien zijn de productiekosten exclusief kosten voor extra combinatiestappen, zoals bij een chipletontwerp.

Beperkingen van een SoC

De grootste beperking van een SoC is de warmte/vermogensdichtheid. Het is moeilijk om apparaten te koelen, vooral zoiets als een smartphone die afhankelijk is van passieve koeling. Een SoC moet worden afgestemd op de verwachte thermische envelop. Dit is uiteindelijk de prestatiebeperkende factor op smartphones. Bij uitbreiding naar apparaten met meer actieve koeling, zoals recente Mac-boeken met Apple's zelfontworpen silicium, kan het stroombudget worden verhoogd omdat die warmte efficiënter kan worden afgevoerd. Als zodanig bieden de M1- en M2-chips aanzienlijk meer verwerkingskracht dan een smartphone-SoC.

Hier zit wel een grens aan. Moderne high-end CPU's en GPU's zijn al ongelooflijk hot. Je kunt gewoon niet beide integreren in één grote SoC. De thermische dichtheid zou gewoon te hoog zijn en het zou in wezen onmogelijk zijn om af te koelen. Sommige van deze apparaten, meer GPU's dan CPU's, bereiken ook de grenzen van de huidige technologie voor zover monolithische chips gaan. Dit is te zien aan de verschuiving die al is ingezet naar chipletontwerpen.

Chiplets helpen op veel manieren, ze verlagen sommige ontwerpkosten en verhogen de opbrengsten, maar hebben geen enorm effect op de thermiek, aangezien de chiplets nog steeds heel dicht bij elkaar moeten worden verpakt en dezelfde warmteafvoerapparatuur moeten gebruiken. Als zodanig is er slechts zoveel verwerkingskracht die in een SoC kan worden gepropt voordat deze te groot en log wordt, waarna betere prestaties kunnen worden bereikt door componenten op te splitsen, zoals te zien is in moderne computers.

Dat gezegd hebbende, computers integreren langzaamaan steeds meer functies op de CPU. Dit heeft prestatievoordelen. Het is echter onwaarschijnlijk dat dit proces te ver reikt. Met name massaopslag, DRAM en high-end graphics zullen waarschijnlijk niet worden geïntegreerd.

Conclusie

SoC staat voor System on Chip. Het moet niet worden verward met SOC, wat staat voor Security Operations Center of Systems and Organization Controls. Het is het concept waarbij de meeste componenten van een computerapparaat rechtstreeks in een enkele siliciumchip worden geïntegreerd. De kern van de chip is de CPU, maar de meeste andere componenten en rekenkracht zijn ook direct inbegrepen. Het SoC-ontwerpparadigma is buitengewoon succesvol geweest op de smartphonemarkt. Het wordt ook gebruikt in embedded apparaten, IoT en industriële systemen waar het meer "slimme" biedt dan traditionele microcontrollers. SoC's zijn ook te vinden in tablets en sommige dunne en lichte laptops.

Gezien hun markt zijn SoC's doorgaans afgestemd op energie-efficiëntie met optionele piekprestaties op aanvraag. Dit is echter niet noodzakelijkerwijs een integraal onderdeel van het ontwerp. De algehele prestaties worden beperkt door thermische dichtheid, wat inhoudt dat er grenzen zijn aan de hoeveelheid functionaliteit die in een SoC moet worden geïntegreerd in plaats van te worden opgesplitst.