Kaj je SoC?

Če ste kdaj pogledali v notranjost PC stolpa, lahko vidite, da je veliko različnih komponent. Vaš povprečen prenosni računalnik vsebuje večino istih komponent, vendar jih skrči, ponovno formatira in izreže čim več "zapravljenega" prostora. Pametni telefon lahko počne enake stvari kot namizni ali prenosni računalnik, čeprav resda ne tako hitro. To počne, ker vsebuje isto vrsto strojne opreme. V majhnem ohišju pametnega telefona pa res ni dovolj prostora, da bi stvari sploh izgledale kot prenosnik. Da bi se izognili velikim prostorskim omejitvam, je uporabljena popolnoma nova paradigma oblikovanja.

Sistem na čipu

Računalnik poganja CPE, pametni telefon SoC ali sistem na čipu. SoC vsebuje CPE, vendar vsebuje tudi veliko več kot to. In to je tisto, kar ga razlikuje, in omogoča, da majhen pametni telefon ponuja enake funkcije kot računalnik, medtem ko ga lahko pospravite v žep in napaja majhno baterijo.

Opomba: SoC je okrajšava za System on Chip, vendar je skrajšanje System on a Chip bolj slovnično smiselno. Če vam pomaga, lahko domnevate, da je "a" v oklepaju in je domnevno, a neizrečeno.

Računalniška paradigma je ločiti dele, tako da lahko neodvisno optimizirate vsakega od njih in jih pravilno ohladite, čeprav se prenosniki ponavadi borijo s tem zadnjim delom. Mobilna paradigma je združiti vse skupaj v en vseobsegajoč super-čip, celoten računalniški sistem na enem samem čipu.

Kaj vsebuje SoC?

Res je odvisno od SoC in čemu je namenjen. Vsebovati mora vsaj eno procesorsko jedro. To je lahko jedro procesorja za splošne namene ali pa je jedro mikrokrmilnika ali kaj bolj specifičnega, kot je procesor digitalnih signalov. Običajno bo SoC vseboval več procesorskih jeder, čeprav nekateri preprosti izdelki morda uporabljajo samo eno. SoC mora vsebovati tudi nekakšno medsebojno povezavo za povezovanje različnih komponent na čipu. V preteklosti je bilo to skupno vodilo, vendar se sedanji in prihodnji sistemi usmerjajo k bolj robustnemu omrežnemu sistemu, imenovanemu NoC ali omrežje na čipu.

Namig: NoC ne smete zamenjevati z NOC ali centrom za omrežne operacije.

Skoraj vse ostalo je neobvezno, čeprav mora vsebovati še več, da je SoC. Pomnilnik in pomnilniški krmilnik sta lahko integrirana v čip v obliki predpomnilnika SRAM in DRAM, čeprav je mogoče uporabiti tudi pomnilnik zunaj čipa. SoC, namenjeni pametnim telefonom, imajo običajno vgrajene druge vrste procesnih enot, kot so GPE, NPE in digitalni signalni procesor.

zzz

Zakaj izbrati SoC?

Običajno bo SoC en sam monoliten silicijev čip. Kljub temu sodobne tehnologije pakiranja začenjajo omogočati 3D zlaganje silicijevih čipov enega na drugega. Te 3D-zasnove se še vedno imenujejo enojni čipi, prav tako sistemi na čipu. SoC, ki uporablja različne čiplete, se razlikuje kot System In Package ali SIP.

Oblikovanje sistema, ki združuje vse v en sam čip, je odlično za prostorsko omejena okolja, saj je gostota IP na siliciju izjemno visoka. Kljub temu se vesoljski izzivi pojavljajo. Večji čipi imajo običajno manjše izkoristke, saj je večja verjetnost, da bodo napake v silicijevi rezini vplivale na kateri koli čip. Združitev velike procesorske moči pomeni tudi, da se lahko proizvede veliko toplote. Skupaj to pomeni, da je treba sprejeti kompromise, da se zagotovi stabilen sistem. To je tudi dobra sinergija z zahtevami po energiji številnih baterijsko napajanih naprav, ki uporabljajo sisteme na čipu, kjer je energetska učinkovitost ključna.

Pri napravah za neposredne končne uporabnike je treba najti ravnovesje med visoko energetsko učinkovitostjo in visoko zmogljivostjo. V ta namen večina sistemov na čipu za pametne telefone uporablja vrsto jeder CPE, od katerih so nekatera prilagojena za zmogljivost, druga pa za učinkovitost.

Z namestitvijo vsega na en sam čip je zakasnitev minimizirana in mogoče je doseči višje pasovne širine. Poleg tega je moč, potrebna za komunikacijo signalov, zmanjšana, ker so "kabli" krajši. S tesno integriranim čipom je manj napak. Poleg tega stroški izdelave ne vključujejo stroškov za dodatne korake kombiniranja, kot je na primer zasnova čipleta.

Omejitve SoC

Edina največja omejitev SoC je gostota toplote/moči. Težko je ohladiti naprave, še posebej take, kot je pametni telefon, ki se mora zanašati na pasivno hlajenje. SoC je treba prilagoditi pričakovanemu toplotnemu ovoju. To je navsezadnje omejevalni dejavnik pri pametnih telefonih. Ko se razširi na naprave z bolj aktivnim hlajenjem, kot so nedavne knjige Mac z Applovim samozasnovanim silicijem, se lahko proračun energije poveča, saj se lahko ta toplota učinkoviteje odvaja. Čipa M1 in M2 kot taka nudita znatno večjo procesorsko moč kot pametni telefon SoC.

Vendar obstaja meja pri tem. Sodobni vrhunski procesorji in grafični procesorji so že neverjetno vroči. Enostavno ne morete preprosto integrirati obojega v en velik velik SoC. Toplotna gostota bi bila preprosto previsoka in v bistvu bi bilo nemogoče ohladiti. Nekatere od teh naprav, grafični procesorji bolj kot procesorji, prav tako dosegajo meje trenutne tehnologije, kar zadeva monolitne čipe. To je razvidno iz tega, da se je že začel premik k oblikovanju čipletov.

Čipleti pomagajo na več načinov, saj zmanjšajo nekatere stroške načrtovanja in povečajo izkoristek, vendar nimajo velikega vpliva na termiko, saj morajo biti čipleti še vedno pakirani zelo blizu drug drugega in morajo imeti isto opremo za odvajanje toplote. Kot taka obstaja le toliko procesorske moči, da jo je mogoče stlačiti v SoC, preden postane prevelik in okoren, pri čemer je mogoče doseči večjo zmogljivost z razdelitvijo komponent, kot je to vidno v sodobnih računalnikih.

Vendar pa računalniki počasi integrirajo vse več funkcij v CPE. To ima koristi pri delovanju. Vendar je malo verjetno, da bo ta proces segal predaleč. Zlasti masovni pomnilnik, DRAM in vrhunska grafika verjetno ne bodo integrirani.

Zaključek

SoC pomeni sistem na čipu. Ne smete ga zamenjevati s SOC, ki pomeni center za varnostne operacije ali nadzor sistemov in organizacije. Gre za koncept integracije večine komponent računalniške naprave neposredno v en silicijev čip. Jedro čipa je CPE, vendar je neposredno vključenih tudi večina drugih komponent in procesorske moči. Oblikovalska paradigma SoC je bila izjemno uspešna na trgu pametnih telefonov. Uporablja se tudi v vgrajenih napravah, IoT in industrijskih sistemih, kjer ponuja več »pametnosti« kot tradicionalni mikrokontrolerji. SoC je mogoče najti tudi v tablicah in nekaterih tankih in lahkih prenosnikih.

SoC-ji so glede na svoj trg običajno prilagojeni za energetsko učinkovitost z izbirno največjo zmogljivostjo na zahtevo. Vendar to ni nujno sestavni del zasnove. Celotna zmogljivost je omejena s toplotno gostoto, kar pomeni, da obstajajo omejitve glede tega, koliko funkcionalnosti je treba vključiti v SoC, namesto da bi jih razdelili.