Vad är en SoC?

Om du någonsin har tittat in i ett PC-torn kan du se att det finns många olika komponenter. Din genomsnittliga bärbara dator innehåller de flesta av samma komponenter men krymper dem, formaterar om dem och skär ut så mycket "slöseri" som möjligt. En smartphone kan göra samma saker som en stationär eller bärbar dator, men visserligen inte lika snabbt. Det gör det eftersom det innehåller samma sorts hårdvara. Men i den lilla kroppen av en smartphone finns det verkligen inte tillräckligt med utrymme för att saker ens ska se ut som en bärbar dator. För att komma runt de betydande utrymmesbegränsningarna används ett helt nytt designparadigm.

System på chip

En dator drivs av en CPU, en smartphone av en SoC eller ett System on Chip. SoC innehåller en CPU, men den innehåller också mycket mer än så. Och det är det som skiljer den åt och gör att den lilla smartphone-formfaktorn kan erbjuda samma funktioner som en dator samtidigt som den får plats i fickan och tar slut på ett litet batteri.

Notera: SoC är en förkortning för System on Chip, men sammandragningen System on a Chip är mer grammatiskt vettig. Om det hjälper kan du anta att "a" står inom parentes och förblir antaget men osagt.

Datorparadigmet är att separera delarna så att du självständigt kan optimera var och en av dem och kyla dem ordentligt, även om bärbara datorer tenderar att kämpa med den sista delen. Det mobila paradigmet är att gruppera allt till ett heltäckande superchip, ett komplett datorsystem på ett enda chip.

Vad innehåller en SoC?

Det beror verkligen på SoC och vad den är avsedd för. Den behöver innehålla minst en bearbetningskärna. Detta kan vara en CPU-kärna för allmänt bruk, eller det kan vara en mikrokontrollerkärna eller något mer specifikt som en digital signalprocessor. Vanligtvis kommer en SoC att innehålla flera bearbetningskärnor, även om vissa enkla produkter kanske bara använder en. En SoC måste också innehålla någon form av sammankoppling för att koppla ihop olika komponenter på chippet. Historiskt sett har detta varit en delad buss, men nuvarande och framtida system går mot ett mer robust nätverksliknande system som kallas en NoC eller Network on Chip.

Tips: En NoC ska inte förväxlas med en NOC eller Network Operations Centre.

I stort sett allt annat är valfritt, även om mer måste finnas för att det ska vara en SoC. Minne och minneskontroller kan integreras i chippet i form av SRAM-cache och DRAM, även om off-chip-minne också kan användas. SoCs avsedda för smartphones tenderar att ha andra typer av processorenheter som en GPU, NPU och digital signalprocessor integrerad.

zzz

Varför välja en SoC?

Vanligtvis kommer en SoC att vara ett enda monolitiskt kiselchip. Som sagt, modern förpackningsteknik börjar möjliggöra 3D-stapling av silikonchips ovanpå varandra. Dessa 3D-designer brukar fortfarande kallas enstaka chips och det är också SoCs. En SoC som använder sig av distinkta chiplets är differentierad som ett System In Package eller SIP.

Att designa ett system som integrerar allt i ett enda chip är utmärkt för utrymmesbegränsade miljöer eftersom IP-densiteten på kisel är extremt hög. Ändå uppstår rymdutmaningar. Större spån tenderar att ha lägre utbyten eftersom defekter i kiselskivan är mer benägna att påverka ett givet chip. Att packa ihop mycket processorkraft innebär också att det kan bli mycket värmeproduktion. Tillsammans innebär detta att kompromisser måste göras för att säkerställa ett stabilt system. Detta samverkar också väl med strömkraven för de många batteridrivna enheterna som använder SoCs där energieffektivitet är nyckeln.

För direkta slutanvändarenheter måste en balans mellan hög effekteffektivitet och hög prestanda hittas. För detta ändamål använder de flesta smartphone-SoC:er en rad CPU-kärnor, av vilka några är inställda för prestanda och andra för effektivitet.

Genom att placera allt på ett enda chip minimeras latensen och högre bandbredder kan uppnås. Dessutom minskar kraften som behövs för att kommunicera signaler eftersom "kablar" är kortare. Med ett tätt integrerat chip är det mindre att gå fel. Dessutom inkluderar tillverkningskostnaderna inte kostnader för extra kombinationssteg, till exempel i en chipletdesign.

Begränsningar för en SoC

Den enskilt största begränsningen för en SoC är värme/effekttätheten. Det är svårt att kyla enheter, speciellt något som en smartphone som måste förlita sig på passiv kylning. En SoC måste ställas in till dess förväntade termiska enveloppe. Detta är i slutändan den prestandabegränsande faktorn på smartphones. När den utökas till enheter med mer aktiv kylning som nyare Mac-böcker med Apples egendesignade kisel, kan energibudgeten ökas eftersom värmen kan avledas mer effektivt. Som sådan erbjuder M1- och M2-chippen betydligt mer processorkraft än en smartphone SoC.

Det finns dock en gräns för detta. Moderna avancerade processorer och GPU:er är redan otroligt heta. Du kan helt enkelt inte bara integrera båda i en stor SoC. Den termiska densiteten skulle helt enkelt vara för hög, och det skulle vara i princip omöjligt att kyla. Vissa av dessa enheter, GPU:er mer än processorer, når också gränserna för nuvarande teknik när det gäller monolitiska chips. Detta kan ses med att skiftet redan har börjat mot chipletdesigner.

Chiplets hjälper på många sätt, minskar vissa konstruktionskostnader och ökar utbyten men har inte en massiv effekt på termiken eftersom chiplets fortfarande måste förpackas riktigt nära varandra och dela samma värmeavledningsutrustning. Som sådan finns det bara så mycket processorkraft som kan stoppas in i en SoC innan den blir för stor och otymplig, vid vilken tidpunkt högre prestanda kan uppnås genom att dela upp komponenter som ses i moderna datorer.

Som sagt, datorer integrerar långsamt fler och fler funktioner på CPU:n. Det finns prestandafördelar med att göra det. Denna process är dock osannolikt att sträcka sig för långt. Det är osannolikt att masslagring, DRAM och avancerad grafik kommer att integreras.

Slutsats

SoC står för System on Chip. Det är inte att förväxla med SOC som står för Security Operations Center eller Systems and Organization Controls. Det är konceptet att integrera de flesta komponenterna i en datorenhet direkt i ett enda kiselchip. Kärnan i chippet är CPU men de flesta andra komponenter och processorkraft ingår också direkt. SoC-designparadigmet har varit extremt framgångsrikt på smartphonemarknaden. Den ser också användning i inbäddade enheter, IoT och industriella system där den erbjuder mer "smarta" än traditionella mikrokontroller. SoCs kan också hittas i surfplattor och vissa tunna och lätta bärbara datorer.

Med tanke på deras marknad är SoCs vanligtvis inställda för energieffektivitet med valfri toppprestanda på begäran. Detta är dock inte nödvändigtvis integrerat i designen. Den totala prestandan begränsas av termisk densitet vilket innebär att det finns gränser för hur mycket funktionalitet som ska integreras i en SoC istället för att delas ut.