Čo je to SoC?

Ak ste sa niekedy pozreli do veže PC, môžete vidieť, že je tam veľa rôznych komponentov. Váš priemerný prenosný počítač obsahuje väčšinu rovnakých komponentov, ale zmršťuje ich, preformátuje a ušetrí toľko „plytvaného“ miesta, koľko je len možné. Smartfón môže robiť rovnaké veci ako stolný alebo prenosný počítač, aj keď, pravdaže, nie tak rýchlo. Robí to preto, že obsahuje rovnaký druh hardvéru. V malom tele smartfónu však naozaj nie je dosť miesta na to, aby veci vyzerali ako laptop. Na obídenie významných priestorových obmedzení sa používa úplne nová paradigma dizajnu.

Systém na čipe

Počítač poháňa CPU, smartfón SoC alebo systém na čipe. SoC obsahuje CPU, ale obsahuje aj oveľa viac. A to je to, čo ho odlišuje a umožňuje malému smartfónu ponúkať rovnaké funkcie ako počítač, pričom sa zmestí do vrecka a minie sa malá batéria.

Poznámka: SoC je skratka pre System on Chip, avšak kontrakcia System on a Chip dáva väčší gramatický zmysel. Ak vám to pomôže, môžete predpokladať, že „a“ je v zátvorkách a je predpokladané, ale nevyslovené.

Počítačová paradigma je oddeliť časti, aby ste mohli nezávisle optimalizovať každú z nich a správne ich chladiť, hoci notebooky majú tendenciu bojovať s touto poslednou časťou. Mobilná paradigma je zoskupiť všetko do jedného všeobjímajúceho superčipu a úplného počítačového systému na jednom čipe.

Čo obsahuje SoC?

Naozaj to závisí od SoC a na čo je určený. Musí obsahovať aspoň jedno jadro spracovania. Môže to byť univerzálne jadro CPU, alebo to môže byť jadro mikrokontroléra alebo niečo konkrétnejšie, ako je digitálny signálový procesor. Typicky bude SoC obsahovať viacero spracovateľských jadier, hoci niektoré jednoduché produkty môžu používať iba jedno. SoC musí tiež obsahovať nejaký druh prepojenia na pripojenie rôznych komponentov na čipe. Historicky to bola zdieľaná zbernica, ale súčasné a budúce systémy smerujú k robustnejšiemu sieťovému systému označovanému ako NoC alebo Network on Chip.

Tip: NoC sa nesmie zamieňať s NOC alebo sieťovým operačným centrom.

Takmer všetko ostatné je voliteľné, aj keď na to, aby to bol SoC, musí byť obsiahnuté viac. Pamäť a pamäťový radič môžu byť integrované do čipu vo forme vyrovnávacej pamäte SRAM a DRAM, možno však použiť aj pamäť mimo čipu. SoC určené pre smartfóny majú tendenciu mať integrované iné typy procesorových jednotiek, ako sú GPU, NPU a digitálny signálový procesor.

zzz

Prečo si vybrať SoC?

Typicky bude SoC jeden monolitický kremíkový čip. Moderné baliace technológie však začínajú umožňovať 3D stohovanie kremíkových čipov na seba. Tieto 3D návrhy majú tendenciu byť stále označované ako samostatné čipy, rovnako ako SoC. SoC, ktorý využíva odlišné čiplety, sa rozlišuje ako System In Package alebo SIP.

Návrh systému, ktorý integruje všetko do jedného čipu, je vynikajúci pre prostredia s obmedzeným priestorom, pretože hustota IP na kremíku je extrémne vysoká. Napriek tomu sa vyskytujú vesmírne výzvy. Väčšie čipy majú tendenciu mať nižšie výnosy, pretože defekty v kremíkovej doštičke s väčšou pravdepodobnosťou ovplyvnia ktorýkoľvek daný čip. Zbalenie veľkého množstva spracovateľského výkonu tiež znamená, že môže dôjsť k veľkej produkcii tepla. Spolu to znamená, že na zabezpečenie stabilného systému je potrebné robiť kompromisy. To tiež dobre spolupracuje s požiadavkami na napájanie mnohých zariadení napájaných z batérie, ktoré využívajú SoC, kde je energetická účinnosť kľúčová.

Pre zariadenia priameho koncového užívateľa je potrebné nájsť rovnováhu medzi vysokou energetickou účinnosťou a vysokým výkonom. Na tento účel väčšina smartfónov SoC využíva rad jadier CPU, z ktorých niektoré sú vyladené na výkon a iné na efektivitu.

Umiestnením všetkého na jeden čip je latencia minimalizovaná a je možné dosiahnuť vyššiu šírku pásma. Okrem toho je výkon potrebný na komunikáciu signálov znížený, pretože „káble“ sú kratšie. S pevne integrovaným čipom je menej chýb. Výrobné náklady navyše nezahŕňajú náklady na dodatočné kombinačné kroky, ako napríklad pri návrhu čipu.

Obmedzenia SoC

Jediným najväčším obmedzením SoC je hustota tepla/výkonu. Je ťažké chladiť zariadenia, najmä niečo ako smartfón, ktorý sa musí spoliehať na pasívne chladenie. SoC musí byť vyladený podľa očakávanej tepelnej obálky. Toto je v konečnom dôsledku limitujúci faktor výkonu smartfónov. Pri rozšírení na zariadenia s aktívnejším chladením, ako sú napríklad nedávne knihy pre Mac s kremíkom navrhnutým spoločnosťou Apple, sa môže rozpočet energie zvýšiť, pretože teplo sa môže odvádzať efektívnejšie. Čipy M1 a M2 ako také ponúkajú výrazne vyšší výpočtový výkon ako SoC pre smartfóny.

Toto však má svoje hranice. Moderné špičkové CPU a GPU sú už neuveriteľne horúce. Oboje jednoducho nemôžete integrovať do jedného veľkého veľkého SoC. Tepelná hustota by bola príliš vysoká a v podstate by nebolo možné ochladiť. Niektoré z týchto zariadení, GPU viac ako CPU, tiež dosahujú limity súčasnej technológie, pokiaľ ide o monolitické čipy. Je to vidieť na tom, že sa už začal posun smerom k dizajnom chipletov.

Chiplety pomáhajú mnohými spôsobmi, znižujú niektoré náklady na dizajn a zvyšujú výnosy, ale nemajú masívny vplyv na termiku, pretože chiplety stále musia byť zabalené veľmi blízko seba a zdieľať rovnaké zariadenie na odvádzanie tepla. Ako taký existuje len toľko výpočtového výkonu, ktorý sa dá napchať do SoC skôr, ako bude príliš veľký a nepraktický, v tomto bode je možné dosiahnuť vyšší výkon rozdelením komponentov, ako je to vidieť v moderných počítačoch.

Počítače však pomaly integrujú viac a viac funkcií do CPU. To prináša výkonnostné výhody. Je však nepravdepodobné, že by tento proces zasiahol príliš ďaleko. Veľkokapacitné úložisko, DRAM a najmä špičková grafika pravdepodobne nebudú integrované.

Záver

SoC je skratka pre System on Chip. Nesmie sa zamieňať s SOC, čo je skratka pre Security Operations Center alebo Systems and Organization Controls. Ide o koncept integrácie väčšiny komponentov výpočtového zariadenia priamo do jediného kremíkového čipu. Jadrom čipu je CPU, ale väčšina ostatných komponentov a výpočtový výkon sú tiež priamo zahrnuté. Dizajnová paradigma SoC bola na trhu smartfónov mimoriadne úspešná. Využitie vidí aj vo vstavaných zariadeniach, IoT a priemyselných systémoch, kde ponúka viac „inteligentnosti“ ako tradičné mikrokontroléry. SoC možno nájsť aj v tabletoch a niektorých tenkých a ľahkých notebookoch.

Vzhľadom na ich trh sú SoC zvyčajne vyladené na energetickú účinnosť s voliteľným špičkovým výkonom na požiadanie. To však nie je nevyhnutne neoddeliteľnou súčasťou dizajnu. Celkový výkon je obmedzený tepelnou hustotou, čo znamená, že existujú limity, pokiaľ ide o to, koľko funkcií by sa malo integrovať do SoC a nie rozdeľovať.