Mi az a SoC?

Ha valaha is belenézett egy PC-torony belsejébe, láthatja, hogy nagyon sok különböző összetevőből áll. Átlagos laptopja a legtöbb azonos komponenst tartalmazza, de összezsugorítja, újraformázza őket, és a lehető legtöbb „elpazarolt” helyet csökkenti. Egy okostelefon ugyanazt tudja elvégezni, mint egy asztali vagy laptop, bár igaz, nem olyan gyorsan. Ez azért van így, mert ugyanazt a hardvert tartalmaz. Egy okostelefon apró testében azonban tényleg nincs elég hely ahhoz, hogy a dolgok még csak laptopnak tűnjenek. A jelentős helykorlátok megkerülésére egy teljesen új tervezési paradigmát alkalmaznak.

System On Chip

A számítógépet CPU, az okostelefont SoC vagy egy System on Chip táplálja. A SoC tartalmaz CPU-t, de ennél jóval többet is. Ez az, ami megkülönbözteti, és lehetővé teszi, hogy az apró okostelefon ugyanazokat a szolgáltatásokat nyújtsa, mint a számítógép, miközben elfér a zsebében, és kis akkumulátorral működik.

Megjegyzés: A SoC a System on Chip rövidítése, azonban a System on a Chip összehúzódása nyelvtanilag jobban értelmezhető. Ha segít, feltételezheti, hogy az „a” zárójelben van, és feltételezett, de kimondatlan marad.

A számítógépes paradigma az, hogy szétválassza az alkatrészeket, így mindegyiket egymástól függetlenül optimalizálhatja, és megfelelően lehűtheti, bár a laptopok általában küzdenek ezzel az utolsó résszel. A mobil paradigma lényege, hogy mindent egyetlen mindenre kiterjedő szuperchipbe csoportosítunk, egy teljes számítógépes rendszert egyetlen chipen.

Mit tartalmaz egy SoC?

Valójában a SoC-től és a rendeltetésétől függ. Tartalmaznia kell legalább egy feldolgozó magot. Ez lehet egy általános célú CPU mag, vagy lehet mikrokontroller mag, vagy valami specifikusabb, például digitális jelfeldolgozó. Általában egy SoC több processzormagot tartalmaz, bár néhány egyszerű termék csak egyet használ. Az SoC-nek tartalmaznia kell valamilyen összeköttetést is a chip különböző összetevőinek összekapcsolásához. Történelmileg ez egy megosztott busz volt, azonban a jelenlegi és a jövőbeni rendszerek egy robusztusabb, hálózatszerű rendszer felé haladnak, amelyet NoC-nek vagy Network on Chip-nek neveznek.

Tipp: A NoC nem tévesztendő össze a NOC-val vagy a hálózati műveleti központtal.

Szinte minden más nem kötelező, bár ennél többet kell tartalmaznia ahhoz, hogy SoC legyen. A memória és a memóriavezérlő SRAM gyorsítótár és DRAM formájában integrálható a chipbe, de chipen kívüli memória is használható. Az okostelefonokhoz szánt SoC-k általában más típusú feldolgozó egységeket, például GPU-t, NPU-t és digitális jelprocesszort tartalmaznak.

zzz

Miért válassz SoC-t?

Az SoC általában egyetlen monolit szilícium chip. Ennek ellenére a modern csomagolási technológiák kezdik lehetővé tenni a szilícium chipek 3D egymásra helyezését. Ezeket a 3D-s terveket még mindig egyedi chipeknek nevezik, és az SoC-ket is. A különálló chipleteket használó SoC rendszercsomagként vagy SIP-ként különböztethető meg.

Egy olyan rendszer tervezése, amely mindent egyetlen chipbe integrál, kiváló hely szűkös környezetben, mivel a szilícium IP-sűrűsége rendkívül magas. Ennek ellenére előfordulnak térbeli kihívások. A nagyobb chipek általában alacsonyabb hozamúak, mivel a szilícium lapkák hibái nagyobb valószínűséggel érintik az adott chipet. A nagy feldolgozási teljesítmény egybecsomagolása azt is jelenti, hogy sok hőtermelést lehet elérni. Ez együtt azt jelenti, hogy kompromisszumokat kell kötni a stabil rendszer biztosítása érdekében. Ez jól szinergizál a sok akkumulátoros eszköz energiaszükségletével is, amelyek SoC-t használnak, ahol az energiahatékonyság kulcsfontosságú.

A közvetlen végfelhasználói eszközök esetében meg kell találni az egyensúlyt a nagy energiahatékonyság és a nagy teljesítmény között. Ebből a célból a legtöbb okostelefon SoC egy sor CPU magot használ, amelyek közül néhányat a teljesítményre, másokat pedig a hatékonyságra hangolnak.

Ha mindent egyetlen chipre helyezünk, akkor a késleltetés minimálisra csökken, és nagyobb sávszélesség érhető el. Ezenkívül a jelek kommunikálásához szükséges teljesítmény csökken, mivel a „kábelek” rövidebbek. A szorosan integrált chipnek köszönhetően kevesebb a hiba. Ezenkívül a gyártási költségek nem tartalmazzák az extra kombinációs lépések költségeit, például a chiplet kialakításánál.

Az SoC korlátai

Az SoC egyetlen legnagyobb korlátja a hő/teljesítmény sűrűség. Nehéz hűteni az eszközöket, különösen az olyan okostelefonokat, amelyeknek passzív hűtésre kell támaszkodniuk. Az SoC-t a várt termikus burkológörbejére kell hangolni. Ez végső soron a teljesítményt korlátozó tényező az okostelefonokon. Ha kiterjesztjük az aktívabb hűtéssel rendelkező eszközökre, például az Apple saját tervezésű szilíciumát tartalmazó legújabb Mac-könyvekre, az energiaköltségvetés növelhető, mivel ez a hő hatékonyabban oszlik el. Mint ilyen, az M1 és M2 chipek lényegesen nagyobb feldolgozási teljesítményt kínálnak, mint egy okostelefon SoC.

Ennek azonban van határa. A modern csúcskategóriás CPU-k és GPU-k már hihetetlenül melegek. Egyszerűen nem lehet mindkettőt egyetlen nagyszerű SoC-ba integrálni. A hősűrűség túl magas lenne, és lényegében lehetetlen lenne lehűteni. Ezen eszközök némelyike, a GPU-k, mint a CPU-k, szintén elérik a jelenlegi technológia határait a monolitikus chipek tekintetében. Ez látható a chiplet dizájn felé való elmozduláson is.

A chipletek sokféle módon segítenek, csökkentik a tervezési költségeket és növelik a hozamot, de nincs jelentős hatással a termikusra, mivel a chipleteket továbbra is nagyon közel kell egymáshoz csomagolni, és ugyanazt a hőelvezető berendezést kell használniuk. Mint ilyen, csak annyi feldolgozási teljesítményt lehet belezsúfolni egy SoC-ba, mielőtt az túl nagy és nehézkessé válna, és ekkor nagyobb teljesítmény érhető el az alkatrészek szétválasztásával, ahogy az a modern számítógépeknél látható.

Ennek ellenére a számítógépek lassan egyre több funkciót integrálnak a CPU-ba. Ennek megvannak a teljesítménybeli előnyei. Ez a folyamat azonban valószínűleg nem fog túl messzire nyúlni. Nem valószínű, hogy a tömegtárat, a DRAM-ot és a csúcskategóriás grafikát integrálják.

Következtetés

A SoC a System on Chip rövidítése. Nem tévesztendő össze az SOC-val, amely a Security Operations Center vagy a Systems and Organisation Controls rövidítése. Ez az a koncepció, amely a számítástechnikai eszköz legtöbb összetevőjét közvetlenül egyetlen szilícium chipbe integrálja. A chip magja a CPU, de a legtöbb egyéb alkatrész és a feldolgozási teljesítmény is közvetlenül benne van. Az SoC tervezési paradigma rendkívül sikeres volt az okostelefonok piacán. A beágyazott eszközökben, az IoT-ben és az ipari rendszerekben is használható, ahol több „okosságot” kínál, mint a hagyományos mikrokontrollerek. Az SoC-ok táblagépekben és néhány vékony és könnyű laptopban is megtalálhatók.

Tekintettel a piacra, az SoC-ket jellemzően energiahatékonyságra hangolják, és igény szerint választható csúcsteljesítményt biztosítanak. Ez azonban nem feltétlenül szerves része a tervezésnek. Az általános teljesítményt a hősűrűség korlátozza, ami azt jelenti, hogy vannak korlátok annak, hogy mennyi funkcionalitást kell integrálni egy SoC-be, nem pedig szétválasztani.