Mis on SoC?

Kui olete kunagi arvutitorni sisse vaadanud, näete, et seal on palju erinevaid komponente. Teie keskmine sülearvuti sisaldab enamikku samu komponente, kuid kahandab neid, vormindab need ümber ja vähendab võimalikult palju "raisatud" ruumi. Nutitelefon suudab teha samu asju nagu laua- või sülearvuti, kuigi tõsi, mitte nii kiiresti. See teeb seda seetõttu, et see sisaldab sama tüüpi riistvara. Nutitelefoni pisikeses korpuses pole aga tegelikult piisavalt ruumi asjadele, et sülearvuti moodi välja näha. Olulistest ruumipiirangutest mööda pääsemiseks kasutatakse täiesti uut disainiparadigmat.

Süsteem kiibil

Arvuti toiteallikaks on protsessor, nutitelefoni SoC või süsteem kiibil. SoC sisaldab protsessorit, kuid sisaldab ka palju enamat. Ja see eristabki seda ning võimaldab väikesel nutitelefonil pakkuda samu funktsioone nagu arvutil, mahutades samal ajal taskusse ja tühjendades väikese aku.

Märkus. SoC on lühend sõnast System on Chip, kuid kokkutõmbumine System on a Chip on grammatiliselt mõttekam. Kui see aitab, võite eeldada, et "a" on sulgudes ja jääb oletatuks, kuid ütlemata.

Arvuti paradigma seisneb osade eraldamises, et saaksite neid iseseisvalt optimeerida ja korralikult jahutada, kuigi sülearvutid kipuvad selle viimase osaga hädas olema. Mobiilne paradigma on koondada kõik kokku üheks kõikehõlmavaks superkiibiks ja terve arvutisüsteem ühel kiibil.

Mida SoC sisaldab?

See sõltub tõesti SoC-st ja sellest, milleks see mõeldud on. See peab sisaldama vähemalt ühte töötlemistuuma. See võib olla üldotstarbeline protsessori tuum või mikrokontrolleri tuum või midagi spetsiifilisemat, näiteks digitaalne signaaliprotsessor. Tavaliselt sisaldab SoC mitut töötlemistuuma, kuigi mõned lihtsad tooted võivad kasutada ainult ühte. SoC peab sisaldama ka mingit ühendust, et ühendada kiibil olevaid erinevaid komponente. Ajalooliselt on see olnud jagatud siin, kuid praegused ja tulevased süsteemid on suundumas tugevama võrgulaadse süsteemi poole, mida nimetatakse NoC-ks või kiibivõrguks.

Näpunäide: NoC-d ei tohi segi ajada NOC-i või võrguoperatsioonide keskusega.

Peaaegu kõik muu on valikuline, kuigi selleks, et see oleks SoC, peab olema rohkem. Mälu ja mälukontrolleri saab kiibile integreerida SRAM-i vahemälu ja DRAM-i kujul, kuigi saab kasutada ka kiibivälist mälu. Nutitelefonidele mõeldud SoC-del on tavaliselt integreeritud muud tüüpi töötlemisüksused, nagu GPU, NPU ja digitaalne signaaliprotsessor.

zzz

Miks valida SoC?

Tavaliselt on SoC üks monoliitne ränikiip. Sellegipoolest hakkavad kaasaegsed pakkimistehnoloogiad võimaldama ränikiipide 3D-virnamist üksteise peale. Neid 3D-kujundusi nimetatakse endiselt üksikuteks kiipideks ja nii ka SoC-sid. SoC, mis kasutab erinevaid kiibikke, eristatakse kui System In Package või SIP.

Süsteemi projekteerimine, mis integreerib kõike ühte kiibi, sobib suurepäraselt ruumikitsikuses keskkonnas, kuna räni IP-tihedus on äärmiselt kõrge. Sellegipoolest tuleb ette kosmoseprobleeme. Suuremate kiipide saagis on tavaliselt väiksem, kuna ränivahvli defektid mõjutavad tõenäolisemalt kõiki antud kiipe. Suure töötlemisvõimsuse kokkupakkimine tähendab ka palju soojuse tootmist. See koos tähendab, et stabiilse süsteemi tagamiseks tuleb teha kompromisse. See sünergiseerub hästi ka paljude akutoitega seadmete võimsusnõuetega, mis kasutavad SoC-sid, kus energiatõhusus on võtmetähtsusega.

Otsese lõppkasutaja seadmete puhul tuleb leida tasakaal suure võimsustõhususe ja suure jõudluse vahel. Sel eesmärgil kasutab enamik nutitelefoni SoC-sid mitmesuguseid protsessorituumasid, millest mõned on häälestatud jõudluse ja teised tõhususe tagamiseks.

Kui asetate kõik ühele kiibile, minimeeritakse latentsus ja saavutatakse suuremad ribalaiused. Lisaks väheneb signaalide edastamiseks vajalik võimsus, kuna "kaablid" on lühemad. Tihedalt integreeritud kiibiga on vähem eksida. Lisaks ei sisalda tootmiskulud täiendavate kombineerimisetappide (nt kiibikujunduse) kulusid.

SoC piirangud

SoC suurim piirang on soojuse / võimsuse tihedus. Seadmeid on keeruline jahutada, eriti midagi sellist, nagu nutitelefon, mis peab tuginema passiivsele jahutusele. SoC tuleb häälestada selle eeldatavale termilisele mähisjoonele. See on lõpuks nutitelefonide jõudlust piirav tegur. Kui laiendada aktiivsema jahutusega seadmetele, näiteks hiljutistele Apple'i enda kujundatud räniga Maci raamatutele, saab energiaeelarvet suurendada, kuna soojust saab tõhusamalt hajutada. Sellisena pakuvad M1 ja M2 kiibid oluliselt rohkem töötlemisvõimsust kui nutitelefoni SoC.

Sellel on siiski piir. Kaasaegsed tippprotsessorid ja GPU-d on juba uskumatult kuumad. Te lihtsalt ei saa mõlemat lihtsalt integreerida üheks suureks SoC-ks. Soojustihedus oleks lihtsalt liiga kõrge ja jahutamine oleks sisuliselt võimatu. Mõned neist seadmetest, GPU-d rohkem kui CPU-d, jõuavad monoliitsete kiipide osas ka praeguse tehnoloogia piiridesse. Seda on näha, kui nihe on juba alanud kiibikujunduse suunas.

Kiibid aitavad mitmel viisil, vähendades mõningaid projekteerimiskulusid ja suurendades saagikust, kuid neil ei ole tohutut mõju termidele, kuna kiibid peavad siiski olema pakendatud üksteise lähedale ja neil on sama soojuseraldusseade. Sellisena on SoC-sse ainult nii palju töötlemisvõimsust, mida saab kokku toppida, enne kui see liiga suureks ja kohmakaks muutub. Sel hetkel saab suurema jõudluse saavutada komponentide eraldamisega, nagu on näha tänapäevastes arvutites.

See tähendab, et arvutid integreerivad protsessorisse aeglaselt üha rohkem funktsioone. Selle tegemisel on jõudluse eelised. Tõenäoliselt see protsess liiga kaugele ei ulatu. Massmälu, DRAM ja tipptasemel graafika pole tõenäoliselt integreeritud.

Järeldus

SoC tähistab System on Chip. Seda ei tohi segi ajada SOC-ga, mis tähistab turvaoperatsioonide keskust või süsteemide ja organisatsioonide juhtelemente. See on kontseptsioon, mille kohaselt integreeritakse enamik arvutusseadme komponente otse ühte ränikiibisse. Kiibi tuumaks on protsessor, kuid enamik teisi komponente ja töötlemisvõimsus on samuti otseselt kaasatud. SoC disainiparadigma on nutitelefonide turul olnud äärmiselt edukas. Seda kasutatakse ka manustatud seadmetes, asjade Internetis ja tööstussüsteemides, kus see pakub rohkem "nutikaid" kui traditsioonilised mikrokontrollerid. SoC-sid võib leida ka tahvelarvutitest ja mõnest õhukesest ja kergest sülearvutist.

Võttes arvesse nende turgu, on SoC-d tavaliselt häälestatud energiatõhususele koos valikulise tippvõimsusega. See ei ole aga tingimata disaini lahutamatu osa. Üldist jõudlust piirab soojustihedus, mis tähendab, et on piirid, kui palju funktsioone tuleks SoC-sse integreerida, mitte jagada.