Co to jest SoC?

Jeśli kiedykolwiek zajrzałeś do wnętrza wieży PC, możesz zobaczyć, że jest tam wiele różnych komponentów. Twój przeciętny laptop zawiera większość tych samych komponentów, ale zmniejsza je, ponownie formatuje i wycina jak najwięcej „zmarnowanej” przestrzeni. Smartfon może robić to samo, co komputer stacjonarny lub laptop, choć trzeba przyznać, że nie tak szybko. Dzieje się tak, ponieważ zawiera ten sam rodzaj sprzętu. Jednak w maleńkiej obudowie smartfona naprawdę nie ma wystarczająco dużo miejsca, aby rzeczy wyglądały jak laptop. Aby obejść znaczne ograniczenia przestrzenne, zastosowano całkowicie nowy paradygmat projektowania.

System na chipie

Komputer jest zasilany przez procesor, smartfon przez SoC lub system na chipie. SoC zawiera procesor, ale zawiera również znacznie więcej. I to właśnie go wyróżnia, dzięki czemu mały smartfon może oferować te same funkcje, co komputer, jednocześnie mieszcząc się w kieszeni i zużywając niewielką baterię.

Uwaga: SoC to skrót od System on Chip, jednak skrót System on a Chip ma większy sens gramatyczny. Jeśli to pomaga, możesz założyć, że „a” jest w nawiasie i jest zakładane, ale niewypowiedziane.

Paradygmat komputerowy polega na oddzieleniu części, dzięki czemu można niezależnie zoptymalizować każdą z nich i odpowiednio je schłodzić, chociaż laptopy mają zwykle problemy z tą ostatnią częścią. Paradygmat mobilny polega na zgrupowaniu wszystkiego razem w jeden wszechogarniający super-chip, pełny system komputerowy na jednym chipie.

Co zawiera SoC?

To naprawdę zależy od SoC i tego, do czego jest przeznaczony. Musi zawierać co najmniej jeden rdzeń przetwarzający. Może to być rdzeń procesora ogólnego przeznaczenia, rdzeń mikrokontrolera lub coś bardziej szczegółowego, na przykład cyfrowy procesor sygnałowy. Zazwyczaj SoC zawiera wiele rdzeni przetwarzających, chociaż niektóre proste produkty mogą wykorzystywać tylko jeden. SoC musi również zawierać jakiś rodzaj połączenia, aby połączyć różne komponenty w chipie. Historycznie była to wspólna magistrala, jednak obecne i przyszłe systemy zmierzają w kierunku bardziej niezawodnego systemu podobnego do sieci, określanego jako NoC lub Network on Chip.

Wskazówka: NoC nie należy mylić z NOC lub Network Operations Center.

Prawie wszystko inne jest opcjonalne, chociaż musi zawierać więcej, aby był to SoC. Pamięć i kontroler pamięci można zintegrować z chipem w postaci pamięci podręcznej SRAM i DRAM, chociaż można również użyć pamięci poza chipem. SoC przeznaczone dla smartfonów mają zwykle zintegrowane inne typy jednostek przetwarzających, takie jak GPU, NPU i cyfrowy procesor sygnałowy.

zzz

Dlaczego warto wybrać SoC?

Zazwyczaj SoC będzie pojedynczym monolitycznym układem krzemowym. To powiedziawszy, nowoczesne technologie pakowania zaczynają umożliwiać układanie 3D chipów krzemowych jeden na drugim. Te projekty 3D nadal są zwykle określane jako pojedyncze chipy, podobnie jak SoC. SoC, który wykorzystuje różne chiplety, jest określany jako system w pakiecie lub SIP.

Projektowanie systemu, który integruje wszystko w jednym chipie, doskonale sprawdza się w środowiskach o ograniczonej przestrzeni, ponieważ gęstość adresów IP na krzemie jest niezwykle wysoka. Niemniej jednak wyzwania kosmiczne się zdarzają. Większe chipy mają zwykle niższą wydajność, ponieważ defekty płytki krzemowej częściej wpływają na dany chip. Łączenie dużej mocy obliczeniowej oznacza również dużą produkcję ciepła. Łącznie oznacza to, że należy iść na kompromisy, aby zapewnić stabilny system. To również dobrze współdziała z wymaganiami dotyczącymi zasilania wielu urządzeń zasilanych bateryjnie, które wykorzystują SoC, gdzie efektywność energetyczna jest kluczowa.

W przypadku urządzeń przeznaczonych bezpośrednio dla użytkowników końcowych należy znaleźć równowagę między wysoką efektywnością energetyczną a wysoką wydajnością. W tym celu większość SoC smartfonów wykorzystuje szereg rdzeni procesora, z których niektóre są dostrojone pod kątem wydajności, a inne dostrojone pod kątem wydajności.

Dzięki umieszczeniu wszystkiego na jednym chipie, opóźnienia są zminimalizowane i można osiągnąć wyższą przepustowość. Dodatkowo zmniejsza się moc potrzebna do przesyłania sygnałów, ponieważ „kable” są krótsze. Dzięki ściśle zintegrowanemu chipowi jest mniej błędów. Ponadto koszty produkcji nie obejmują kosztów dodatkowych etapów łączenia, takich jak projekt chipletu.

Ograniczenia SoC

Największym ograniczeniem SoC jest gęstość ciepła/mocy. Trudno jest chłodzić urządzenia, zwłaszcza coś takiego jak smartfon, który musi polegać na chłodzeniu pasywnym. SoC musi być dostrojony do oczekiwanej obwiedni termicznej. Jest to ostatecznie czynnik ograniczający wydajność smartfonów. Po rozszerzeniu na urządzenia z bardziej aktywnym chłodzeniem, takie jak najnowsze książki Mac z samodzielnie zaprojektowanym układem Apple, można zwiększyć budżet mocy, ponieważ ciepło może być rozpraszane bardziej efektywnie. W związku z tym chipy M1 i M2 oferują znacznie większą moc obliczeniową niż SoC smartfona.

Istnieje jednak granica tego. Nowoczesne, wysokiej klasy procesory i karty graficzne są już niewiarygodnie gorące. Po prostu nie można po prostu zintegrować obu w jeden wielki SoC. Gęstość termiczna byłaby po prostu zbyt wysoka i zasadniczo niemożliwe byłoby ochłodzenie. Niektóre z tych urządzeń, w których procesory graficzne są bardziej niż procesory, również osiągają granice obecnej technologii, jeśli chodzi o układy monolityczne. Można to zaobserwować, biorąc pod uwagę rozpoczętą już zmianę w kierunku projektów chipletów.

Chiplety pomagają na wiele sposobów, zmniejszając niektóre koszty projektowania i zwiększając wydajność, ale nie mają ogromnego wpływu na termikę, ponieważ chiplety nadal muszą być pakowane bardzo blisko siebie i korzystać z tego samego sprzętu do rozpraszania ciepła. W związku z tym jest tylko tyle mocy obliczeniowej, którą można upchnąć w SoC, zanim stanie się on zbyt duży i nieporęczny, w którym to momencie można osiągnąć większą wydajność, dzieląc komponenty, jak widać w nowoczesnych komputerach.

To powiedziawszy, komputery powoli integrują coraz więcej funkcji z procesorem. Istnieją korzyści związane z wydajnością. Jest mało prawdopodobne, aby ten proces zaszedł jednak zbyt daleko. Szczególnie mało prawdopodobne jest zintegrowanie pamięci masowych, DRAM i wysokiej klasy grafiki.

Wniosek

SoC oznacza system na chipie. Nie należy go mylić z SOC, co oznacza Security Operations Center lub Systems and Organization Controls. Jest to koncepcja integracji większości komponentów urządzenia komputerowego bezpośrednio w jednym chipie krzemowym. Rdzeniem chipa jest procesor, ale większość innych komponentów i moc obliczeniowa są również bezpośrednio uwzględnione. Paradygmat projektowania SoC odniósł ogromny sukces na rynku smartfonów. Widzi również zastosowanie w urządzeniach wbudowanych, IoT i systemach przemysłowych, w których oferuje więcej „inteligentnych” rozwiązań niż tradycyjne mikrokontrolery. SoC można również znaleźć w tabletach i niektórych cienkich i lekkich laptopach.

Biorąc pod uwagę ich rynek, SoC są zazwyczaj dostrojone pod kątem energooszczędności z opcjonalną szczytową wydajnością na żądanie. Niekoniecznie jest to jednak integralną częścią projektu. Ogólna wydajność jest ograniczona gęstością termiczną, co oznacza, że ​​istnieją ograniczenia co do tego, ile funkcji należy zintegrować z SoC, a nie podzielić.