Hva er en SoC?

Hvis du noen gang har sett inn i et PC-tårn, kan du se at det er mange forskjellige komponenter. Den gjennomsnittlige bærbare datamaskinen inneholder de fleste av de samme komponentene, men krymper dem ned, omformaterer dem og kutter ut så mye "bortkastet" plass som mulig. En smarttelefon kan gjøre de samme tingene som en stasjonær eller bærbar datamaskin, men riktignok ikke så raskt. Den gjør det fordi den inneholder samme type maskinvare. Men i den lille kroppen til en smarttelefon er det egentlig ikke nok plass til at ting til og med kan se ut som en bærbar datamaskin. For å omgå de betydelige plassbegrensningene, brukes et helt nytt designparadigme.

System på chip

En datamaskin drives av en CPU, en smarttelefon av en SoC eller et system på brikke. SoC inneholder en CPU, men den inneholder også langt mer enn det. Og det er det som skiller den, og gjør at den lille smarttelefonformfaktoren kan tilby de samme funksjonene som en datamaskin mens den passer i lommen og går av et lite batteri.

Merk: SoC er forkortelse for System on Chip, men sammentrekningen System on a Chip gir mer grammatisk mening. Hvis det hjelper kan du anta at "a" står i parentes og går antatt, men usagt.

Datamaskinens paradigme er å skille delene slik at du uavhengig kan optimalisere hver av dem og avkjøle dem riktig, selv om bærbare datamaskiner har en tendens til å slite med den siste delen. Det mobile paradigmet er å gruppere alt sammen til en altomfattende superbrikke, et komplett datasystem på en enkelt brikke.

Hva inneholder en SoC?

Det avhenger virkelig av SoC og hva den er ment for. Den trenger å inneholde minst én prosesseringskjerne. Dette kan være en generell CPU-kjerne, eller det kan være en mikrokontrollerkjerne eller noe mer spesifikt som en digital signalprosessor. Vanligvis vil en SoC inneholde flere prosesseringskjerner, selv om noen enkle produkter kanskje bare bruker én. En SoC må også inneholde en slags sammenkobling for å koble sammen forskjellige komponenter på brikken. Historisk sett har dette vært en delt buss, men nåværende og fremtidige systemer er på vei mot et mer robust nettverkslignende system referert til som en NoC eller Network on Chip.

Tips: En NoC må ikke forveksles med en NOC eller Network Operations Centre.

Stort sett alt annet er valgfritt, selv om mer må inneholdes for at det skal være en SoC. Minne og minnekontrolleren kan integreres i brikken i form av SRAM-cache og DRAM, men off-chip-minne kan også brukes. SoC-er beregnet på smarttelefoner har en tendens til å ha andre typer prosesseringsenheter som en GPU, NPU og digital signalprosessor integrert.

zzz

Hvorfor velge en SoC?

Vanligvis vil en SoC være en enkelt monolittisk silisiumbrikke. Når det er sagt, begynner moderne emballasjeteknologier å muliggjøre 3D-stabling av silisiumbrikker oppå hverandre. Disse 3D-designene har en tendens til å bli referert til som enkeltbrikker, og det samme er SoCs. En SoC som gjør bruk av distinkte chiplets er differensiert som et System In Package eller SIP.

Å designe et system som integrerer alt i en enkelt brikke er utmerket for miljøer med begrenset plass, da IP-tettheten på silisium er ekstremt høy. Likevel oppstår det plassutfordringer. Større brikker har en tendens til å ha lavere utbytte da defekter i silisiumplaten er mer sannsynlig å påvirke en gitt brikke. Å pakke mye prosesskraft sammen betyr også at det kan bli mye varmeproduksjon. Sammen betyr dette at det må inngås kompromisser for å sikre et stabilt system. Dette synergi godt med strømkravene til de mange batteridrevne enhetene som bruker SoCs der strømeffektivitet er nøkkelen.

For direkte sluttbrukerenheter må det finnes en balanse mellom høy effekteffektivitet og høy ytelse. Til det formål bruker de fleste smarttelefon-SoC-er en rekke CPU-kjerner, hvorav noen er innstilt for ytelse og andre innstilt for effektivitet.

Ved å plassere alt på en enkelt brikke, minimeres ventetiden og høyere båndbredder kan oppnås. I tillegg reduseres kraften som trengs for å kommunisere signaler ettersom "kabler" er kortere. Med en tett integrert brikke er det mindre å gå galt. I tillegg inkluderer ikke produksjonskostnadene kostnader for ekstra kombinasjonstrinn, for eksempel i en brikkedesign.

Begrensninger for en SoC

Den største enkeltbegrensningen for en SoC er varme-/effekttettheten. Det er vanskelig å kjøle ned enheter, spesielt noe som en smarttelefon som må stole på passiv kjøling. En SoC må være innstilt til den forventede termiske konvolutten. Dette er til syvende og sist den ytelsesbegrensende faktoren på smarttelefoner. Når den utvides til enheter med mer aktiv kjøling, for eksempel nyere Mac-bøker med Apples egendesignede silisium, kan strømbudsjettet økes ettersom denne varmen kan spres mer effektivt. Som sådan tilbyr M1- og M2-brikkene betydelig mer prosessorkraft enn en smarttelefon SoC.

Det er imidlertid en grense for dette. Moderne avanserte CPUer og GPUer er allerede utrolig varme. Du kan rett og slett ikke bare integrere begge i en stor, stor SoC. Den termiske tettheten ville bare være for høy, og det ville i hovedsak være umulig å avkjøle. Noen av disse enhetene, GPUer mer enn CPUer, når også grensene for dagens teknologi når det gjelder monolittiske brikker. Dette kan sees med at skiftet allerede har startet mot chiplet-design.

Chiplets hjelper på mange måter, reduserer noen designkostnader og øker utbyttet, men har ikke en massiv effekt på termikken, siden brikkene fortsatt må pakkes veldig nær hverandre og dele det samme varmespredningsutstyret. Som sådan er det bare så mye prosessorkraft som kan stappes inn i en SoC før den blir for stor og uhåndterlig, på hvilket tidspunkt større ytelse kan oppnås ved å dele ut komponenter som sett i moderne datamaskiner.

Når det er sagt, integrerer datamaskiner sakte flere og flere funksjoner på CPU'en. Det er ytelsesfordeler ved å gjøre det. Det er imidlertid lite sannsynlig at denne prosessen vil strekke seg for langt. Spesielt masselagring, DRAM og avansert grafikk blir neppe integrert.

Konklusjon

SoC står for System on Chip. Det må ikke forveksles med SOC som står for Security Operations Center eller Systems and Organization Controls. Det er konseptet med å integrere de fleste komponentene i en dataenhet direkte i en enkelt silisiumbrikke. Kjernen i brikken er CPU, men de fleste andre komponenter og prosessorkraft er også direkte inkludert. SoC-designparadigmet har vært ekstremt vellykket på smarttelefonmarkedet. Den ser også bruk i innebygde enheter, IoT og industrielle systemer der den tilbyr mer "smart" enn tradisjonelle mikrokontrollere. SoC-er kan også finnes på nettbrett og noen tynne og lette bærbare datamaskiner.

Gitt deres marked, er SoC-er vanligvis innstilt for strømeffektivitet med valgfri toppytelse på forespørsel. Dette er imidlertid ikke nødvendigvis integrert i designet. Den generelle ytelsen er begrenset av termisk tetthet, noe som innebærer at det er grenser for hvor mye funksjonalitet som bør integreres i en SoC i stedet for å deles ut.