Co je SoC?

Pokud jste se někdy podívali dovnitř PC věže, můžete vidět, že je tam spousta různých komponent. Váš průměrný notebook obsahuje většinu stejných součástí, ale zmenšuje je, přeformátuje a ušetří tolik „zbytečného“ místa, jak je to jen možné. Smartphone může dělat stejné věci jako stolní nebo přenosný počítač, i když ne tak rychle. Dělá to proto, že obsahuje stejný druh hardwaru. V malém těle smartphonu však opravdu není dost místa na to, aby věci vypadaly jako notebook. K překonání významných prostorových omezení je použito zcela nové paradigma designu.

Systém na čipu

Počítač je napájen CPU, chytrý telefon SoC nebo System on Chip. SoC obsahuje CPU, ale také obsahuje mnohem více než to. A to je to, co jej odlišuje a umožňuje malému smartphonu nabízet stejné funkce jako počítač, přičemž se vejde do kapsy a vybíjí malou baterii.

Poznámka: SoC je zkratka pro System on Chip, nicméně kontrakce System on a Chip dává gramatičtější smysl. Pokud to pomůže, můžete předpokládat, že „a“ je v závorkách a je předpokládané, ale nevyřčené.

Počítačovým paradigmatem je oddělit části, takže můžete každou z nich nezávisle optimalizovat a správně je chladit, ačkoli notebooky mají tendenci se s touto poslední částí potýkat. Mobilním paradigmatem je seskupit vše dohromady do jednoho všezahrnujícího superčipu a úplného počítačového systému na jediném čipu.

Co obsahuje SoC?

Opravdu záleží na SoC a k čemu je určen. Musí obsahovat alespoň jedno procesorové jádro. Může to být jádro CPU pro všeobecné účely nebo to může být jádro mikrokontroléru nebo něco konkrétnějšího, jako je digitální signálový procesor. Typicky bude SoC obsahovat více procesorových jader, i když některé jednoduché produkty mohou používat pouze jedno. SoC musí také obsahovat nějaký druh propojení pro připojení různých komponent na čipu. Historicky se jednalo o sdílenou sběrnici, avšak současné a budoucí systémy směřují k robustnějšímu systému podobnému síti označovanému jako NoC nebo Network on Chip.

Tip: NoC nelze zaměňovat s NOC nebo Network Operations Centre.

Téměř vše ostatní je volitelné, i když musí být obsaženo více, aby se jednalo o SoC. Paměť a paměťový řadič mohou být integrovány do čipu ve formě mezipaměti SRAM a DRAM, i když lze použít i mimočipovou paměť. SoC určené pro chytré telefony mívají integrované jiné typy procesorových jednotek, jako je GPU, NPU a digitální signálový procesor.

zzz

Proč zvolit SoC?

Typicky bude SoC jeden monolitický křemíkový čip. To znamená, že moderní technologie balení začínají umožňovat 3D skládání křemíkových čipů na sebe. Tyto 3D návrhy mají tendenci být stále označovány jako samostatné čipy, stejně jako SoC. SoC, který využívá odlišné chiplety, se rozlišuje jako System In Package nebo SIP.

Navrhování systému, který integruje vše do jediného čipu, je vynikající pro prostředí s omezeným prostorem, protože hustota IP na křemíku je extrémně vysoká. Přesto se objevují vesmírné problémy. Větší čipy mají tendenci mít nižší výtěžnost, protože defekty v křemíkové destičce pravděpodobněji ovlivní jakýkoli daný čip. Sbalit velké množství výpočetní energie dohromady také znamená, že může dojít k velké produkci tepla. V kombinaci to znamená, že je třeba dělat kompromisy, aby byl zajištěn stabilní systém. To také dobře spolupracuje s požadavky na napájení mnoha bateriově napájených zařízení, která využívají SoC, kde je energetická účinnost klíčová.

U zařízení pro přímé koncové uživatele je třeba najít rovnováhu mezi vysokou energetickou účinností a vysokým výkonem. Za tímto účelem většina smartphonů SoC využívá řadu jader CPU, z nichž některá jsou vyladěna na výkon a jiná na efektivitu.

Umístěním všeho na jeden čip se minimalizuje latence a lze dosáhnout vyšší šířky pásma. Kromě toho je výkon potřebný ke komunikaci signálů snížen, protože „kabely“ jsou kratší. S pevně integrovaným čipem je méně chyb. Výrobní náklady navíc nezahrnují náklady na dodatečné kombinační kroky, jako je například návrh čipu.

Omezení SoC

Jediným největším omezením SoC je hustota tepla/výkonu. Je obtížné chladit zařízení, zvláště něco jako smartphone, který musí spoléhat na pasivní chlazení. SoC musí být vyladěn na svou očekávanou tepelnou obálku. To je nakonec faktor omezující výkon u smartphonů. Když se rozšíří na zařízení s aktivnějším chlazením, jako jsou nedávné Mac knihy s křemíkem navrženým společností Apple, může být rozpočet na energii zvýšen, protože teplo může být odváděno efektivněji. Čipy M1 a M2 jako takové nabízejí výrazně vyšší výpočetní výkon než SoC pro chytré telefony.

Je zde však limit. Moderní high-end CPU a GPU jsou již neuvěřitelně horké. Jednoduše nemůžete integrovat obojí do jednoho velkého velkého SoC. Tepelná hustota by byla příliš vysoká a v podstatě by nebylo možné chladit. Některá z těchto zařízení, GPU více než CPU, také dosahují limitů současné technologie, pokud jde o monolitické čipy. To je vidět na již započatém posunu směrem k designu čipů.

Chiplety pomáhají v mnoha ohledech, snižují některé náklady na design a zvyšují výnosy, ale nemají velký vliv na termiku, protože chiplety je stále třeba balit opravdu blízko u sebe a sdílet stejné zařízení pro odvod tepla. Existuje jen tolik výpočetního výkonu, který lze nacpat do SoC, než se stane příliš velkým a nepraktickým, v tomto okamžiku lze dosáhnout vyššího výkonu rozdělením komponent, jak je vidět v moderních počítačích.

To znamená, že počítače pomalu integrují více a více funkcí do CPU. To přináší výkonnostní výhody. Je nepravděpodobné, že by se tento proces protáhl příliš daleko. Velkokapacitní paměť, DRAM a zvláště špičková grafika pravděpodobně nebudou integrovány.

Závěr

SoC znamená System on Chip. Nesmí se zaměňovat s SOC, což je zkratka pro Security Operations Center nebo Systems and Organization Controls. Jde o koncept integrace většiny součástí výpočetního zařízení přímo do jediného křemíkového čipu. Jádrem čipu je CPU, ale většina ostatních komponent a výpočetního výkonu jsou také přímo zahrnuty. Designové paradigma SoC bylo na trhu chytrých telefonů mimořádně úspěšné. Také vidí použití ve vestavěných zařízeních, IoT a průmyslových systémech, kde nabízí více „chytrých“ než tradiční mikrokontroléry. SoC lze nalézt také v tabletech a některých tenkých a lehkých noteboocích.

Vzhledem k jejich trhu jsou SoC obvykle vyladěny pro energetickou účinnost s volitelným špičkovým výkonem na vyžádání. To však není nezbytně součástí designu. Celkový výkon je omezen tepelnou hustotou, což znamená, že existují limity, pokud jde o to, kolik funkcí by mělo být integrováno do SoC, spíše než aby byly rozděleny.