什麼是SoC？

如果您曾經查看過 PC 塔內部，就會發現其中有許多不同的組件。您的普通筆記本電腦包含大部分相同的組件，但將它們縮小、重新格式化並儘可能減少“浪費”的空間。智能手機可以做與台式機或筆記本電腦相同的事情，但誠然，速度沒有台式機或筆記本電腦快。它這樣做是因為它包含相同類型的硬件。不過，在智能手機的小巧機身中，確實沒有足夠的空間容納看起來像筆記本電腦的東西。為了解決顯著的空間限制，使用了全新的設計範例。

片上系統

計算機由 CPU 供電，智能手機由 SoC 或片上系統供電。SoC 包含一個 CPU，但它所包含的遠不止於此。這就是它的與眾不同之處，並使小巧的智能手機外形能夠提供與計算機相同的功能，同時可以放入口袋並使用小電池供電。

注意：SoC 是片上系統的縮寫，但是，片上系統的縮寫在語法上更有意義。如果有幫助，您可以假設“a”在括號中並且假設但未說。

計算機範例是將各個部分分開，這樣您就可以獨立優化每個部分並適當地冷卻它們，儘管筆記本電腦往往難以處理最後一部分。移動範例是將所有東西組合到一個包羅萬象的超級芯片中，一個完整的計算機系統在一個芯片上。

SoC 包含什麼？

這實際上取決於 SoC 及其用途。它確實需要包含至少一個處理核心。這可以是通用 CPU 內核，也可以是微控制器內核或更具體的東西，如數字信號處理器。通常，一個 SoC 將包含多個處理核心，儘管一些簡單的產品可能只使用一個。SoC 還必須包含某種互連以連接芯片上的不同組件。從歷史上看，這一直是共享總線，但是，當前和未來的系統正趨向於更強大的類似網絡的系統，稱為 NoC 或片上網絡。

提示：不要將 NoC 與 NOC 或網絡運營中心混淆。

幾乎所有其他內容都是可選的，但要成為 SoC 還必須包含更多內容。內存和內存控制器可以以 SRAM 緩存和 DRAM 的形式集成到芯片中，但也可以使用片外內存。用於智能手機的 SoC 往往集成了其他類型的處理單元，例如 GPU、NPU 和數字信號處理器。

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為什麼選擇 SoC？

通常，SoC 是單個單片矽芯片。也就是說，現代封裝技術開始實現矽芯片的 3D 堆疊。這些 3D 設計往往仍被稱為單芯片，SoC 也是如此。使用不同小芯片的 SoC 被區分為系統級封裝或 SIP。

設計一個將所有內容集成到單個芯片中的系統非常適合空間受限的環境，因為矽上的 IP 密度非常高。然而，太空挑戰確實存在。較大的芯片往往具有較低的產量，因為矽晶片中的缺陷更有可能影響任何給定的芯片。將大量處理能力打包在一起也意味著會產生大量熱量。這意味著必須做出妥協以確保系統穩定。這也可以很好地滿足許多使用 SoC 的電池供電設備的功率要求，其中功率效率是關鍵。

對於直接終端用戶設備，必須在高能效和高性能之間找到平衡點。為此，大多數智能手機 SoC 使用一系列 CPU 內核，其中一些針對性能進行了調整，另一些針對效率進行了調整。

通過將所有東西都放在一個芯片上，可以最大限度地減少延遲並實現更高的帶寬。此外，隨著“電纜”變短，傳輸信號所需的功率也會降低。使用緊密集成的芯片，出錯的可能性就會降低。此外，製造成本不包括小芯片設計等額外組合步驟的成本。

SoC 的局限性

SoC 的最大限制是熱/功率密度。設備很難冷卻，尤其是像智能手機這樣必須依賴被動冷卻的設備。SoC 必須調整到其預期的熱包絡。這最終是智能手機的性能限制因素。當擴展到具有更多主動冷卻的設備時，例如最近採用 Apple 自行設計的矽的 Mac 筆記本電腦，功率預算可以增加，因為熱量可以更有效地消散。因此，M1 和 M2 芯片提供比智能手機 SoC 更強大的處理能力。

但這有一個限制。現代高端 CPU 和 GPU 已經非常熱了。您根本無法將兩者集成到一個出色的大型 SoC 中。熱密度太高，基本上不可能冷卻。就單片芯片而言，其中一些設備，GPU 多於 CPU 也達到了當前技術的極限。這可以從已經開始轉向小芯片設計的轉變中看出。

小芯片在很多方面都有幫助，可以降低一些設計成本並提高產量，但不會對散熱產生巨大影響，因為小芯片仍然需要彼此非常靠近地封裝並共享相同的散熱設備。因此，在 SoC 變得太大和笨重之前，只能將這麼多的處理能力塞進 SoC 中，此時可以像現代計算機中看到的那樣，通過拆分組件來實現更高的性能。

也就是說，計算機正在慢慢地將越來越多的功能集成到 CPU 上。這樣做有性能上的好處。不過，這個過程不太可能延伸太遠。大容量存儲器、DRAM 和高端圖形尤其不太可能被集成。

結論

SoC 代表片上系統。不要將它與代表安全運營中心或系統和組織控制的 SOC 混淆。它是將計算設備的大部分組件直接集成到單個矽芯片中的概念。芯片的核心是 CPU，但其他大部分組件和處理能力也直接包括在內。SoC 設計範例在智能手機市場上非常成功。它還在嵌入式設備、物聯網和工業系統中得到應用，在這些方面它提供了比傳統微控制器更多的“智能”。SoC 也可以在平板電腦和一些輕薄型筆記本電腦中找到。

考慮到他們的市場，SoC 通常針對功率效率進行調整，並根據需要提供可選的峰值性能。但這不一定是設計不可或缺的一部分。整體性能受到熱密度的限制，這意味著應該將多少功能集成到 SoC 中而不是拆分出來是有限制的。