A chipen lévő rendszer egy kis chip az összes szükséges elektronikus komponenssel és áramkörrel. Az angol szakirodalomban a SoC (system-on-a-chip) kifejezést használják. A hangérzékelő eszköz rendszere tartalmazhat egy ADC-t, egy audiovevőt, egy memóriát, egy mikroprocesszort és egy felhasználói I/O logikai vezérlőt egyetlen chipen.
Az orvostudományban a nanorobotokon alapuló SoC-rendszer programozható antitestként működhet a korai betegségek késleltetése érdekében. A chip-alapú videoeszközök segíthetnek a vakoknak azáltal, hogy lehetővé teszik számukra a kép vételét, az SoC audioeszközök pedig hallóvá tehetik a siketeket. A chip-on-a-chip más technológiákkal együtt fejlődik, mint például a SOI (szilícium a szigetelőn).
A kifejezések definíciói
A SoC rendszer egyetlen integrált chipen (IC) egyesíti a különféle számítógép-alkatrészek szükséges elektronikus áramköreit. Az SoC egy teljes szubsztrát elektronikus rendszer, amely tartalmazhat analóg,digitális, vegyes vagy RF funkciókat. Összetevői általában egy grafikus feldolgozó egység (GPU), egy központi feldolgozó egység (CPU), amely többmagos is lehet, és rendszermemória (RAM).
Mivel a chip-rendszer hardvert és szoftvert is tartalmaz, kevesebb energiát fogyaszt, jobb a teljesítménye, kevesebb helyet igényel, és megbízhatóbb, mint a többchipes rendszerek. Manapság a legtöbb rendszerchip megtalálható a mobileszközökben, például okostelefonokban és táblagépekben.
A System-on-a-Chip-et kifejezetten úgy tervezték, hogy megfeleljen a számos számítógép-alkatrész megkívánt elektronikus áramkörének egyetlen integrált chipbe történő integrálására vonatkozó szabványoknak. A több chipet és alkatrészt egy PCB-re szerelő rendszer helyett az SoC egyetlen eszközben hozza létre az összes szükséges áramkört.
A SoC kihívásai közé tartozik a magasabb prototípus-készítési költségek, az architektúra és a bonyolultabb hibakeresés. Az IC-k nem költséghatékonyak. Ez azonban változhat a technológia fejlődésével.
Szükséges mikrochip-paraméterek
A System on Chip SoC-k nagyon összetett eszközök. Például a Qualcomm Snapdragon 600 chip-alapú rendszere az a SoC, amelyet a régi Samsung Galaxy okostelefonban használtak.
Az emberek szeretnék, ha okostelefonjukkal internetezni, zenét hallgatni, videókat nézni, GPS-navigációt használni, fényképeket és videókat készíteni, játszani, közösségi oldalakat szeretnének elérni. Mindezek a funkcióknem csak egy jó processzorral, hanem egy nagy teljesítményű System on Chip SoC grafikus chippel, egy gyors vezeték nélküli Bluetooth lapkakészlettel és a 4G hálózatokhoz való csatlakozás támogatásával is rendelkeznek. Mindez a legkisebb energiafogyasztás mellett működjön.
A megoldás az, hogy miniatürizálunk mindent, ami telepíthető. Az eszközöket a lehető legjobban össze kell nyomni, és kompaktan kell elhelyezni egy kisebb felületen. Ennek következménye a nagyobb feldolgozási teljesítmény és alacsonyabb energiafogyasztás. Pontosan ezt kínálja a SoC.
System-on-Chip Design
Elméletileg a funkcionális chipek tervezési stratégiájának három szintje van. Az első szint a pontcsoport szimmetriája. Megszabja a kristály bizonyos fizikai reakciójának és anizotrópiájának jelenlétét vagy hiányát. Ezért használható új funkcionális kristályok felkutatására és árnyékolására.
A pontcsoport szimmetria szükséges követelmény, de nem elégséges feltétele egy funkcionális kristálynak. Ahhoz, hogy egy chipen lévő SNK rendszer egy adott tulajdonságot mutasson, ki kell egészítenie a tervezési stratégia második szintjével – a tércsoport szerkezetével vagy szimmetriájával.
Végül, a válasz fokozása vagy optimalizálása érdekében létezik a molekuláris mérnöki tervezési stratégia harmadik szintje, amely magában foglalja az atomok, molekulák és kristályhalmazok építőelemeinek elektronikus vagy mágneses struktúráinak finomhangolását.
Alkatrészekmobileszközök
A lapkán lévő SoC-rendszer céljától függően többféle elemet tartalmazhat. Mivel az SoC-k túlnyomó többségét okostelefonokon használják, kínálunk egy listát az ilyen eszközök leggyakoribb összetevőiről:
- A CPU az SoC magja. Ez az a rész, amely a legtöbb számításért és döntésért felelős. Bemenetet fogad más hardverkomponensektől és szoftverektől, és megfelelő kimeneti válaszokat ad. CPU nélkül nem lenne SoC. A legtöbb processzor manapság két, négy vagy nyolc magot tartalmaz.
- GPU – a grafikus feldolgozó modul számára lerövidítve. Videochipnek is nevezik. A GPU felelős a 3D-s játékokért, valamint az ügyes vizuális átmenetekért, amelyek minden egychipes rendszert használó eszköz felületén láthatók.
- RAM Memória – minden számítástechnikai eszköznek memóriára van szüksége a működéshez. Alkalmazások és szoftveradatok futtatásához használnia kell azokat. Ehhez a chipen lévő rendszernek RAM-mal kell rendelkeznie.
- ROM – Minden eszköznek rendelkeznie kell ROM-memóriával a szoftverek, például a firmware vagy az operációs rendszer tárolására, amelyen fut.
- Modem – az okostelefon nem lesz telefon, ha nem tud csatlakozni rádióhálózatokhoz. A modemek gondoskodnak a hálózatról vagy a mobilkapcsolatról.
A CPU és a memória mellett más SoC-k tartalmazhatnak PCIe interfésztrádió adó-vevők, SATA interfészek vagy USB-eszközök csatlakoztatása.
Chip kialakítás
A chipen lévő rendszereknek félvezető memóriablokkokkal kell rendelkezniük a számítások elvégzéséhez. Az SoC alkalmazásától függően a memória a memória és a gyorsítótár hierarchiáját alkothatja. Ez gyakori a mobil számítástechnikai piacon, de sok kis fogyasztású beágyazott mikrokontrollerben nincs rá szükség.
Az SoC memóriatechnológiái közé tartozik az írásvédett memória (ROM), a véletlen hozzáférésű memória (RAM), az elektromosan törölhető programozható ROM (EEPROM) és a flash memória. A többi számítógépes rendszerhez hasonlóan a RAM felosztható a viszonylag gyorsabb, de drágább statikus RAM-ra (SRAM) és a lassabb, de olcsóbb dinamikus RAM-ra (DRAM), mint például az ebben a cikkben bemutatott chipen található rendszer.
Külső interfészek
A SoC-k külső interfészeket tartalmaznak, jellemzően kommunikációs protokollokhoz. Gyakran olyan iparági szabványokon alapulnak, mint az USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C stb. A vezeték nélküli hálózati protokollok, például a Wi-Fi, a Bluetooth, a 6LoWPAN és a közeli terepi kommunikáció szintén támogatottak lehetnek.
Ha szükséges, az SoC-k analóg interfészt is tartalmaznak a jelfeldolgozáshoz. Kölcsönhatásba léphetnek különféle típusú érzékelőkkel vagy aktuátorokkal, beleértve az intelligens átalakítókat is. Speciálisan is felvehetik a kapcsolatotmodulalkalmazások, vagy az SoC belsejében találhatóak, például ha analóg érzékelő van beépítve az SoC-ba, és a leolvasott értékeket digitális jelekké kell alakítani a matematikai feldolgozáshoz.
Digitális jelfeldolgozók
A digitális jelfeldolgozó processzorok (DSP-k) gyakran egy chipen találhatók a rendszerekben. Működési jelfeldolgozást végeznek érzékelők, aktuátorok számára, adatgyűjtést, adatelemzést és multimédiás feldolgozást. A DSP magok általában nagyon hosszú utasításszóval (VLIW) és egyirányú utasításkészlet architektúrával rendelkeznek, így alkalmasak a párhuzamosság kihasználására.
A 4DSP magok leggyakrabban alkalmazás-specifikus utasításokat tartalmaznak, és az ASIP alkalmazás-specifikus kézi készlet processzorai. Az ilyen utasítások speciális funkcionális egységeknek felelnek meg.
A tipikus DSP utasítások közé tartozik a többszörös felhalmozás, a gyors Fourier-transzformáció, a sima szorzás és a konvolúció. A többi számítógépes rendszerhez hasonlóan az SoC-k is órajelforrásokat igényelnek az órajelek generálásához, a funkciók végrehajtásának vezérléséhez, és szükség esetén időzítési kontextust biztosítanak a jelfeldolgozó alkalmazások számára.
A népszerű időforrások a kristályoszcillátorok és a fáziszárt hurkok. Az SoC-k feszültségszabályozókat és energiagazdálkodási áramköröket is tartalmaznak.
A különbség a SoC és a CPU között
Régen sokan azt hitték, hogy a CPU teljesen el van szigetelve a monitortól. Ma már sokan megértik, hogy a CPU csak egy apró rész,és a számítógép sok részből áll.
A chipen lévő rendszer egy elektronikus áramköri kártya, amely az összes szükséges alkatrészt integrálja a számítógépbe és más elektronikus rendszerekbe. Ide tartozik a GPU, a CPU, a memória, az energiagazdálkodási áramkör, az USB-vezérlő, a vezeték nélküli rádiók stb. Ezeket az alkatrészeket az alaplapra forrasztják, ami eltér a hagyományos számítógépektől, amelyek részei bármikor cserélhetők.
Mondhatnánk, hogy egy chipen lévő rendszer (SoC) történik, amikor a Vector a Despicable Me-től "sugártömörítést" használ egy teljes értékű számítógépen. A miniatürizálás erejével a System on a Chip egy működőképes számítógép, amelyet úgy tömörítettek, hogy egyetlen szilícium chipre illeszkedjen.
A chipek felhasználási helye
SoC jellemzően apró, és nem foglal sok helyet az elektronikus eszközök belsejében, így ideális kisebb eszközökhöz. Sok különböző alkatrészt egyesít egyetlen chipen, ami azt jelenti, hogy gyártójának nem kell időt, pénzt és erőforrást költenie jelentős fizikai alkatrészek lerakására és hosszú áramkörök építésére, ami viszont alacsonyabb termelést és költségeket jelent. A chipen lévő rendszerek sokkal hatékonyabbak, mint azok, amelyek különálló összetevőket tartalmaznak, például egy asztali számítógépet vagy laptopot. A SoC hosszabb ideig üzemelhet akkumulátorral.
Az elektronika hagyományos megközelítései az egyénen futó rendszerek létrehozásáról szóltakfüggetlen részek. Ilyenek például a számítógépek és a laptopok. A körülöttük lévő dolgok folyamatos miniatürizálása azonban azt jelenti, hogy egyre inkább a kisebb, energiahatékonyabb rendszerekre hagyatkoznak egy chipen. Az okostelefonok, táblagépek és még az IoT-eszközök (Internet of Things) is bizonyítják, hogy a chipeken lévő rendszerek az összes elektronika jövőjének fontos részét képezik.
Intel Pentium N3710 eszköz
A Pentium N3710 egy 64 bites négymagos rendszer egy chipen, amelyet az Intel tervezett, és 2015 elején mutattak be 3710-es cikkszámmal. Az Airmont mikroarchitektúrán alapul. Ez a chip 1,6 GHz-en működik, 2,57 GHz-ig. A SoC HD Graphics 405 GPU-t tartalmaz, amely 16 végrehajtó egységgel rendelkezik, és 400 MHz-en fut
N3710 chip-alapú rendszer architektúra részletei:
- Designer – Intel.
- Gyártó – Intel.
- Modellszám - N3710.
- Alkatrészszám - FH8066501715927
- Hatókör – mobil.
- Kiadás – 2015. március
- Pentium N3000 sorozat.
- Frekvencia - 1600 MHz.
- Sebesség - 2567 MHz (1 mag).
- Busz típusa – IDI CPUID 406C4.
- Mikroarchitektúra – Airmont.
- A fő név Braswell.
- Technológia – CMOS.
- Szóméret – 64 bites.
- Maximális processzorok – egyprocesszoros.
- A maximális memória 8 G.
- PP hőmérséklet 0 C - 90 C.
- IntegráltGPU grafikus információk – HD Graphics 405.
- A maximális frekvencia 700 MHz.
A chiprendszerek előnyei
A SOC tervezésben való használatának fő célja az eszköz előnyeit meghatározó lépésekből áll:
- A SOC kis méretű, de számos funkciót tartalmaz.
- Rugalmasság. A chip méretét, teljesítményét és alaktényezőjét tekintve ezeket a rendszereket nagyon nehéz felülmúlni más eszközökkel.
- Költséghatékonyság, különösen bizonyos SoC-alkalmazások, például videokód esetében.
- A chipen lévő rendszer számtalan. A nagy kapacitású termékek esetében leegyszerűsítik az erőforrás-védelmet és a tervezési költségeket.
Azonban egy ilyen kiváló készüléknek megvannak a maga hátrányai:
- Nagy időbefektetés. Az SoC tervezési folyamata 6-12 hónapig tarthat.
- Korlátozott erőforrások.
- Ha kis volumenű terméket fejlesztenek, csúcsminőségű berendezésekre lesz szükség. Lehet, hogy jobb, ha harmadik féltől származó hardvert használ, és időt és erőforrásokat fordít az alkalmazásszoftverekre.
A chipen lévő rendszereknek megvan az a nagy hátrányuk, hogy egyáltalán nem adaptálhatók. Más szóval, nem frissíthetők. A chipen lévő rendszer általában ugyanúgy hal meg, mint ahogy létrehozták. Semmi sem változik benne a teljes élettartam alatt. Ha a műszer belsejében valami eltörik, csak az alkatrész nem javítható vagy cserélhető. A teljes SoC-t ki kell cserélni.
A legnagyobb termelőkmobil chipek
Rövid áttekintést nyújtunk a nagy gyártók chipen lévő rendszereiről: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA és Broadcom. A Qualcomm, az NVIDIA és a MediaTek elsősorban mobil SoC-okat gyárt és értékesít hardvercégek számára, amelyeket az általuk gyártott eszközökben használnak. A Broadcom útválasztókban és hálózati eszközökben használt SoC-okat gyárt, a Samsung és a Huawei pedig nem csak SoC-okat gyárt, hanem a világ két legnagyobb vállalata is a használatukban.
Nem lehet megmondani, hogy egy chipen melyik rendszer a legjobb. A chip-alapú rendszerek tervezése és fejlesztése olyan gyorsan halad, hogy az összehasonlítás idejére az opció már elavulttá válik. Azonban emlékeznünk kell arra, hogy a legjobb SoC nem biztos, hogy a legjobb processzorokhoz vagy a leggyorsabb vezeték nélküli adatátvitelhez.
