Ce este un SoC?

Dacă v-ați uitat vreodată în interiorul unui turn de PC, puteți vedea că există o mulțime de componente diferite. Laptopul tău obișnuit conține majoritatea componentelor, dar le micșorează, le reformatează și elimină cât mai mult spațiu „irosit”. Un smartphone poate face aceleași lucruri ca un computer desktop sau laptop, deși, desigur, nu la fel de repede. Face acest lucru deoarece conține același tip de hardware. Totuși, în corpul mic al unui smartphone, chiar nu există suficient spațiu pentru ca lucrurile să arate ca un laptop. Pentru a ocoli constrângerile semnificative de spațiu, este utilizată o paradigmă de design complet nouă.

Sistem pe cip

Un computer este alimentat de un CPU, un smartphone de un SoC sau un System on Chip. SoC-ul conține un procesor, dar conține și mult mai mult decât atât. Și acesta este ceea ce îl diferențiază și permite micului factor de formă a smartphone-ului să ofere aceleași caracteristici ca un computer în timp ce se potrivește în buzunar și funcționează cu o baterie mică.

Notă: SoC este prescurtarea pentru System on Chip, cu toate acestea, contracția System on a Chip are mai mult sens gramatical. Dacă vă ajută, puteți presupune că „a” este între paranteze și este presupus, dar nespus.

Paradigma computerului este de a separa părțile, astfel încât să le puteți optimiza în mod independent pe fiecare și să le răciți corespunzător, deși laptopurile tind să se lupte cu ultima parte. Paradigma mobilă este de a grupa totul într-un super-cip atotcuprinzător, un sistem computerizat complet pe un singur cip.

Ce conține un SoC?

Depinde cu adevărat de SoC și pentru ce este destinat. Trebuie să conțină cel puțin un nucleu de procesare. Acesta poate fi un nucleu CPU de uz general, sau poate fi un nucleu de microcontroler sau ceva mai specific, cum ar fi un procesor de semnal digital. De obicei, un SoC va conține mai multe nuclee de procesare, deși unele produse simple pot folosi doar unul. Un SoC trebuie să conțină, de asemenea, un fel de interconectare pentru a conecta diferite componente pe cip. Din punct de vedere istoric, aceasta a fost o magistrală partajată, cu toate acestea, sistemele actuale și viitoare au tendința către un sistem mai robust asemănător rețelei, denumit NoC sau Network on Chip.

Sfat: Un NoC nu trebuie confundat cu un NOC sau un Centru de operațiuni de rețea.

Aproape orice altceva este opțional, deși trebuie să fie conținut mai mult pentru ca acesta să fie un SoC. Memoria și controlerul de memorie pot fi integrate în cip sub formă de cache SRAM și DRAM, deși se poate folosi și memoria off-chip. SoC-urile destinate smartphone-urilor tind să aibă alte tipuri de unități de procesare, cum ar fi un GPU, un NPU și un procesor de semnal digital integrat.

zzz

De ce să alegeți un SoC?

De obicei, un SoC va fi un singur cip de siliciu monolit. Acestea fiind spuse, tehnologiile moderne de ambalare încep să permită stivuirea 3D a cipurilor de siliciu una peste alta. Aceste modele 3D tind să fie denumite în continuare cipuri unice, la fel și SoC-urile. Un SoC care utilizează chipleturi distincte este diferențiat ca un sistem în pachet sau SIP.

Proiectarea unui sistem care integrează totul într-un singur cip este excelentă pentru mediile cu spațiu limitat, deoarece densitatea IP pe siliciu este extrem de mare. Cu toate acestea, provocările spațiale apar. Cipurile mai mari tind să aibă randamente mai mici, deoarece defectele plachetei de siliciu sunt mai probabil să afecteze orice cip dat. Împachetarea multor puteri de procesare înseamnă, de asemenea, că poate exista o mulțime de producție de căldură. Combinat, aceasta înseamnă că trebuie făcute compromisuri pentru a asigura un sistem stabil. Acest lucru se sinergizează, de asemenea, bine cu cerințele de alimentare ale numeroaselor dispozitive alimentate cu baterii care utilizează SoC-uri unde eficiența energetică este esențială.

Pentru dispozitivele directe ale utilizatorului final, trebuie găsit un echilibru între eficiența energetică ridicată și performanță ridicată. În acest scop, majoritatea SoC-urilor smartphone utilizează o serie de nuclee CPU, unele dintre ele reglate pentru performanță, iar altele pentru eficiență.

Prin plasarea totul pe un singur cip, latența este minimizată și se pot obține lățimi de bandă mai mari. În plus, puterea necesară pentru a comunica semnalele este redusă, deoarece „cablurile” sunt mai scurte. Cu un cip strâns integrat, există mai puține lucruri de greșit. În plus, costurile de producție nu includ costurile pentru pașii suplimentari de combinație, cum ar fi în cazul unui design chiplet.

Limitările unui SoC

Cea mai mare limitare a unui SoC este densitatea căldurii/puterii. Este dificil să răcești dispozitivele, mai ales ceva de genul unui smartphone care trebuie să se bazeze pe răcirea pasivă. Un SoC trebuie să fie reglat la anvelopa termică așteptată. Acesta este în cele din urmă factorul de limitare a performanței pe smartphone-uri. Când este extins la dispozitive cu răcire mai activă, cum ar fi cărțile Mac recente cu siliciu auto-proiectat de Apple, bugetul de energie poate fi mărit, deoarece căldura poate fi disipată mai eficient. Ca atare, cipurile M1 și M2 oferă o putere de procesare semnificativ mai mare decât un SoC pentru smartphone.

Există totuși o limită la asta. Procesoarele și GPU-urile moderne de înaltă calitate sunt deja incredibil de fierbinți. Pur și simplu nu le puteți integra pe ambele într-un singur mare SoC. Densitatea termică ar fi pur și simplu prea mare și ar fi practic imposibil de răcit. Unele dintre aceste dispozitive, GPU-uri mai mult decât procesoare, ating, de asemenea, limitele tehnologiei actuale în ceea ce privește cipurile monolitice. Acest lucru poate fi văzut cu schimbarea care a început deja către modelele de chiplet.

Chipletele ajută în multe feluri, reducând unele costuri de proiectare și crescând randamentele, dar nu au un efect masiv asupra termică, deoarece chipleturile trebuie încă ambalate foarte aproape unele de altele și împărtășesc același echipament de disipare a căldurii. Ca atare, există doar atât de multă putere de procesare care poate fi înghesuită într-un SoC înainte ca acesta să devină prea mare și greu de manevrat, moment în care o performanță mai mare poate fi obținută prin împărțirea componentelor, așa cum se vede în computerele moderne.

Acestea fiind spuse, computerele integrează încet din ce în ce mai multe funcții pe procesor. Există beneficii de performanță în a face acest lucru. Cu toate acestea, este puțin probabil ca acest proces să se extindă prea mult. Este puțin probabil să fie integrate stocarea în masă, DRAM și grafica high-end.

Concluzie

SoC înseamnă System on Chip. Nu trebuie confundat cu SOC, care înseamnă Centrul de operațiuni de securitate sau Controlul sistemelor și organizației. Este conceptul de integrare a majorității componentelor unui dispozitiv de calcul direct într-un singur cip de siliciu. Miezul cipului este procesorul, dar majoritatea celorlalte componente și puterea de procesare sunt, de asemenea, incluse direct. Paradigma de design SoC a avut un succes deosebit pe piața smartphone-urilor. De asemenea, vede utilizarea în dispozitive încorporate, IoT și sisteme industriale, unde oferă mai multe „inteligente” decât microcontrolerele tradiționale. SoC-urile pot fi găsite și în tablete și în unele laptopuri subțiri și ușoare.

Având în vedere piața lor, SoC-urile sunt de obicei reglate pentru eficiența energetică, cu performanțe de vârf opționale la cerere. Totuși, acest lucru nu este neapărat parte integrantă a designului. Performanța generală este limitată de densitatea termică, ceea ce implică că există limite cu privire la cât de multă funcționalitate ar trebui integrată într-un SoC, mai degrabă decât să fie împărțită.