Το σύστημα σε ένα τσιπ είναι ένα μικρό τσιπ με όλα τα απαραίτητα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και κυκλώματα. Στην αγγλική βιβλιογραφία χρησιμοποιείται ο όρος SoC (system-on-a-chip). Το σύστημα στη συσκευή ανίχνευσης ήχου μπορεί να περιλαμβάνει ένα ADC, έναν δέκτη ήχου, μια μνήμη, έναν μικροεπεξεργαστή και έναν λογικό έλεγχο εισόδου/εξόδου χρήστη σε ένα μόνο τσιπ.
Στην ιατρική, ένα σύστημα SoC που βασίζεται σε νανορομπότ μπορεί να λειτουργήσει ως προγραμματιζόμενα αντισώματα για να καθυστερήσει τις πρώιμες ασθένειες. Οι συσκευές βίντεο που βασίζονται σε τσιπ μπορούν να βοηθήσουν τους τυφλούς επιτρέποντάς τους να λαμβάνουν μια εικόνα και οι συσκευές ήχου SoC μπορούν να κάνουν τους κωφούς να ακούν. Το σύστημα σε ένα τσιπ εξελίσσεται μαζί με άλλες τεχνολογίες όπως το SOI (πυρίτιο σε μονωτή).
Ορισμοί όρων
Το σύστημα SoC συνδυάζει τα απαιτούμενα ηλεκτρονικά κυκλώματα διαφόρων εξαρτημάτων υπολογιστή σε ένα ενιαίο ολοκληρωμένο τσιπ (IC). Ένα SoC είναι ένα πλήρες ηλεκτρονικό σύστημα υποστρώματος που μπορεί να περιέχει αναλογικά,ψηφιακές, μικτές ή RF λειτουργίες. Τα στοιχεία του περιλαμβάνουν συνήθως μια μονάδα επεξεργασίας γραφικών (GPU), μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), η οποία μπορεί να είναι πολλαπλών πυρήνων και μνήμη συστήματος (RAM).
Επειδή το system-on-a-chip περιλαμβάνει υλικό και λογισμικό, καταναλώνει λιγότερη ενέργεια, έχει καλύτερη απόδοση, απαιτεί λιγότερο χώρο και είναι πιο αξιόπιστο από τα συστήματα πολλαπλών τσιπ. Τα περισσότερα τσιπ συστήματος περιλαμβάνονται σήμερα σε κινητές συσκευές, όπως smartphone και tablet.
Το System-on-a-Chip έχει σχεδιαστεί ειδικά για να πληροί τα πρότυπα για την ενσωμάτωση των απαιτούμενων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων πολλών εξαρτημάτων υπολογιστή σε ένα ενιαίο ολοκληρωμένο τσιπ. Αντί για ένα σύστημα που συναρμολογεί πολλά τσιπ και εξαρτήματα σε ένα PCB, ένα SoC δημιουργεί όλα τα απαραίτητα κυκλώματα σε μία μόνο συσκευή.
Οι προκλήσεις SoC περιλαμβάνουν υψηλότερο κόστος πρωτοτύπων, αρχιτεκτονική και πιο περίπλοκο εντοπισμό σφαλμάτων. Τα IC δεν είναι οικονομικά αποδοτικά. Ωστόσο, αυτό μπορεί να αλλάξει καθώς η τεχνολογία προχωρά.
Απαιτούμενες παράμετροι μικροτσίπ
System on Chip Τα SoC είναι πολύ περίπλοκες συσκευές. Για παράδειγμα, το σύστημα Snapdragon 600 της Qualcomm-on-a-chip είναι το SoC που χρησιμοποιήθηκε στο παλιό smartphone Samsung Galaxy.
Οι άνθρωποι θέλουν να μπορούν να χρησιμοποιούν τα smartphone τους για να σερφάρουν στο Διαδίκτυο, να ακούν μουσική, να παρακολουθούν βίντεο, να χρησιμοποιούν πλοήγηση GPS, να τραβούν φωτογραφίες και βίντεο, να παίζουν παιχνίδια, να έχουν πρόσβαση σε κοινωνικά δίκτυα. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικάπαρέχονται όχι μόνο με έναν καλό επεξεργαστή, αλλά και με ένα ισχυρό τσιπάκι γραφικών System on Chip SoC, ένα γρήγορο ασύρματο chipset Bluetooth και υποστήριξη για σύνδεση σε δίκτυα 4G. Όλα αυτά θα πρέπει να λειτουργούν με τη μικρότερη κατανάλωση ενέργειας.
Η λύση είναι να μικρύνετε οτιδήποτε μπορεί να εγκατασταθεί. Οι συσκευές πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο συμπιεσμένες και να τοποθετούνται συμπαγώς σε μικρότερη επιφάνεια. Συνέπεια αυτού είναι η υψηλότερη ισχύς επεξεργασίας και η χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας. Αυτό ακριβώς προσφέρει το SoC.
Σχεδίαση συστήματος σε τσιπ
Εννοιολογικά, υπάρχουν τρία επίπεδα στρατηγικής σχεδιασμού για λειτουργικά τσιπ. Το πρώτο επίπεδο είναι η συμμετρία της ομάδας σημείων. Υπαγορεύει την παρουσία ή την απουσία μιας ορισμένης φυσικής απόκρισης και ανισοτροπίας του κρυστάλλου. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναζήτηση και την προστασία νέων λειτουργικών κρυστάλλων.
Η συμμετρία ομάδας σημείων είναι απαραίτητη προϋπόθεση, αλλά όχι επαρκής συνθήκη για έναν λειτουργικό κρύσταλλο. Προκειμένου ένα σύστημα SNK-on-a-chip να εμφανίσει μια συγκεκριμένη ιδιότητα, πρέπει να συμπληρωθεί από ένα δεύτερο επίπεδο στρατηγικής σχεδίασης-δομή ή συμμετρία ομάδας χώρου.
Τέλος, για να βελτιωθεί ή να βελτιστοποιηθεί η απόκριση, υπάρχει ένα τρίτο επίπεδο στρατηγικής σχεδιασμού μοριακής μηχανικής που περιλαμβάνει τη λεπτή ρύθμιση των ηλεκτρονικών ή μαγνητικών δομών των δομικών στοιχείων των ατόμων, μορίων και κρυσταλλικών συστάδων.
Στοιχείαφορητές συσκευές
Ένα σύστημα SoC-σε-ένα-τσιπ μπορεί να έχει διάφορα στοιχεία, ανάλογα με τον σκοπό του. Δεδομένου ότι η συντριπτική πλειονότητα των SoC χρησιμοποιούνται σε smartphone, προσφέρουμε μια λίστα με τα πιο κοινά στοιχεία τέτοιων συσκευών:
- Η CPU είναι ο πυρήνας μέσα στο SoC. Αυτό είναι το μέρος που είναι υπεύθυνο για τη λήψη των περισσότερων υπολογισμών και αποφάσεων. Λαμβάνει δεδομένα από άλλα στοιχεία υλικού και λογισμικό και παρέχει κατάλληλες αποκρίσεις εξόδου. Χωρίς την CPU, δεν θα υπήρχε SoC. Οι περισσότεροι επεξεργαστές σήμερα έχουν δύο, τέσσερις ή οκτώ πυρήνες μέσα.
- GPU - συντόμευση για μονάδα επεξεργασίας γραφικών. Ονομάζεται επίσης τσιπ βίντεο. Η GPU είναι υπεύθυνη για τα τρισδιάστατα παιχνίδια καθώς και για τις προσεγμένες οπτικές μεταβάσεις που είναι ορατές στη διεπαφή οποιασδήποτε συσκευής που χρησιμοποιεί ένα σύστημα ενός τσιπ.
- Μνήμη RAM - όλες οι υπολογιστικές συσκευές χρειάζονται μνήμη για να λειτουργήσουν. Για να μπορείτε να εκτελέσετε εφαρμογές και δεδομένα λογισμικού, πρέπει να τα χρησιμοποιήσετε. Για να γίνει αυτό, το system-on-a-chip πρέπει να έχει RAM.
- ROM - Οποιαδήποτε συσκευή πρέπει να διαθέτει μνήμη ROM για την αποθήκευση λογισμικού όπως το υλικολογισμικό ή το λειτουργικό σύστημα στο οποίο εκτελείται.
- Μόντεμ - ένα smartphone δεν θα είναι τηλέφωνο εάν δεν μπορεί να συνδεθεί σε δίκτυα ραδιοφώνου. Τα μόντεμ φροντίζουν τη σύνδεση δικτύου ή κινητής τηλεφωνίας.
Εκτός από την CPU και τη μνήμη, άλλα SoC μπορεί να περιλαμβάνουν διεπαφές PCIe που έχουν σχεδιαστεί γιασύνδεση πομποδέκτη ραδιοφώνου, διεπαφές SATA ή συσκευές USB.
Σχέδιο τσιπ
Τα συστήματα σε ένα τσιπ πρέπει να διαθέτουν μπλοκ μνήμης ημιαγωγών για να εκτελούν τους υπολογισμούς τους. Ανάλογα με την εφαρμογή του SoC, η μνήμη μπορεί να σχηματίσει μια ιεραρχία μνήμης και κρυφής μνήμης. Αυτό είναι συνηθισμένο στην αγορά φορητών υπολογιστών, αλλά δεν απαιτείται σε πολλούς ενσωματωμένους μικροελεγκτές χαμηλής κατανάλωσης.
Οι τεχνολογίες μνήμης για SoC περιλαμβάνουν μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM), μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM), ηλεκτρικά διαγραφόμενη προγραμματιζόμενη ROM (EEPROM) και μνήμη flash. Όπως και με άλλα συστήματα υπολογιστών, η RAM μπορεί να χωριστεί στη σχετικά ταχύτερη αλλά ακριβότερη στατική RAM (SRAM) και στην πιο αργή αλλά φθηνότερη δυναμική RAM (DRAM) όπως το σύστημα σε ένα τσιπ που απεικονίζεται σε αυτό το άρθρο.
Εξωτερικές διεπαφές
Οι SoC περιλαμβάνουν εξωτερικές διεπαφές, συνήθως για πρωτόκολλα επικοινωνίας. Συχνά βασίζονται σε βιομηχανικά πρότυπα όπως USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C και άλλα. Ενδέχεται επίσης να υποστηρίζονται πρωτόκολλα ασύρματου δικτύου όπως Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN και επικοινωνία κοντινού πεδίου.
Εάν απαιτείται, τα SoC περιλαμβάνουν αναλογικές διεπαφές για επεξεργασία σήματος. Μπορούν να αλληλεπιδράσουν με διάφορους τύπους αισθητήρων ή ενεργοποιητών, συμπεριλαμβανομένων των έξυπνων μετατροπέων. Μπορούν επίσης να επικοινωνήσουν με συγκεκριμένουςεφαρμογών μονάδων ή είναι εσωτερικά στο SoC, για παράδειγμα, εάν ένας αναλογικός αισθητήρας είναι ενσωματωμένος στο SoC και οι ενδείξεις του πρέπει να μετατραπούν σε ψηφιακά σήματα για μαθηματική επεξεργασία.
Επεξεργαστές Ψηφιακού Σήματος
Οι επεξεργαστές ψηφιακού σήματος (DSP) περιλαμβάνονται συχνά σε συστήματα σε ένα τσιπ. Εκτελούν επεξεργασία σήματος λειτουργίας για αισθητήρες, ενεργοποιητές, λήψη δεδομένων, ανάλυση δεδομένων και επεξεργασία πολυμέσων. Οι πυρήνες DSP έχουν συνήθως μια πολύ μεγάλη λέξη εντολών (VLIW) και αρχιτεκτονική συνόλου εντολών μονής κατεύθυνσης, επομένως μπορούν να εκμεταλλευτούν τον παραλληλισμό.
Οι πυρήνες 4DSP περιέχουν τις περισσότερες φορές οδηγίες για συγκεκριμένες εφαρμογές και είναι οι επεξεργαστές του συνόλου εγχειριδίων για συγκεκριμένη εφαρμογή ASIP. Τέτοιες οδηγίες αντιστοιχούν σε εξειδικευμένες λειτουργικές μονάδες.
Οι τυπικές οδηγίες DSP περιλαμβάνουν πολλαπλή συσσώρευση, γρήγορο μετασχηματισμό Fourier, ομαλό πολλαπλασιασμό και συνέλιξη. Όπως και με άλλα συστήματα υπολογιστών, τα SoC απαιτούν πηγές ρολογιού για τη δημιουργία σημάτων ρολογιού, τον έλεγχο της εκτέλεσης των λειτουργιών και την παροχή χρονικού πλαισίου σε εφαρμογές επεξεργασίας σήματος, εάν χρειάζεται.
Δημοφιλείς πηγές χρόνου είναι οι κρυσταλλικοί ταλαντωτές και οι βρόχοι κλειδώματος φάσης. Τα SoC περιλαμβάνουν επίσης ρυθμιστές τάσης και κυκλώματα διαχείρισης ισχύος.
Η διαφορά μεταξύ SoC και CPU
Μια φορά κι έναν καιρό, πολλοί άνθρωποι πίστευαν ότι η CPU ήταν εντελώς απομονωμένη από την οθόνη. Τώρα πολλοί καταλαβαίνουν ότι η CPU είναι μόνο ένα μικρό μέρος,και ένας υπολογιστής αποτελείται από πολλά μέρη.
Σύστημα σε ένα τσιπ είναι μια ηλεκτρονική πλακέτα κυκλώματος που ενσωματώνει όλα τα απαραίτητα εξαρτήματα σε έναν υπολογιστή και άλλα ηλεκτρονικά συστήματα. Αυτά περιλαμβάνουν τη GPU, την CPU, τη μνήμη, τα κυκλώματα διαχείρισης ενέργειας, τον ελεγκτή USB, τα ασύρματα ραδιόφωνα και άλλα. Αυτά τα εξαρτήματα είναι συγκολλημένα στη μητρική πλακέτα, η οποία είναι διαφορετική από τους συμβατικούς υπολογιστές, μέρη των οποίων μπορούν να αντικατασταθούν ανά πάσα στιγμή.
Θα μπορούσατε να πείτε ότι ένα σύστημα σε ένα τσιπ (SoC) είναι αυτό που συμβαίνει όταν το Vector από το Despicable Me χρησιμοποιεί "συμπίεση δέσμης" σε έναν πλήρη υπολογιστή. Με τη δύναμη της μικρογραφίας, το System on a Chip είναι ένας λειτουργικός υπολογιστής που έχει συμπιεστεί για να χωράει σε ένα τσιπ πυριτίου.
Πού χρησιμοποιούνται οι μάρκες
Το SoC είναι συνήθως μικροσκοπικό και δεν καταλαμβάνει πολύ χώρο μέσα σε μια ηλεκτρονική συσκευή, καθιστώντας το ιδανικό για μικρότερες συσκευές. Συνδυάζει πολλά διαφορετικά μέρη σε ένα μόνο τσιπ, πράγμα που σημαίνει ότι ο κατασκευαστής του δεν χρειάζεται να ξοδέψει χρόνο, χρήματα και πόρους για την τοποθέτηση σημαντικών φυσικών εξαρτημάτων και την κατασκευή μεγάλων κυκλωμάτων, κάτι που με τη σειρά του σημαίνει χαμηλότερη παραγωγή και κόστος. Τα συστήματα σε ένα τσιπ είναι πολύ πιο αποτελεσματικά από αυτά με ειδικά μεμονωμένα εξαρτήματα, όπως επιτραπέζιο υπολογιστή ή φορητό υπολογιστή. Το SoC μπορεί να λειτουργεί με μπαταρίες για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις στα ηλεκτρονικά αφορούσαν τη δημιουργία συστημάτων που λειτουργούν μεμονωμέναανεξάρτητα μέρη. Παραδείγματα είναι οι υπολογιστές και οι φορητοί υπολογιστές. Ωστόσο, η συνεχής σμίκρυνση όλων των γύρω σημαίνει ότι βασίζονται όλο και περισσότερο σε μικρότερα, πιο ενεργειακά αποδοτικά συστήματα σε ένα τσιπ. Τα smartphone, τα tablet, ακόμη και οι συσκευές IoT (Internet of Things) αποδεικνύουν ότι τα συστήματα σε τσιπ αποτελούν σημαντικό μέρος του μέλλοντος όλων των ηλεκτρονικών.
Συσκευή Intel Pentium N3710
Το Pentium N3710 είναι ένα τετραπύρηνο σύστημα-σε-τσιπ 64-bit που σχεδιάστηκε από την Intel και παρουσιάστηκε στις αρχές του 2015 ως αριθμός εξαρτήματος 3710. Βασισμένο στη μικροαρχιτεκτονική της Airmont. Αυτό το τσιπ λειτουργεί στα 1,6 GHz με λειτουργία έως 2,57 GHz. Το SoC περιλαμβάνει HD Graphics 405 GPU που έχει 16 μονάδες εκτέλεσης και τρέχει στα 400 MHz
N3710 λεπτομέρειες αρχιτεκτονικής συστήματος σε τσιπ:
- Designer - Intel.
- Κατασκευαστής - Intel.
- Αριθμός μοντέλου - N3710.
- Αριθμός ανταλλακτικού - FH8066501715927
- Πεδίο εφαρμογής - κινητό.
- Τεύχος - Μάρτιος 2015
- Pentium N3000 series.
- Συχνότητα - 1600 MHz.
- Ταχύτητα - 2567 MHz (1 πυρήνας).
- Τύπος λεωφορείου - IDI CPUID 406C4.
- Microarchitecture – Airmont.
- Κύριο όνομα είναι Braswell.
- Τεχνολογία - CMOS.
- Μέγεθος λέξης - 64-bit.
- Μέγιστος επεξεργαστής - uniprocessor.
- Η μέγιστη μνήμη είναι 8 G.
- PP θερμοκρασία 0 C - 90 C.
- ΕνσωματωμένοΠληροφορίες γραφικών GPU - HD Graphics 405.
- Η μέγιστη συχνότητα είναι 700 MHz.
Πλεονεκτήματα των συστημάτων τσιπ
Ο κύριος σκοπός της χρήσης SOC στη σχεδίαση περιλαμβάνει τα βήματα που αποτελούν τα πλεονεκτήματα της συσκευής:
- Το SOC είναι μικρό σε μέγεθος αλλά περιλαμβάνει πολλές δυνατότητες.
- Ευελιξία. Όσον αφορά το μέγεθος του τσιπ, την ισχύ και τον παράγοντα μορφής, αυτά τα συστήματα είναι πολύ δύσκολο να νικηθούν από άλλες συσκευές.
- Απόδοση κόστους, ειδικά για συγκεκριμένες εφαρμογές SoC, όπως ο κώδικας βίντεο.
- Το σύστημα σε τσιπ είναι αμέτρητο. Για προϊόντα υψηλής χωρητικότητας, απλοποιούν την προστασία των πόρων και το κόστος μηχανικής.
Ωστόσο, μια τόσο εξαιρετική συσκευή έχει τα μειονεκτήματά της:
- Επένδυση μεγάλου χρόνου. Η διαδικασία σχεδιασμού SoC μπορεί να διαρκέσει από 6 έως 12 μήνες.
- Περιορισμένοι πόροι.
- Εάν αναπτύσσεται ένα προϊόν χαμηλού όγκου, θα απαιτείται εξοπλισμός υψηλής τεχνολογίας. Ίσως είναι καλύτερο να χρησιμοποιείτε υλικό τρίτων, να ξοδεύετε χρόνο και πόρους σε λογισμικό εφαρμογών.
Τα συστήματα σε ένα τσιπ έχουν το μεγάλο μειονέκτημα ότι δεν μπορούν να προσαρμοστούν καθόλου. Δεν μπορούν δηλαδή να αναβαθμιστούν. Ένα σύστημα σε ένα τσιπ συνήθως πεθαίνει το ίδιο όπως δημιουργήθηκε. Τίποτα δεν αλλάζει σε αυτό καθ 'όλη τη διάρκεια ζωής. Εάν κάτι σπάσει εσωτερικά στο όργανο, μόνο αυτό το εξάρτημα δεν μπορεί να επισκευαστεί ή να αλλάξει. Πρέπει να αντικαταστήσετε ολόκληρο το SoC.
Οι μεγαλύτεροι παραγωγοίτσιπ για κινητά
Προσφέρουμε μια σύντομη επισκόπηση των συστημάτων σε ένα τσιπ από μεγάλους κατασκευαστές: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA και Broadcom. Η Qualcomm, η NVIDIA και η MediaTek κατασκευάζουν και πωλούν κυρίως κινητά SoC για εταιρείες υλικού για χρήση σε συσκευές που κατασκευάζουν. Η Broadcom κατασκευάζει SoC που χρησιμοποιούνται σε δρομολογητές και συσκευές δικτύωσης, και η Samsung και η Huawei όχι μόνο κατασκευάζουν SoC, αλλά είναι οι δύο μεγαλύτερες εταιρείες στον κόσμο στη χρήση τους.
Δεν μπορείτε να πείτε ποιο σύστημα σε ένα τσιπ είναι το καλύτερο. Ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη συστημάτων-σε-τσιπ προχωρά τόσο γρήγορα που μέχρι τη στιγμή της σύγκρισης, η επιλογή θα είναι ήδη ξεπερασμένη. Ωστόσο, πρέπει να θυμόμαστε ότι το καλύτερο SoC μπορεί να μην είναι το καλύτερο για επεξεργαστές ή τις πιο γρήγορες ασύρματες μεταφορές.
