Hvad er en SoC?

Hvis du nogensinde har kigget ind i et pc-tårn, kan du se, at der er mange forskellige komponenter. Din gennemsnitlige bærbare computer indeholder de fleste af de samme komponenter, men krymper dem ned, omformaterer dem og skærer så meget "spild" plads ud som muligt. En smartphone kan gøre de samme ting som en stationær eller bærbar computer, men indrømmet, ikke så hurtigt. Det gør den, fordi den indeholder den samme slags hardware. Men i den lille krop af en smartphone er der virkelig ikke plads nok til, at tingene overhovedet kan ligne en bærbar computer. For at komme uden om de betydelige pladsbegrænsninger bruges et helt nyt designparadigme.

System på chip

En computer drives af en CPU, en smartphone af en SoC eller et System on Chip. SoC'en indeholder en CPU, men den indeholder også langt mere end det. Og det er det, der adskiller den, og gør det muligt for den lille smartphone-formfaktor at tilbyde de samme funktioner som en computer, mens den passer i lommen og kører på et lille batteri.

Bemærk: SoC er en forkortelse for System on Chip, men sammentrækningen System on a Chip giver mere grammatisk mening. Hvis det hjælper, kan du gå ud fra, at "a" står i parentes og går antaget, men usagt.

Computerparadigmet er at adskille delene, så du selvstændigt kan optimere hver af dem og afkøle dem ordentligt, selvom bærbare computere har en tendens til at kæmpe med den sidste del. Det mobile paradigme er at gruppere alt sammen til en altomfattende superchip, et komplet computersystem på en enkelt chip.

Hvad indeholder en SoC?

Det afhænger virkelig af SoC og hvad det er beregnet til. Den skal indeholde mindst én behandlingskerne. Dette kan være en generel CPU-kerne, eller det kan være en mikrocontroller-kerne eller noget mere specifikt som en digital signalprocessor. Typisk vil en SoC indeholde flere behandlingskerner, selvom nogle simple produkter kun bruger én. En SoC skal også indeholde en form for sammenkobling for at forbinde forskellige komponenter på chippen. Historisk set har dette været en delt bus, men nuværende og fremtidige systemer er på vej mod et mere robust netværkslignende system kaldet en NoC eller Network on Chip.

Tip: Et NoC må ikke forveksles med et NOC eller Network Operations Center.

Stort set alt andet er valgfrit, selvom mere skal være indeholdt for at være en SoC. Hukommelse og hukommelsescontrolleren kan integreres i chippen i form af SRAM cache og DRAM, selvom off-chip hukommelse også kan bruges. SoC'er beregnet til smartphones har en tendens til at have andre typer behandlingsenheder, såsom en GPU, NPU og digital signalprocessor integreret.

zzz

Hvorfor vælge en SoC?

Typisk vil en SoC være en enkelt monolitisk siliciumchip. Når det er sagt, begynder moderne emballageteknologier at muliggøre 3D-stabling af siliciumchips oven på hinanden. Disse 3D-designs har en tendens til stadig at blive omtalt som enkelte chips, og det samme er SoC'er. En SoC, der gør brug af forskellige chiplets, er differentieret som et System In Package eller SIP.

At designe et system, der integrerer alt i en enkelt chip, er fremragende til miljøer med begrænset plads, da IP-densiteten på silicium er ekstrem høj. Ikke desto mindre opstår der pladsmæssige udfordringer. Større spåner har en tendens til at have lavere udbytte, da defekter i siliciumwaferen er mere tilbøjelige til at påvirke enhver given chip. At pakke meget processorkraft sammen betyder også, at der kan være meget varmeproduktion. Tilsammen betyder det, at der skal indgås kompromiser for at sikre et stabilt system. Dette synergier også godt med strømkravene for de mange batteridrevne enheder, der bruger SoC'er, hvor strømeffektivitet er nøglen.

For direkte slutbrugerenheder skal der findes en balance mellem høj effekteffektivitet og høj ydeevne. Til det formål bruger de fleste smartphone-SoC'er en række CPU-kerner, hvoraf nogle er tunet til ydeevne og andre tunet til effektivitet.

Ved at placere alt på en enkelt chip minimeres latency og højere båndbredder kan opnås. Derudover reduceres den nødvendige effekt til at kommunikere signaler, da "kabler" er kortere. Med en tæt integreret chip er der mindre at gå galt. Derudover inkluderer fremstillingsomkostningerne ikke omkostninger til ekstra kombinationstrin, såsom i et chiplet-design.

Begrænsninger af en SoC

Den største enkeltstående begrænsning af en SoC er varme/effekttætheden. Det er svært at køle enheder, især sådan noget som en smartphone, der skal være afhængig af passiv køling. En SoC skal tunes til dens forventede termiske konvolut. Dette er i sidste ende den præstationsbegrænsende faktor på smartphones. Når den udvides til enheder med mere aktiv køling, såsom nyere Mac-bøger med Apples egendesignede silicium, kan strømbudgettet øges, da denne varme kan spredes mere effektivt. Som sådan tilbyder M1- og M2-chippene betydeligt mere processorkraft end en smartphone SoC.

Der er dog en grænse for dette. Moderne avancerede CPU'er og GPU'er er allerede utroligt varme. Du kan simpelthen ikke bare integrere begge i en stor, stor SoC. Den termiske tæthed ville bare være for høj, og det ville i det væsentlige være umuligt at afkøle. Nogle af disse enheder, GPU'er mere end CPU'er, når også grænserne for den nuværende teknologi, hvad angår monolitiske chips. Dette kan ses med, at skiftet allerede er begyndt mod chiplet-design.

Chiplets hjælper på mange måder, reducerer nogle designomkostninger og øger udbyttet, men har ikke en massiv effekt på termikken, da chiplets stadig skal pakkes rigtig tæt på hinanden og dele det samme varmeafledningsudstyr. Som sådan er der kun så meget processorkraft, der kan proppes ind i en SoC, før den bliver for stor og uhåndterlig, på hvilket tidspunkt større ydeevne kan opnås ved at splitte komponenter ud, som det ses i moderne computere.

Når det er sagt, integrerer computere langsomt flere og flere funktioner på CPU'en. Der er præstationsfordele ved at gøre det. Det er dog usandsynligt, at denne proces vil strække sig for langt. Det er usandsynligt, at masselager, DRAM og avanceret grafik bliver integreret.

Konklusion

SoC står for System on Chip. Det skal ikke forveksles med SOC, som står for Security Operations Center eller Systems and Organization Controls. Det er konceptet med at integrere de fleste af komponenterne i en computerenhed direkte i en enkelt siliciumchip. Kernen i chippen er CPU'en, men de fleste andre komponenter og processorkraft er også direkte inkluderet. SoC-designparadigmet har været ekstremt vellykket på smartphonemarkedet. Det ser også brug i indlejrede enheder, IoT og industrielle systemer, hvor det tilbyder mere "smart" end traditionelle mikrocontrollere. SoC'er kan også findes i tablets og nogle tynde og lette bærbare computere.

På grund af deres marked er SoC'er typisk tunet til strømeffektivitet med valgfri topydelse efter behov. Dette er dog ikke nødvendigvis integreret i designet. Samlet ydeevne er begrænset af termisk tæthed, hvilket indebærer, at der er grænser for, hvor meget funktionalitet, der skal integreres i en SoC i stedet for at blive splittet ud.