Systém na čipe je malý čip so všetkými potrebnými elektronickými komponentmi a obvodmi. V anglickej literatúre sa používa pojem SoC (system-on-a-chip). Systém v zariadení na detekciu zvuku môže obsahovať ADC, audio prijímač, pamäť, mikroprocesor a užívateľské I/O logické ovládanie na jednom čipe.
V medicíne môže systém SoC založený na nano-robotoch pôsobiť ako programovateľné protilátky na oddialenie skorých ochorení. Videozariadenia založené na čipoch môžu pomôcť nevidomým ľuďom tým, že im umožnia prijímať obraz, a zvukové zariadenia SoC môžu nepočujúcim ľuďom umožniť počuť. Systém na čipe sa vyvíja spolu s ďalšími technológiami, ako je SOI (kremík na izolátore).
Definície pojmov
Systém SoC kombinuje požadované elektronické obvody rôznych počítačových komponentov na jednom integrovanom čipe (IC). SoC je kompletný substrátový elektronický systém, ktorý môže obsahovať analógové,digitálne, zmiešané alebo RF funkcie. Jeho komponenty zvyčajne zahŕňajú grafickú procesorovú jednotku (GPU), centrálnu procesorovú jednotku (CPU), ktorá môže byť viacjadrová, a systémovú pamäť (RAM).
Pretože systém na čipe obsahuje hardvér aj softvér, spotrebuje menej energie, má lepší výkon, vyžaduje menej miesta a je spoľahlivejší ako systémy s viacerými čipmi. Väčšina systémových čipov je dnes súčasťou mobilných zariadení, ako sú smartfóny a tablety.
Systém-on-a-chip je špeciálne navrhnutý tak, aby spĺňal štandardy pre zabudovanie požadovaných elektronických obvodov mnohých počítačových komponentov do jedného integrovaného čipu. Namiesto systému, ktorý spája viacero čipov a komponentov do PCB, SoC vytvára všetky potrebné obvody v jedinom zariadení.
Výzvy SoC zahŕňajú vyššie náklady na prototypovanie, architektúru a zložitejšie ladenie. Integrované obvody nie sú nákladovo efektívne. To sa však môže zmeniť s pokrokom technológie.
Požadované parametre mikročipu
Systém na čipe SoC sú veľmi zložité zariadenia. Napríklad Qualcomm's Snapdragon 600 system-on-a-chip je SoC, ktorý sa používal v starom smartfóne Samsung Galaxy.
Ľudia chcú mať možnosť používať svoje smartfóny na surfovanie po internete, počúvanie hudby, sledovanie videí, používanie GPS navigácie, fotenie a videá, hranie hier, prístup na sociálne siete. Všetky tieto vlastnostisú vybavené nielen dobrým procesorom, ale aj výkonným grafickým čipom System on Chip SoC, rýchlym bezdrôtovým Bluetooth čipsetom a podporou pripojenia k 4G sieťam. To všetko by malo fungovať s čo najmenšou spotrebou energie.
Riešením je miniaturizácia všetkého, čo sa dá nainštalovať. Zariadenia by mali byť čo najviac stlačené a umiestnené kompaktne na menšom povrchu. Výsledkom je vyšší výpočtový výkon a nižšia spotreba energie. Presne toto ponúka SoC.
Design systému na čipe
Koncepčne existujú tri úrovne stratégie dizajnu funkčných čipov. Prvou úrovňou je symetria bodovej skupiny. Určuje prítomnosť alebo neprítomnosť určitej fyzickej odozvy a anizotropie kryštálu. Preto ho možno použiť na vyhľadávanie a ochranu nových funkčných kryštálov.
Symetria skupín bodov je nevyhnutnou požiadavkou, ale nie dostatočnou podmienkou pre funkčný kryštál. Aby systém SNK na čipe vykazoval konkrétnu vlastnosť, musí byť doplnený o druhú úroveň stratégie návrhu – štruktúru alebo symetriu priestorovej skupiny.
Napokon, na zlepšenie alebo optimalizáciu odozvy existuje tretia úroveň stratégie molekulárneho inžinierstva, ktorá zahŕňa jemné doladenie elektronických alebo magnetických štruktúr stavebných blokov atómov, molekúl a kryštálových zhlukov.
Komponentymobilné zariadenia
Systém SoC-on-a-chip môže mať rôzne prvky v závislosti od účelu. Keďže drvivá väčšina SoC sa používa na smartfónoch, ponúkame zoznam najbežnejších komponentov takýchto zariadení:
- CPU je jadrom SoC. Toto je časť, ktorá je zodpovedná za väčšinu výpočtov a rozhodnutí. Prijíma vstup z iných hardvérových komponentov a softvéru a poskytuje vhodné výstupné odozvy. Bez CPU by nebolo SoC. Väčšina dnešných procesorov má vo vnútri dve, štyri alebo osem jadier.
- GPU – skrátené pre modul na spracovanie grafiky. Nazýva sa aj video čip. GPU je zodpovedný za 3D hry, ako aj za úhľadné vizuálne prechody, ktoré sú viditeľné v rozhraní akéhokoľvek zariadenia, ktoré používa jednočipový systém.
- Pamäť RAM – všetky počítačové zariadenia potrebujú na fungovanie pamäť. Aby ste mohli spúšťať aplikácie a softvérové údaje, musíte ich používať. Na to musí mať systém na čipe RAM.
- ROM – Každé zariadenie musí mať pamäť ROM na uloženie softvéru, ako je firmvér alebo operačný systém, na ktorom beží.
- Modem – smartfón nebude telefónom, ak sa nedokáže pripojiť k rádiovým sieťam. Modemy sa starajú o sieť alebo mobilné pripojenie.
Okrem CPU a pamäte môžu ďalšie SoC obsahovať rozhrania PCIe určené prepripojenie rádiových vysielačov, rozhraní SATA alebo zariadení USB.
Dizajn čipu
Systémy na čipe musia mať na vykonávanie výpočtov polovodičové pamäťové bloky. V závislosti od aplikácie SoC môže pamäť tvoriť hierarchiu pamäte a vyrovnávacej pamäte. To je bežné na trhu mobilných počítačov, ale nie je to potrebné v mnohých vstavaných mikrokontroléroch s nízkou spotrebou.
Technológie pamäte pre SoC zahŕňajú pamäť iba na čítanie (ROM), pamäť s náhodným prístupom (RAM), elektricky vymazateľné programovateľné pamäte ROM (EEPROM) a pamäť flash. Rovnako ako pri iných počítačových systémoch, RAM možno rozdeliť na relatívne rýchlejšiu, ale drahšiu statickú RAM (SRAM) a pomalšiu, ale lacnejšiu dynamickú RAM (DRAM), ako je systém na čipe zobrazený v tomto článku.
Externé rozhrania
SoC obsahujú externé rozhrania, zvyčajne pre komunikačné protokoly. Často sú založené na priemyselných štandardoch, ako sú USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C a ďalšie. Podporované môžu byť aj protokoly bezdrôtovej siete, ako je Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN a komunikácia nablízku.
V prípade potreby obsahujú SoC analógové rozhrania na spracovanie signálu. Môžu interagovať s rôznymi typmi senzorov alebo akčných členov, vrátane inteligentných prevodníkov. Môžu tiež kontaktovať konkrétnychmodulové aplikácie alebo byť interné v SoC, napríklad ak je v SoC zabudovaný analógový senzor a jeho hodnoty sa musia previesť na digitálne signály na matematické spracovanie.
procesory digitálneho signálu
Procesory digitálneho signálu (DSP) sú často súčasťou systémov na čipe. Vykonávajú spracovanie prevádzkových signálov pre senzory, akčné členy, zber dát, analýzu dát a spracovanie multimédií. Jadrá DSP majú zvyčajne veľmi dlhé slovo inštrukcie (VLIW) a architektúru jednosmernej inštrukčnej sady, takže sú prístupné na využitie paralelizmu.
4jadrá DSP najčastejšie obsahujú inštrukcie špecifické pre aplikáciu a sú procesormi sady manuálov pre špecifickú aplikáciu ASIP. Takéto pokyny zodpovedajú špecializovaným funkčným jednotkám.
Typické inštrukcie DSP zahŕňajú viacnásobnú akumuláciu, rýchlu Fourierovu transformáciu, hladké násobenie a konvolúciu. Ako pri iných počítačových systémoch, SoC vyžadujú zdroje hodín na generovanie hodinových signálov, riadenie vykonávania funkcií a poskytovanie kontextu časovania pre aplikácie na spracovanie signálov, ak je to potrebné.
Populárnymi zdrojmi času sú kryštálové oscilátory a fázovo uzamknuté slučky. SoC tiež zahŕňajú regulátory napätia a obvody správy napájania.
Rozdiel medzi SoC a CPU
Kedysi si veľa ľudí myslelo, že procesor je úplne izolovaný od monitora. Teraz mnohí chápu, že CPU je len malá časť,a počítač sa skladá z mnohých častí.
Systém na čipe je doska elektronických obvodov, ktorá integruje všetky potrebné komponenty v počítači a iných elektronických systémoch. Patria sem GPU, CPU, pamäť, obvody správy napájania, ovládač USB, bezdrôtové rádiá a ďalšie. Tieto komponenty sú prispájkované na základnej doske, ktorá sa líši od bežných počítačov, ktorých časti je možné kedykoľvek vymeniť.
Dalo by sa povedať, že systém na čipe (SoC) je to, čo sa stane, keď Vector od Despicable Me používa "lúčovú kompresiu" na plnohodnotnom počítači. Vďaka sile miniaturizácie je System on a Chip funkčným počítačom, ktorý bol komprimovaný tak, aby sa zmestil na jeden silikónový čip.
Kde sa žetóny používajú
SoC je zvyčajne malý a nezaberá veľa miesta vo vnútri elektronického zariadenia, takže je ideálny pre menšie zariadenia. Kombinuje veľa rôznych častí na jednom čipe, čo znamená, že jeho výrobca nemusí míňať čas, peniaze a zdroje kladením významných fyzických častí a budovaním dlhých obvodov, čo zase znamená nižšiu produkciu a náklady. Systémy na čipe sú oveľa efektívnejšie ako systémy so samostatnými samostatnými komponentmi, ako sú stolné počítače alebo notebooky. SoC môže bežať na batérie dlhší čas.
Tradičné prístupy k elektronike boli o vytváraní systémov, ktoré fungujú na individuálnom princípenezávislé časti. Príkladom sú počítače a notebooky. Neustála miniaturizácia všetkého okolo však znamená, že sa čoraz viac spoliehajú na menšie, energeticky efektívnejšie systémy na čipe. Smartfóny, tablety a dokonca aj IoT (Internet of Things) zariadenia dokazujú, že systémy na čipoch sú dôležitou súčasťou budúcnosti všetkej elektroniky.
Zariadenie Intel Pentium N3710
Pentium N3710 je 64-bitový štvorjadrový systém na čipe navrhnutý spoločnosťou Intel a predstavený začiatkom roka 2015 pod číslom dielu 3710. Založený na mikroarchitektúre Airmont. Tento čip pracuje na frekvencii 1,6 GHz s režimom až 2,57 GHz. SoC obsahuje HD Graphics 405 GPU, ktorý má 16 výkonných jednotiek a beží na 400 MHz
Podrobnosti o architektúre systému N3710 na čipe:
- Dizajnér – Intel.
- Výrobca – Intel.
- Číslo modelu – N3710.
- Číslo dielu – FH8066501715927
- Rozsah – mobil.
- Vydanie – marec 2015
- Pentium série N3000.
- Frekvencia – 1600 MHz.
- Rýchlosť - 2567 MHz (1 jadro).
- Typ zbernice – IDI CPUID 406C4.
- Mikroarchitektúra – Airmont.
- Hlavné meno je Braswell.
- Technológia – CMOS.
- Veľkosť slova – 64-bit.
- Maximálny počet procesorov – jednoprocesorový.
- Maximálna pamäť je 8 G.
- teplota PP 0 C – 90 C.
- IntegrovanéInformácie o grafike GPU – HD Graphics 405.
- Maximálna frekvencia je 700 MHz.
Výhody čipových systémov
Hlavný účel použitia SOC v dizajne zahŕňa kroky, ktoré tvoria výhody zariadenia:
- SOC má malú veľkosť, ale obsahuje veľa funkcií.
- Flexibilita. Pokiaľ ide o veľkosť čipu, výkon a tvarový faktor, tieto systémy je veľmi ťažké prekonať inými zariadeniami.
- Nákladová efektívnosť, najmä pre špecifické aplikácie SoC, ako je video kód.
- Systém na čipe je nespočetný. V prípade produktov s vysokou kapacitou zjednodušujú ochranu zdrojov a náklady na inžinierstvo.
Takéto vynikajúce zariadenie má však svoje nevýhody:
- Veľká časová investícia. Proces návrhu SoC môže trvať od 6 do 12 mesiacov.
- Obmedzené zdroje.
- Ak sa vyvíja produkt s malým objemom, bude potrebné špičkové vybavenie. Môže byť lepšie použiť hardvér tretej strany, tráviť čas a zdroje aplikačným softvérom.
Systémy na čipe majú veľkú nevýhodu, že sa nedajú vôbec prispôsobiť. Inými slovami, nemožno ich upgradovať. Systém na čipe zvyčajne zaniká rovnako, ako bol vytvorený. Počas celej životnosti sa v ňom nič nemení. Ak sa niečo pokazí vo vnútri prístroja, nie je možné opraviť alebo zmeniť iba túto časť. Treba vymeniť celý SoC.
Najväčší výrobcoviamobilné čipy
Ponúkame stručný prehľad systémov na čipe od hlavných výrobcov: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA a Broadcom. Qualcomm, NVIDIA a MediaTek vyrábajú a predávajú predovšetkým mobilné SoC pre hardvérové spoločnosti na použitie v zariadeniach, ktoré vyrábajú. Broadcom vyrába SoC, ktoré sa používajú v smerovačoch a sieťových zariadeniach, a Samsung a Huawei nielen vyrábajú SoC, ale sú dve najväčšie spoločnosti na svete v ich používaní.
Nedá sa povedať, ktorý systém na čipe je najlepší. Dizajn a vývoj systémov na čipe napreduje tak rýchlo, že v čase porovnania bude táto možnosť už zastaraná. Treba si však uvedomiť, že najlepší SoC nemusí byť najlepší pre procesory alebo najrýchlejšie bezdrôtové prenosy.
