Systém na čipu je malý čip se všemi nezbytnými elektronickými součástkami a obvody. V anglické literatuře se používá termín SoC (system-on-a-chip). Systém v zařízení pro detekci zvuku může obsahovat ADC, audio přijímač, paměť, mikroprocesor a uživatelské I/O logické ovládání na jediném čipu.
V medicíně může SoC systém založený na nano-robotech fungovat jako programovatelné protilátky k oddálení časných onemocnění. Čipová video zařízení mohou pomoci nevidomým lidem tím, že jim umožní přijímat obraz, a zvuková zařízení SoC mohou slyšet neslyšící. Systém na čipu se vyvíjí spolu s dalšími technologiemi, jako je SOI (křemík na izolátoru).
Definice pojmů
Systém SoC kombinuje požadované elektronické obvody různých počítačových komponent na jediném integrovaném čipu (IC). SoC je kompletní substrátový elektronický systém, který může obsahovat analogové,digitální, smíšené nebo RF funkce. Jeho součásti obvykle zahrnují grafickou procesorovou jednotku (GPU), centrální procesorovou jednotku (CPU), která může být vícejádrová, a systémovou paměť (RAM).
Protože systém na čipu zahrnuje hardware i software, spotřebovává méně energie, má lepší výkon, vyžaduje méně místa a je spolehlivější než systémy s více čipy. Většina systémových čipů je dnes součástí mobilních zařízení, jako jsou chytré telefony a tablety.
System-on-a-Chip je speciálně navržen tak, aby splňoval standardy pro začlenění požadovaných elektronických obvodů mnoha počítačových komponent do jediného integrovaného čipu. Namísto systému, který spojuje více čipů a součástek na PCB, vytváří SoC všechny potřebné obvody v jediném zařízení.
Výzvy SoC zahrnují vyšší náklady na prototypování, architekturu a složitější ladění. IC nejsou nákladově efektivní. To se však může změnit s pokrokem technologie.
Požadované parametry mikročipu
Systém na čipu SoC jsou velmi složitá zařízení. Například Qualcomm's Snapdragon 600 system-on-a-chip je SoC, který byl použit ve starém smartphonu Samsung Galaxy.
Lidé chtějí mít možnost používat své chytré telefony k surfování na internetu, poslechu hudby, sledování videí, používání GPS navigace, pořizování fotografií a videí, hraní her, přístupu na sociální sítě. Všechny tyto vlastnostijsou vybaveny nejen dobrým procesorem, ale také výkonným grafickým čipem System on Chip SoC, rychlým bezdrátovým Bluetooth čipsetem a podporou připojení k 4G sítím. To vše by mělo fungovat s co nejmenší spotřebou energie.
Řešením je miniaturizace všeho, co lze nainstalovat. Zařízení by měla být co nejvíce stlačena a umístěna kompaktně na menší plochu. Důsledkem toho je vyšší výpočetní výkon a nižší spotřeba energie. To je přesně to, co SoC nabízí.
Design systému na čipu
Koncepčně existují tři úrovně strategie návrhu funkčních čipů. První úrovní je symetrie bodové skupiny. Určuje přítomnost nebo nepřítomnost určité fyzické odezvy a anizotropie krystalu. Proto jej lze použít k hledání a stínění nových funkčních krystalů.
Symetrie skupin bodů je nezbytným požadavkem, nikoli však postačující podmínkou pro funkční krystal. Aby systém SNK na čipu vykazoval určitou vlastnost, musí být doplněn o druhou úroveň strategie návrhu – prostorovou skupinovou strukturu nebo symetrii.
Konečně, pro zlepšení nebo optimalizaci odezvy existuje třetí úroveň strategie molekulárního inženýrství, která zahrnuje jemné doladění elektronických nebo magnetických struktur stavebních bloků atomů, molekul a krystalových shluků.
Komponentymobilní zařízení
Systém SoC-on-a-chip může mít různé prvky v závislosti na jeho účelu. Vzhledem k tomu, že naprostá většina SoC se používá na chytrých telefonech, nabízíme seznam nejběžnějších součástí těchto zařízení:
- CPU je jádrem uvnitř SoC. Toto je část, která je zodpovědná za většinu výpočtů a rozhodnutí. Přijímá vstup z jiných hardwarových komponent a softwaru a poskytuje odpovídající výstupní odezvy. Bez CPU by nebylo SoC. Většina dnešních procesorů má uvnitř dvě, čtyři nebo osm jader.
- GPU – zkráceno pro modul zpracování grafiky. Říká se mu také video čip. GPU je zodpovědný za 3D hraní a také za úhledné vizuální přechody, které jsou viditelné v rozhraní jakéhokoli zařízení používajícího jednočipový systém.
- Paměť RAM – všechna výpočetní zařízení potřebují ke svému fungování paměť. Abyste mohli spouštět aplikace a softwarová data, musíte je používat. K tomu musí mít systém na čipu RAM.
- ROM – Každé zařízení musí mít paměť ROM pro uložení softwaru, jako je firmware nebo operační systém, na kterém běží.
- Modem – smartphone nebude telefon, pokud se nemůže připojit k rádiovým sítím. Modemy se starají o síťové nebo mobilní připojení.
Kromě CPU a paměti mohou další SoC obsahovat rozhraní PCIe navržená propřipojení rádiových transceiverů, rozhraní SATA nebo zařízení USB.
Design čipu
Systémy na čipu musí mít k provádění svých výpočtů polovodičové paměťové bloky. V závislosti na aplikaci SoC může paměť tvořit hierarchii paměti a mezipaměti. To je běžné na trhu mobilních počítačů, ale není vyžadováno u mnoha vestavěných mikrokontrolérů s nízkou spotřebou.
Technologie paměti pro SoC zahrnují paměť pouze pro čtení (ROM), paměť s náhodným přístupem (RAM), elektricky vymazatelnou programovatelnou ROM (EEPROM) a flash paměť. Stejně jako u jiných počítačových systémů lze RAM rozdělit na relativně rychlejší, ale dražší statickou RAM (SRAM) a pomalejší, ale levnější dynamickou RAM (DRAM), jako je systém na čipu zobrazený v tomto článku.
Externí rozhraní
SoC zahrnují externí rozhraní, typicky pro komunikační protokoly. Často jsou založeny na průmyslových standardech, jako je USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C a další. Podporovány mohou být také protokoly bezdrátové sítě, jako je Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN a komunikace v blízkém poli.
V případě potřeby obsahují SoC analogová rozhraní pro zpracování signálu. Mohou interagovat s různými typy senzorů nebo aktuátorů, včetně chytrých převodníků. Mohou také kontaktovat konkrétnímodulové aplikace nebo být interní v SoC, například pokud je v SoC zabudován analogový senzor a jeho hodnoty musí být převedeny na digitální signály pro matematické zpracování.
procesory digitálního signálu
Procesory digitálního signálu (DSP) jsou často součástí systémů na čipu. Provádějí zpracování provozních signálů pro senzory, akční členy, sběr dat, analýzu dat a zpracování multimédií. Jádra DSP mají typicky velmi dlouhé instrukční slovo (VLIW) a architekturu jednosměrné instrukční sady, takže jsou přístupná pro využití paralelismu.
4Jádra DSP nejčastěji obsahují instrukce specifické pro aplikaci a jsou procesory sady manuálů pro konkrétní aplikaci ASIP. Takové pokyny odpovídají specializovaným funkčním jednotkám.
Typické instrukce DSP zahrnují vícenásobnou akumulaci, rychlou Fourierovu transformaci, plynulé násobení a konvoluci. Stejně jako u jiných počítačových systémů vyžadují SoC zdroje hodin, aby generovaly hodinové signály, řídily provádění funkcí a v případě potřeby poskytovaly kontext časování aplikacím pro zpracování signálů.
Populárními zdroji času jsou krystalové oscilátory a smyčky fázového závěsu. SoC také zahrnují regulátory napětí a obvody správy napájení.
Rozdíl mezi SoC a CPU
Kdysi si mnoho lidí myslelo, že CPU je zcela izolováno od monitoru. Nyní mnozí chápou, že CPU je jen malá část,a počítač se skládá z mnoha částí.
Systém na čipu je elektronická obvodová deska, která integruje všechny potřebné komponenty v počítači a dalších elektronických systémech. Patří mezi ně GPU, CPU, paměť, obvody pro správu napájení, USB řadič, bezdrátová rádia a další. Tyto součástky jsou připájeny na základní desce, která se liší od běžných počítačů, jejichž části lze kdykoli vyměnit.
Dá se říci, že systém na čipu (SoC) je to, co se stane, když Vector od Despicable Me na plnohodnotném počítači použije "paprskovou kompresi". Díky síle miniaturizace je System on a Chip funkční počítač, který byl komprimován tak, aby se vešel na jeden křemíkový čip.
Kde se žetony používají
SoC je obvykle malý a nezabírá mnoho místa uvnitř elektronického zařízení, takže je ideální pro menší zařízení. Kombinuje mnoho různých částí na jediném čipu, což znamená, že jeho výrobce nemusí utrácet čas, peníze a zdroje na pokládání významných fyzických částí a budování dlouhých obvodů, což zase znamená nižší produkci a náklady. Systémy na čipu jsou mnohem efektivnější než systémy s vyhrazenými jednotlivými komponentami, jako je stolní počítač nebo notebook. SoC může běžet na baterie po delší dobu.
Tradiční přístupy k elektronice spočívaly ve vytváření systémů, které běží na jednotlivcinezávislé části. Příkladem jsou počítače a notebooky. Neustálá miniaturizace všeho kolem však znamená, že se stále více spoléhají na menší, energeticky účinnější systémy na čipu. Smartphony, tablety a dokonce i IoT (Internet of Things) zařízení dokazují, že systémy na čipech jsou důležitou součástí budoucnosti veškeré elektroniky.
Zařízení Intel Pentium N3710
Pentium N3710 je 64bitový čtyřjádrový systém na čipu navržený společností Intel a představený počátkem roku 2015 pod číslem dílu 3710. Založen na mikroarchitektuře Airmont. Tento čip pracuje na frekvenci 1,6 GHz s režimem až 2,57 GHz. SoC obsahuje HD Graphics 405 GPU, který má 16 prováděcích jednotek a běží na 400 MHz
Podrobnosti o architektuře systému na čipu N3710:
- Designer – Intel.
- Výrobce – Intel.
- Číslo modelu – N3710.
- Číslo dílu – FH8066501715927
- Rozsah – mobilní.
- Vydání – březen 2015
- Pentium řady N3000.
- Frekvence – 1600 MHz.
- Rychlost - 2567 MHz (1 jádro).
- Typ sběrnice – IDI CPUID 406C4.
- Mikroarchitektura – Airmont.
- Hlavní jméno je Braswell.
- Technologie – CMOS.
- Velikost slova – 64 bitů.
- Maximální počet procesorů – jednoprocesorový.
- Maximální paměť je 8 G.
- teplota PP 0 C - 90 C.
- IntegrovánoInformace o grafice GPU – HD Graphics 405.
- Maximální frekvence je 700 MHz.
Výhody čipových systémů
Hlavní účel použití SOC v designu zahrnuje kroky, které tvoří výhody zařízení:
- SOC má malé rozměry, ale obsahuje mnoho funkcí.
- Flexibilita. Pokud jde o velikost čipu, výkon a tvarový faktor, tyto systémy je velmi těžké překonat jinými zařízeními.
- Nákladová efektivita, zejména pro specifické aplikace SoC, jako je video kód.
- Systém na čipu je nespočet. U vysokokapacitních produktů zjednodušují ochranu zdrojů a technické náklady.
Takové vynikající zařízení má však své nevýhody:
- Velká časová investice. Proces návrhu SoC může trvat 6 až 12 měsíců.
- Omezené zdroje.
- Pokud se vyvíjí maloobjemový produkt, bude vyžadováno špičkové vybavení. Možná bude lepší použít hardware třetí strany, věnovat čas a zdroje aplikačnímu softwaru.
Systémy na čipu mají velkou nevýhodu, že je nelze vůbec adaptovat. Jinými slovy, nelze je upgradovat. Systém na čipu obvykle umírá stejně, jako byl vytvořen. Po celou dobu životnosti se v něm nic nemění. Pokud se něco rozbije uvnitř nástroje, nelze opravit nebo vyměnit pouze tuto část. Je třeba vyměnit celý SoC.
Největší výrobcimobilní čipy
Nabízíme stručný přehled systémů na čipu od hlavních výrobců: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA a Broadcom. Qualcomm, NVIDIA a MediaTek vyrábějí a prodávají především mobilní SoC pro hardwarové společnosti pro použití v zařízeních, která vyrábějí. Broadcom vyrábí SoC, které se používají v routerech a síťových zařízeních, a Samsung a Huawei nejen vyrábějí SoC, ale jsou dvě největší společnosti na světě v jejich používání.
Nelze říci, který systém na čipu je nejlepší. Návrh a vývoj systémů na čipu postupuje tak rychle, že v době srovnání bude tato možnost již zastaralá. Je však třeba si uvědomit, že nejlepší SoC nemusí být nejlepší pro procesory nebo nejrychlejší bezdrátové přenosy.
