Mikä on SoC?

Jos olet joskus katsonut PC-tornin sisään, voit nähdä, että siinä on paljon erilaisia ​​komponentteja. Keskimääräinen kannettava tietokoneesi sisältää suurimman osan samoista komponenteista, mutta pienentää niitä, alustaa ne uudelleen ja leikkaa mahdollisimman paljon "hukkaa" tilaa. Älypuhelin voi tehdä samoja asioita kuin pöytätietokone tai kannettava tietokone, tosin ei niin nopeasti. Se tekee niin, koska se sisältää samanlaisen laitteiston. Älypuhelimen pienessä rungossa ei kuitenkaan todellakaan ole tarpeeksi tilaa esineille, jotka näyttäisivät edes kannettavalta tietokoneelta. Merkittäviä tilarajoituksia kiertämiseksi käytetään täysin uutta suunnitteluparadigmaa.

System On Chip

Tietokone saa virtansa suorittimesta, älypuhelin SoC:sta tai System on Chip -järjestelmästä. SoC sisältää CPU:n, mutta se sisältää myös paljon enemmän. Ja juuri se erottaa sen ja mahdollistaa sen, että älypuhelimen pieni muoto tarjoaa samat ominaisuudet kuin tietokone, vaikka se mahtuu taskuun ja kuluu pienellä akulla.

Huomautus: SoC on lyhenne sanoista System on Chip, mutta supistus System on a Chip on kieliopillisesti järkevämpi. Jos se auttaa, voit olettaa, että "a" on suluissa ja jää oletuksi, mutta sanomatta.

Tietokoneen paradigma on erottaa osat toisistaan, jotta voit optimoida ne itsenäisesti ja jäähdyttää ne kunnolla, vaikka kannettavat tietokoneet kamppailevat yleensä tämän viimeisen osan kanssa. Mobiiliparadigma on ryhmitellä kaikki yhteen yhdeksi kaiken kattavaksi supersiruksi, täydellinen tietokonejärjestelmä yhdellä sirulla.

Mitä SoC sisältää?

Se riippuu todella SoC:stä ja siitä, mihin se on tarkoitettu. Sen täytyy sisältää vähintään yksi prosessointiydin. Tämä voi olla yleiskäyttöinen CPU-ydin tai se voi olla mikro-ohjaimen ydin tai jotain tarkempaa, kuten digitaalinen signaaliprosessori. Tyypillisesti SoC sisältää useita prosessointiytimiä, vaikka jotkut yksinkertaiset tuotteet voivat käyttää vain yhtä. SoC:n on myös sisällettävä jonkinlainen liitäntä piirin eri komponenttien yhdistämiseksi. Historiallisesti tämä on ollut jaettu väylä, mutta nykyiset ja tulevat järjestelmät ovat suuntautumassa kohti vankempaa verkkomaista järjestelmää, jota kutsutaan nimellä NoC tai Network on Chip.

Vihje: NoC:tä ei pidä sekoittaa NOC:hen tai verkkotoimintokeskukseen.

Melkein kaikki muu on valinnaista, mutta enemmän on oltava, jotta se olisi SoC. Muisti ja muistiohjain voidaan integroida siruun SRAM-välimuistin ja DRAM-muistin muodossa, mutta myös piirin ulkopuolista muistia voidaan käyttää. Älypuhelimille tarkoitetuissa SoC:issa on yleensä muun tyyppisiä prosessointiyksiköitä, kuten GPU, NPU ja digitaalinen signaaliprosessori.

zzz

Miksi valita SoC?

Tyypillisesti SoC on yksi monoliittinen piisiru. Nykyaikaiset pakkaustekniikat alkavat kuitenkin mahdollistaa piisirujen pinoamisen päällekkäin 3D-tasolla. Näitä 3D-malleja kutsutaan edelleen yksittäisiksi siruiksi, ja niin ovat myös SoC:t. SoC, joka käyttää erillisiä siruja, erotetaan System In Package tai SIP.

Kaiken yhdeksi siruksi integroivan järjestelmän suunnittelu sopii erinomaisesti ahtaisiin ympäristöihin, koska piin IP-tiheys on erittäin korkea. Avaruushaasteita kuitenkin esiintyy. Suuremmilla siruilla on yleensä pienempi saanto, koska piikiekon viat vaikuttavat todennäköisemmin mihin tahansa siruun. Suuren prosessointitehon yhdistäminen tarkoittaa myös, että lämpöä voi tuottaa paljon. Yhdessä tämä tarkoittaa, että on tehtävä kompromisseja vakaan järjestelmän varmistamiseksi. Tämä myös synergiaa hyvin monien akkukäyttöisten laitteiden tehotarpeiden kanssa, jotka käyttävät SoC:ia, joissa virrantehokkuus on avainasemassa.

Suoran loppukäyttäjän laitteissa on löydettävä tasapaino korkean tehon ja korkean suorituskyvyn välillä. Tätä tarkoitusta varten useimmat älypuhelinten SoC:t käyttävät useita prosessoriytimiä, joista osa on viritetty suorituskykyä ja toiset tehokkuutta varten.

Sijoittamalla kaikki yhdelle sirulle latenssi minimoidaan ja voidaan saavuttaa suurempia kaistanleveyksiä. Lisäksi signaalien välittämiseen tarvittava teho pienenee, koska "kaapelit" ovat lyhyempiä. Tiukasti integroidulla sirulla on vähemmän vikaa. Lisäksi valmistuskustannukset eivät sisällä ylimääräisten yhdistelmävaiheiden kustannuksia, kuten sirusuunnittelussa.

SoC:n rajoitukset

SoC:n suurin yksittäinen rajoitus on lämmön/tehon tiheys. Laitteita on vaikea jäähdyttää, varsinkin älypuhelimen kaltaisia, joiden on turvauduttava passiiviseen jäähdytykseen. SoC on viritettävä odotettuun lämpöverhokäyrään. Tämä on viime kädessä älypuhelimien suorituskykyä rajoittava tekijä. Kun se laajennetaan laitteisiin, joissa on aktiivisempi jäähdytys, kuten viimeisimmät Mac-kirjat Applen itse suunnittelemalla piillä, tehobudjettia voidaan lisätä, koska lämpöä voidaan hajauttaa tehokkaammin. Sellaisenaan M1- ja M2-sirut tarjoavat huomattavasti enemmän prosessointitehoa kuin älypuhelimen SoC.

Tällä on kuitenkin rajansa. Nykyaikaiset huippuluokan prosessorit ja GPU:t ovat jo uskomattoman kuumia. Et yksinkertaisesti voi vain integroida molempia yhdeksi suureksi SoC:ksi. Lämpötiheys olisi vain liian korkea, ja jäähdyttäminen olisi käytännössä mahdotonta. Jotkut näistä laitteista, enemmän GPU:t kuin CPU:t, saavuttavat myös nykyisen tekniikan rajat monoliittisten sirujen osalta. Tämä näkyy, kun siirtyminen sirujen suunnitteluun on jo alkanut.

Sirut auttavat monin tavoin vähentäen suunnittelukustannuksia ja lisäämällä tuottoa, mutta niillä ei ole suurta vaikutusta lämpötiloihin, koska sirut on silti pakattava todella lähelle toisiaan ja jaettava sama lämmönpoistolaitteisto. Sellaisenaan on vain niin paljon prosessointitehoa, joka voidaan ahtautua SoC:hen ennen kuin se tulee liian suureksi ja raskaaksi, jolloin voidaan saavuttaa suurempi suorituskyky jakamalla komponentit pois nykyaikaisten tietokoneiden tapaan.

Siitä huolimatta tietokoneet integroivat hitaasti enemmän ja enemmän ominaisuuksia prosessoriin. Sen tekemisessä on suorituskykyetuja. Tämä prosessi ei kuitenkaan todennäköisesti ulotu liian pitkälle. Etenkin massamuistia, DRAM-muistia ja huippuluokan grafiikkaa ei todennäköisesti integroida.

Johtopäätös

SoC tulee sanoista System on Chip. Sitä ei pidä sekoittaa SOC:hen, joka tarkoittaa Security Operations Centeriä tai Systems and Organisation Controls -toimintoja. Se on ajatus integroida useimmat tietokonelaitteen komponentit suoraan yhdeksi piisiruksi. Sirun ydin on prosessori, mutta useimmat muut komponentit ja prosessointiteho ovat myös suoraan mukana. SoC-suunnitteluparadigma on ollut erittäin menestynyt älypuhelinmarkkinoilla. Sitä käytetään myös sulautetuissa laitteissa, IoT:ssä ja teollisuusjärjestelmissä, joissa se tarjoaa enemmän "älykkäitä" kuin perinteiset mikro-ohjaimet. SoC:t löytyvät myös tableteista ja joistakin ohuista ja kevyistä kannettavista.

Markkina-alueensa perusteella SoC:t on tyypillisesti viritetty tehokkuutta varten ja valinnainen huippusuorituskyky tarpeen mukaan. Tämä ei kuitenkaan välttämättä ole olennainen osa suunnittelua. Kokonaissuorituskykyä rajoittaa lämpötiheys, mikä tarkoittaa, että on olemassa rajoituksia sille, kuinka paljon toimintoja tulisi integroida SoC:hen sen sijaan, että se jaetaan.