Què és un SoC?

Si alguna vegada heu mirat dins d'una torre de PC, podeu veure que hi ha molts components diferents. El vostre ordinador portàtil mitjà conté la majoria dels mateixos components, però els redueix, els reformata i elimina el màxim d'espai "malgastat". Un telèfon intel·ligent pot fer les mateixes coses que un ordinador de sobretaula o portàtil, encara que és cert que no tan ràpidament. Ho fa perquè conté el mateix tipus de maquinari. Tanmateix, al petit cos d'un telèfon intel·ligent, realment no hi ha prou espai perquè les coses semblin ni un ordinador portàtil. Per evitar les importants limitacions d'espai, s'utilitza un paradigma de disseny completament nou.

Sistema en xip

Un ordinador està alimentat per una CPU, un telèfon intel·ligent mitjançant un SoC o un System on Chip. El SoC conté una CPU, però també conté molt més que això. I això és el que el diferencia i permet que el petit factor de forma del telèfon intel·ligent ofereix les mateixes funcions que un ordinador mentre s'ajusta a la butxaca i s'utilitza una bateria petita.

Nota: SoC és l'abreviatura de System on Chip, però, la contracció System on a Chip té més sentit gramatical. Si us ajuda, podeu suposar que la "a" està entre parèntesis i va suposada però sense dir.

El paradigma informàtic és separar les parts perquè pugueu optimitzar cadascuna de manera independent i refredar-les correctament, tot i que els ordinadors portàtils solen tenir problemes amb aquesta darrera part. El paradigma mòbil és agrupar-ho tot en un súper xip que ho abarca tot, un sistema informàtic complet en un sol xip.

Què conté un SoC?

Realment depèn del SoC i per a què està destinat. Ha de contenir almenys un nucli de processament. Pot ser un nucli de CPU de propòsit general, o pot ser un nucli de microcontrolador o quelcom més específic com un processador de senyal digital. Normalment, un SoC contindrà diversos nuclis de processament, tot i que alguns productes senzills només poden utilitzar-ne un. Un SoC també ha de contenir algun tipus d'interconnexió per connectar diferents components al xip. Històricament, aquest ha estat un bus compartit, però, els sistemes actuals i futurs tendeixen a un sistema semblant a una xarxa més robust anomenat NoC o Network on Chip.

Consell: un NoC no s'ha de confondre amb un NOC o un centre d'operacions de xarxa.

Gairebé tota la resta és opcional, encara que s'ha de contenir més perquè sigui un SoC. La memòria i el controlador de memòria es poden integrar al xip en forma de memòria cau SRAM i DRAM, tot i que també es pot utilitzar memòria fora del xip. Els SoC destinats a telèfons intel·ligents solen tenir altres tipus d'unitats de processament, com ara una GPU, NPU i un processador de senyal digital integrats.

zzz

Per què triar un SoC?

Normalment, un SoC serà un únic xip de silici monolític. Dit això, les tecnologies d'embalatge modernes estan començant a permetre l'apilament 3D de xips de silici els uns sobre els altres. Aquests dissenys 3D encara se solen denominar xips únics i també ho són els SoC. Un SoC que fa ús de diferents chiplets es diferencia com a System In Package o SIP.

Dissenyar un sistema que ho integri tot en un sol xip és excel·lent per a entorns amb espai restringit, ja que la densitat IP al silici és extremadament alta. No obstant això, hi ha reptes espacials. Els xips més grans solen tenir rendiments més baixos, ja que és més probable que els defectes de l'hòstia de silici afectin qualsevol xip determinat. Ajuntar molta potència de processament també significa que hi pot haver molta producció de calor. Combinat això significa que s'han de fer compromisos per garantir un sistema estable. Això també sinergia bé amb els requisits d'energia dels molts dispositius alimentats per bateries que utilitzen SoC on l'eficiència energètica és clau.

Per als dispositius directes d'usuari final, s'ha de trobar un equilibri entre una alta eficiència energètica i un alt rendiment. Amb aquesta finalitat, la majoria dels SoC de telèfons intel·ligents utilitzen una sèrie de nuclis de CPU, alguns dels quals estan ajustats per al rendiment i d'altres per a l'eficiència.

En col·locar-ho tot en un sol xip, es minimitza la latència i es poden aconseguir amplades de banda més altes. A més, la potència necessària per comunicar els senyals es redueix a mesura que els "cables" són més curts. Amb un xip ben integrat, hi ha menys per equivocar-se. A més, els costos de fabricació no inclouen els costos de passos de combinació addicionals, com ara el disseny d'un chiplet.

Limitacions d'un SoC

La limitació més gran d'un SoC és la densitat de calor/potència. És difícil refredar els dispositius, especialment una cosa com un telèfon intel·ligent que ha de dependre de la refrigeració passiva. Un SoC s'ha d'ajustar al seu embolcall tèrmic esperat. Aquest és, en última instància, el factor limitant de rendiment dels telèfons intel·ligents. Quan s'amplia a dispositius amb refrigeració més activa, com ara llibres Mac recents amb silici dissenyat per Apple, el pressupost d'energia es pot augmentar ja que la calor es pot dissipar de manera més eficient. Com a tal, els xips M1 i M2 ofereixen una potència de processament significativament més gran que un SoC per a telèfons intel·ligents.

Tanmateix, això té un límit. Les CPU i les GPU modernes de gamma alta ja són increïblement calentes. Simplement no podeu integrar tots dos en un gran SoC. La densitat tèrmica seria massa alta i seria essencialment impossible refredar-se. Alguns d'aquests dispositius, les GPU més que les CPU també estan arribant als límits de la tecnologia actual pel que fa als xips monolítics. Això es pot veure amb el canvi que ja ha començat cap als dissenys de chiplet.

Els chiplets ajuden de moltes maneres, reduint alguns costos de disseny i augmentant els rendiments, però no tenen un efecte massiu sobre les tèrmiques, ja que els chiplets encara s'han d'empaquetar molt a prop els uns dels altres i compartir el mateix equip de dissipació de calor. Com a tal, només hi ha tanta potència de processament que es pot amuntegar en un SoC abans que es faci massa gran i difícil de manejar, moment en què es pot aconseguir un major rendiment dividint els components com es veu als ordinadors moderns.

Dit això, els ordinadors estan integrant lentament més i més funcions a la CPU. Hi ha avantatges de rendiment en fer-ho. No obstant això, és poc probable que aquest procés s'estengui massa. És poc probable que s'integrin l'emmagatzematge massiu, la DRAM i els gràfics de gamma alta.

Conclusió

SoC significa System on Chip. No s'ha de confondre amb SOC, que significa Security Operations Center o Systems and Organization Controls. És el concepte d'integrar la majoria dels components d'un dispositiu informàtic directament en un sol xip de silici. El nucli del xip és la CPU, però la majoria dels altres components i la potència de processament també s'inclouen directament. El paradigma de disseny de SoC ha tingut un gran èxit al mercat dels telèfons intel·ligents. També veu ús en dispositius incrustats, IoT i sistemes industrials on ofereix més "intel·ligents" que els microcontroladors tradicionals. Els SoC també es poden trobar a tauletes i alguns ordinadors portàtils prims i lleugers.

Tenint en compte el seu mercat, els SoC solen estar ajustats per a l'eficiència energètica amb un rendiment màxim opcional a demanda. Tanmateix, això no és necessàriament integral del disseny. El rendiment general està limitat per la densitat tèrmica, cosa que implica que hi ha límits quant a quanta funcionalitat s'ha d'integrar en un SoC en lloc de dividir-se.