Какво е SoC?

Ако някога сте гледали вътре в PC Tower, можете да видите, че има много различни компоненти. Вашият средностатистически лаптоп съдържа повечето от същите компоненти, но ги смалява, преформатира и изрязва колкото е възможно повече „загубено“ пространство. Смартфонът може да прави същите неща като настолен или преносим компютър, макар и не толкова бързо. Прави го, защото съдържа същия вид хардуер. В малкото тяло на смартфон обаче наистина няма достатъчно място, за да може нещата дори да изглеждат като лаптоп. За да се преодолеят значителните пространствени ограничения, се използва изцяло нова парадигма на дизайна.

Система на чип

Компютърът се захранва от процесор, смартфон от SoC или система върху чип. SoC съдържа процесор, но съдържа и много повече от това. И това е, което го отличава и позволява на малкия форм фактор на смартфона да предлага същите функции като компютър, докато се побира в джоба ви и работи с малка батерия.

Забележка: SoC е съкращение от System on Chip, но съкращението System on a Chip има повече граматически смисъл. Ако това помага, можете да приемете, че „а“ е в скоби и остава прието, но неизказано.

Компютърната парадигма е да се разделят частите, така че да можете независимо да оптимизирате всяка от тях и да ги охлаждате правилно, въпреки че лаптопите са склонни да се борят с тази последна част. Мобилната парадигма е да се групира всичко заедно в един всеобхватен суперчип, пълна компютърна система на един чип.

Какво съдържа SoC?

Наистина зависи от SoC и за какво е предназначен. Трябва да съдържа поне едно процесорно ядро. Това може да бъде процесорно ядро ​​с общо предназначение или може да бъде ядро ​​на микроконтролер или нещо по-специфично като цифров сигнален процесор. Обикновено SoC ще съдържа множество процесорни ядра, въпреки че някои прости продукти може да използват само едно. SoC трябва също да съдържа някакъв вид свързване за свързване на различни компоненти на чипа. Исторически погледнато, това е била споделена шина, но настоящите и бъдещите системи се ориентират към по-стабилна мрежова система, наричана NoC или мрежа върху чип.

Съвет: NoC не трябва да се бърка с NOC или Център за мрежови операции.

Почти всичко останало не е задължително, въпреки че трябва да се съдържа повече, за да бъде SoC. Паметта и контролерът на паметта могат да бъдат интегрирани в чипа под формата на SRAM кеш и DRAM, въпреки че може да се използва и памет извън чипа. SoC, предназначени за смартфони, обикновено имат интегрирани други типове процесори, като GPU, NPU и цифров сигнален процесор.

zzz

Защо да изберете SoC?

Обикновено SoC ще бъде единичен монолитен силиконов чип. Въпреки това модерните технологии за опаковане започват да позволяват 3D подреждането на силициеви чипове един върху друг. Тези 3D дизайни са склонни все още да се наричат ​​единични чипове, както и SoC. SoC, който използва отделни чиплети, се диференцира като System In Package или SIP.

Проектирането на система, която интегрира всичко в един чип, е отлично за среди с ограничено пространство, тъй като IP плътността на силиция е изключително висока. Въпреки това космическите предизвикателства се случват. По-големите чипове са склонни да имат по-ниски добиви, тъй като е по-вероятно дефектите в силиконовата пластина да засегнат даден чип. Събирането на много процесорна мощност заедно също означава, че може да има много производство на топлина. В комбинация това означава, че трябва да се правят компромиси, за да се осигури стабилна система. Това също така синергизира добре с изискванията за захранване на много устройства, захранвани с батерии, които използват SoC, където енергийната ефективност е ключова.

За устройствата за директен краен потребител трябва да се намери баланс между висока енергийна ефективност и висока производителност. За тази цел повечето SoC за смартфони използват набор от CPU ядра, някои от които са настроени за производителност, а други за ефективност.

Поставяйки всичко на един чип, латентността е сведена до минимум и може да се постигне по-висока честотна лента. Освен това мощността, необходима за предаване на сигнали, е намалена, тъй като „кабелите“ са по-къси. С плътно интегриран чип има по-малко грешки. Освен това производствените разходи не включват разходите за допълнителни стъпки на комбиниране, като например при дизайн на чиплет.

Ограничения на SoC

Единственото най-голямо ограничение на SoC е плътността на топлина/мощност. Трудно е да охлаждате устройства, особено нещо като смартфон, който трябва да разчита на пасивно охлаждане. SoC трябва да бъде настроен към очакваната топлинна обвивка. Това в крайна сметка е факторът, ограничаващ производителността на смартфоните. Когато се разшири до устройства с по-активно охлаждане, като например скорошни книги за Mac със силиций, проектиран от Apple, бюджетът за мощност може да бъде увеличен, тъй като тази топлина може да се разсейва по-ефективно. Като такива, чиповете M1 и M2 предлагат значително по-голяма мощност за обработка от смартфон SoC.

Все пак има ограничение за това. Съвременните процесори и графични процесори от висок клас вече са невероятно горещи. Просто не можете просто да интегрирате и двете в един голям SoC. Топлинната плътност просто би била твърде висока и по същество би било невъзможно да се охлади. Някои от тези устройства, GPU повече от CPU, също достигат границите на настоящите технологии, що се отнася до монолитните чипове. Това може да се види с преминаването към дизайна на чиплетите, което вече е започнало.

Чиплетите помагат по много начини, като намаляват някои разходи за проектиране и увеличават добива, но нямат огромен ефект върху термиките, тъй като чиплетите все още трябва да бъдат опаковани много близо един до друг и да споделят едно и също оборудване за разсейване на топлината. Като такава, има толкова много процесорна мощност, която може да бъде натъпкана в SoC, преди да стане твърде голяма и тромава, в който момент може да се постигне по-голяма производителност чрез разделяне на компоненти, както се вижда в съвременните компютри.

Въпреки това компютрите бавно интегрират все повече и повече функции в процесора. Това има ползи за производителността. Този процес обаче едва ли ще продължи твърде далеч. Масовото съхранение, DRAM и най-вече графиките от висок клас е малко вероятно да бъдат интегрирани.

Заключение

SoC означава система върху чип. Не трябва да се бърка със SOC, което означава Център за операции по сигурността или Контрол на системите и организацията. Това е концепцията за интегриране на повечето компоненти на изчислително устройство директно в един силиконов чип. Ядрото на чипа е процесорът, но повечето други компоненти и мощността за обработка също са директно включени. Дизайнерската парадигма на SoC е изключително успешна на пазара на смартфони. Той също така намира приложение във вградени устройства, IoT и индустриални системи, където предлага повече „интелигентност“ от традиционните микроконтролери. SoC също могат да бъдат намерени в таблети и някои тънки и леки лаптопи.

Като се има предвид техния пазар, SoCs обикновено са настроени за енергийна ефективност с опционална пикова производителност при поискване. Това обаче не е непременно неразделна част от дизайна. Цялостната производителност е ограничена от топлинната плътност, което предполага, че има ограничения за това колко функционалност трябва да бъде интегрирана в SoC, вместо да бъде разделена.