Системы на кристалле что это

8

2. Определение Системы на кристалле.

Система на кристалле – сверхбольшая интегральная схема (СБИС), содержащая на кристалле различные сложные функциональные блоки (СФ-блоки), которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре. СФ-блоки, предназначенные для использования в разнообразных проектах, часто называют IP-модулями (Intellectual Property — модули). При этом в состав СФ-блоков входит микропроцессорное ядро с периферийными устройствами в различных сочетаниях. СФ-блоки, используемые при проектировании SoC имеют две основные формы представления: в виде топологических фрагментов, которые могут быть непосредственно реализованы в физической структуре кристалла – аппаратно-реализованные (hard) СФ-блоки; в виде моделей на языке описания аппаратуры (Verilog, VHDL), которые средствами САПР (система автоматизации проектных работ) могут быть преобразованы в топологические фрагменты для реализации на кристалле – синтезируемые (soft) СФ-блоки.

Система на кристалле на базе ПЛИС (программируемая логическая интегральная схема). Блоки могут быть соединены с помощью шины собственной разработки или стандартной конструкции, например, AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture — Прогрессивная архитектура шины микроконтроллера) в чипах компании ARM. Если в составе чипа есть контроллер прямого доступа к памяти (ПДП, DMA — Direct memory access), то с его помощью можно заносить данные с большой скоростью из внешних устройств напрямую в память чипа, минуя процессорное ядро.

SoC – это возможность использования широкой номенклатуры СФ-блоков, имеющихся на рынке, которые могут быть реализованы на базе различных функциональных библиотек и технологий и интегрированы в кристалл средствами современных САПР.

3. Процесс разработки SoC.

SoC (система на кристалле) в настоящее время изготавливается по технологии от 0,18 мкм и ниже и содержит обычно не менее 1 млн. вентилей. В самом общем виде, в состав SoC входят такие компоненты, как:

микропроцессор (или микропроцессоры) и подсистема памяти (статической и/или динамической). Тип процессора варьируется от простейшего 8-разрядного до высокоскоростного 64-разрядного RISC-процессора;

шины – центральная (высокоскоростная) и периферийная – для обмена данными между блоками;

контроллер внешней памяти (например, DRAM, SRAM или Flash);

контроллер ввода/вывода информации: PCI, Ethernet, USB и т.п.;¶

видеодекодек, например MPEG2, AVI, ASF;

таймер и контроллер прерываний;

общий интерфейс ввода/вывода (например, для вывода на светодиодный индикатор информации о наличии питания);

интерфейс UART (universal asynchronous receiver/transmitter) и т.п.

Методология проектирования SoC:

В основе методологии проектирования SoC лежит принцип повторного использования Intellectual Property блоков (IP-блоков, в пределах РФ – СФ-блоков), разрабатываемых целенаправленно или в рамках какого-либо проекта. Система на кристалле конструируется из повторно используемых блоков. Используются IP-блоки двух типов: soft IP, описанные на RTL-уровне, и hard IP – на топологическом уровне.

Принципиальная особенность SoC — это наличие программируемых блоков (процессоров). Поэтому SoC – не просто интегральная схема (ИС), а комплекс, в состав которого входят как аппаратная часть (собственно кристалл), так и программная – встраиваемое программное обеспечение (ПО). Поэтому, маршрут проектирования SoC содержит операции по совместной верификации и отладке программной и аппаратной частей.

Еще одной особенностью SoC является устойчивый рост доли смешанных цифроаналоговых систем в общем объеме SoC, поэтому в маршрут проектирования включены этапы по совместной разработке и верификации цифровой и аналоговой частей SoC.

Процесс разработки делится на четыре этапа:

1.Разработка архитектуры SoC на системном уровне;

2.Выбор имеющихся IP-блоков из базы данных (внутри фирмы, других фирм или поставщиков IP-блоков);

3.Проектирование оставшихся блоков;

4.Интеграция всех блоков на кристалле.

Разработчики выполняют весь цикл системного и функционального проектирования, а также весь цикл разработки СБИС, используя мощные интегрированные программные пакеты (ПО) таких фирм как Synopsys и Cadence Design Systems.

Новая методология проектирования.

Можно выделить дополнительно ряд причин, по которым необходимо переходить на новую методологию проектирования:

— в условиях рынка прибыль в значительной степени зависит от времени проектирования;

— такие технические параметры СБИС, как производительность, площадь кристалла и потребляемая мощность являются ключевыми элементами в продвижении товара на рынок;

— увеличение степени интеграции делает задачу верификации качественно более сложной;

— из-за основных особенностей технологии глубокого субмикрона (DSM – Deep Submicron) все труднее удовлетворить всем требованиям по временным ограничениям.

— команды разработчиков высокоинтегрированных СБИС имеют различный уровень знаний и опыта в области проектирования, и часто при выполнении проектов СБИС расположены в различных частях мира.

Системы на кристалле. Особенности реализации и перспективы применения

Термин «система на кристалле» приобрел большую популярность. Изделия этого класса часто анонсируются и воспринимаются как новое направление в развитии электронной техники, призванное вытеснить «классические» СБИС [1]. В статье рассказывается о том, что представляют собой реальные СнК, и сравниваются их достоинства и недостатки.

Анализируя данные в технической литературе и описания различных изделий, называемых авторами «системами на кристалле», можно сформулировать следующее определение: система на кристалле — это СБИС, интегрирующая на кристалле различные функциональные блоки, которые образуют законченное изделие для автономного применения в электронной аппаратуре. Структура типовой СнК представлена на рисунке 1.

Система на кристалле может включать как цифровые, так и аналоговые блоки. Основным цифровым блоком обычно является процессор, выполняющий программную обработку цифровых данных. Специализированные блоки обработки обеспечивают аппаратное выполнение функций, специфических для данной системы. Это могут быть, например, блоки цифровой обработки сигналов (DSP), аналоговые схемы, преобразователи потоков данных и др. устройства. Различные типы модулей памяти (SRAM, DRAM, ROM, EEPROM, Flash) могут входить в состав СнК или подключаться к ней как внешние блоки. Таймеры, АЦП и ЦАП, широтно-импульсные модуляторы и другие цифровые устройства могут интегрироваться в состав СнК в качестве периферийных устройств. Интерфейс с внешними устройствами обеспечивается с помощью параллельных и последовательных портов, различных шинных и коммуникационных контроллеров и других интерфейсных блоков, в т.ч. аналоговых (усилителей, преобразователей). Состав блоков, интегрируемых в конкретной СнК, варьируется в зависимости от ее функционального назначения. Организация связей между блоками системы также может быть различной: возможно использование различных стандартизованных шин (типа AMBA [2]) или специализированных локальных интерфейсов.
Как видно из рисунка 1, структуру СнК составляют в основном те же функциональные блоки, которые входят в состав сложно-функциональных СБИС класса микроконтроллеров и микропроцессоров. Фактически современные СнК отличаются от микроконтроллеров только наличием специализированных блоков обработки данных. Выпуск микроконтроллеров (называвшихся прежде однокристальными микроЭВМ) начался в 1981 г. Таким образом, можно считать, что СнК без специализированных блоков обработки производятся и применяются уже более 27 лет.

В большинстве случаев СнК представляет собой цифровую СБИС, которая может также содержать ряд аналоговых блоков. Поэтому для проектирования СнК используются те же методы и средства, что и для СБИС. Эти средства реализованы в виде систем автоматизированного проектирования (САПР), поставляемых компаниями Cadance, Synopsis, Mentor Graphics и др. В качестве элементной базы эти САПР используют библиотеки функциональных элементов, в состав которых входят как простые логические вентили и триггеры, так и макроэлементы, выполняющие более сложные функции: регистры, счетчики, сумматоры, умножители, арифметико-логические устройства и т. д.
При разработке микроконтроллеров в 90-х гг. прошлого века широкое распространение получила концепция создания микроконтроллерных семейств, имеющих одинаковое процессорное ядро и различающихся набором периферийных устройств и объемом внутренней памяти. Для реализации этой концепции при проектировании СБИС микроконтроллеров кроме функциональных библиотек стали использоваться сложно-функциональные блоки (СФ-блоки) — процессоры, таймеры, АЦП, различные интерфейсные блоки (UART, SPI, CAN, Ethernet и т.д). Эти СФ-блоки формировали верхний уровень функциональных библиотек, используемых разработчиками и производителями микроконтроллеров. Они были достаточно жестко ориентированы на конкретную технологию компании-производителя, являясь внутрифирменной материальной ценностью.
Повышение сложности проектируемых СБИС, жесткие требования к срокам их проектирования (сокращение времени выхода изделия на рынок) поставили перед разработчиками новые проблемы. В сложившихся условиях самостоятельное проектирование разработчиком СнК всех СФ-блоков, входящих в ее состав, не всегда целесообразно. Поэтому в последние годы широкое распространение получила практика разработки отдельных СФ-блоков для их последующего представления на рынок средств проектирования СнК. СФ-блоки, предназначенные для использования в разнообразных проектах, стали называть IP (Intellectual Property) модулями, тем самым подчеркивается, что эта продукция является предметом интеллектуальной собственности.
СФ-блоки, используемые при проектировании СнК, имеют две основные формы представления:
– в виде топологических фрагментов, которые могут быть непосредственно реализованы в физической структуре кристалла — аппаратно реализованные (hard) СФ-блоки;
– в виде моделей на языке описания аппаратуры (Verilog, VHDL), которые средствами САПР могут быть преобразованы в топологические фрагменты для реализации на кристалле — синтезируемые (soft) СФ-блоки.
Таким образом, разработчик может либо непосредственно «вмонтировать» в структуру проектируемой СБИС топологически готовый СФ-блок, либо использовать имеющуюся модель СФ-блока и выполнить его схемотехническое и топологическое проектирование в составе реализуемой СБИС СнК.
В процессе проектирования СнК разработчик имеет возможность выбора следующих решений:
– самостоятельная разработка необходимых СФ-блоков;
– покупка СФ-блоков у ведущих разработчиков и производителей микросхем;
– поиск и применение СФ-блоков, предоставляемых в открытом доступе (www.opensource и др. источники).
Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Как уже отмечалось, самостоятельная разработка всех СФ-блоков может привести к увеличению сроков проектирования и задержке выпуска конечного изделия. Покупка СФ-блоков сопряжена с определенными финансовыми затратами, повышающими стоимость разработки. Применение СФ-блоков, имеющихся в свободном доступе, возможно только после их тщательной верификации, что требует обычно значительных временных затрат. При выполнении каждого проекта разработчик должен провести оценку поставленных требований и имеющихся ресурсов, чтобы выбрать оптимальный вариант реализации СнК.
Таким образом, основная особенность проектирования СнК — возможность использования достаточно широкой номенклатуры синтезируемых СФ-блоков, имеющихся на рынке и в свободном доступе, которые могут быть реализованы на базе различных функциональных библиотек и технологий и интегрированы в кристалл средствами современных САПР.

Современная микроэлектронная технология обеспечивает следующие варианты реализации СнК:
– в виде заказной СБИС (ASIC);
– на базе ПЛИС высокой интеграции (FPGA).
Оба варианта реализации имеют свои достоинства и недостатки, которые целесообразно оценить в сравнении с традиционным способом монтажа систем на печатной плате из отдельных микросхем — системами на плате.
При реализации СнК в виде ASIC используется традиционный маршрут проектирования ASIC с использованием аппаратно реализованных СФ-блоков, интегрированных в структуру СБИС, и синтезируемых СФ-блоков, которые изготовитель транслирует в физическую структуру с помощью собственных библиотек функциональных элементов. Используя средства САПР, набор необходимых СФ-блоков и современные технологии, можно реализовать в виде ASIC большинство электронных устройств, монтируемых в настоящее время на печатных платах. Таким образом, имеется возможность замены систем на плате системами на кристалле. Возникает альтернатива — разработка системы на плате или реализация функционально аналогичной СнК в виде ASIC.
Преимущества систем на плате:
– использование хорошо проверенных серийных компонентов;
– более простой процесс тестирования и отладки;
– возможность замены неисправных компонентов;
– низкая стоимость создания опытных образцов и малых серий.
Преимущества систем на кристалле:
– возможность получения более высоких технических показателей (производительность, энергопотребление, массогабаритные характеристики);
– более низкая стоимость при крупносерийном выпуске.
Следует отметить, что реализация СнК в виде специализированной ASIC требует значительных финансовых затрат. Изготовление опытной партии специализированных СБИС (несколько тысяч образцов) по технологии 0,13 — 0,18 мкм стоит несколько сотен тысяч долларов, а по технологии 0,09 мкм — свыше миллиона долларов. При этом имеющийся опыт разработки СнК показывает, что только в 25% проектов первоначально полученные опытные образцы соответствуют заданным требованиям. В большинстве случаев для получения необходимого результата требуется несколько итераций, что значительно увеличивает стоимость проекта. Можно надеяться, что развитие средств САПР позволит снизить риски при выполнении таких проектов. Однако в настоящее время реализация СнК в виде ASIC является приемлемой только для ограниченного числа высокобюджетных проектов. Во всех случаях, когда можно достичь заданных характеристик, реализуя системы на плате, этот вариант является более предпочтительным ввиду названных преимуществ.
Альтернативой может быть реализация СнК на базе высокоинтегрированных FPGA, содержащих миллионы эквивалентных логических вентилей [3].
Преимущества реализации СнК на базе FPGA:
– малые затраты на разработку и создание опытных образцов;
– возможность многократной коррекции проекта;
– использование хорошо проверенных серийных изделий;
– более простой процесс тестирования и отладки (возможность реализации и отладки «по частям»).
Таким образом, СнК на базе FPGA имеют практически те же достоинства, что и системы на плате, но отличаются лучшими техническими характеристиками — более низким энергопотреблением, меньшими габаритами и массой. При этом по таким параметрам как производительность и энергопотребление СнК на базе FPGA уступают СнК, реализованным в виде ASIC.
Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что СнК на базе FPGA будут конкурировать и постепенно вытеснять системы на плате. При этом вместо микропроцессоров и микроконтроллеров в этих СнК будут использоваться различные варианты процессорных СФ-блоков.

Система на кристалле (SoC)

Устройство SoC (англ. System on a Chip) — в русской аббревиатуре СнК – система на кристалле – это автономный неразборный чип (электронная схема), выполняющий определённую функцию. Однокристальная Система может принимать и обрабатывать цифровые, аналоговые, радиосигналы или работать в аналого-цифровом режиме, объединив на кристалле процессор (или несколько), устройство ввода-вывода, блок оперативной и долговременной памяти. Особенность SoC – небольшой размер при возможностях, сравнимых с компьютером.

История создания

Первая СнК в 1976 году была вставлена в корпус электронных часов Microma LCD watch компанией Intel в виде 5810 CMOS chip. Через 2 года был создан 16-разрядный микропроцессор Intel 8086, который считается прародителем современных интегральных микрочипов.

В 1990 году в корпус интегральной микросхемы помимо процессора удалось поместить контроллер шины и контроллер памяти. В 1995 туда же добавили контроллер прерываний, таймеры, счётчики. К 2007 году развитие технологий позволило создать SoC, один процессор которого состоял из 148 миллионов транзисторов. Плюс: пара USB, 36 портов общего назначения GPIO, кэш на 256 КБ, 2 интерфейса SATA и множество контроллеров, включая поддержку часов в режиме реального времени.

В настоящее время ведущие производители систем на кристалле, такие как Espressif Systems, NORDIC Semiconductor, Qualcomm, Samsung, работают не столько над размером, сколько над снижением энергопотребления высокоинтегрированных систем.

Устройство SoC, компоненты и архитектура

Ёмкое определение «система-на-кристалле» объединяет множество устройств с различным функционалом общего назначения или узкой специализации.

Типичная СнК состоит из следующих компонентов:

• Одного или нескольких процессоров (MPSoC), микроконтроллеров или ядер (DSP), которые управляют остальными компонентами, вычисляют, декодируют и обеспечивают цифровую обработку сигнала. Различают двухъядерные, четырехъядерные, восьмиядерные, шестигранные и другие микропроцессоры, в зависимости от того, какая пользователю требуется мощность.
• Графического процессора, отвечающего за изображение в пользовательском интерфейсе (анимацию, 3D-игры).
• Интерфейсов для подключения внешних устройств – USART, USB, Ethernet, SPI.
• Полупроводниковых блоков памяти – оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ), флеш, ППЗУ.
• Модема для подключения к беспроводным системам. Это может быть Bluetooth, WiFi, GPS, FM-радио, 2G/3G/4G LTE и 5G.
• Аналого-цифровых преобразователей.
• Таймеров, счётчиков.
• Источников опорной частоты.
• Регуляторов напряжения.
• Системных контроллеров – Северного (внутреннее взаимодействие), Южного (внешний интерфейс) мостов. С их помощью возможно заносить данные прямиком в память чипа, а не в процессорное ядро.

Особенности SoC – проектирование и реализация

Хотя между традиционной semiconductor СБИС и СнК часто проводят прямую аналогию, между ними есть принципиальная разница. Правильнее считать SoCs следующей «ступенью эволюционного развития» интегральных микросхем. Если СБИС – это аппаратное решение, то ПЛИС требует одновременно аппаратного наполнения и программного обеспечения. При этом в разы возрастает сложность верификации готового продукта, не говоря уже о затратах человеко-часов на его разработку и отладку.

Для создания конкурентоспособного SoC необходимо совместить разумную стоимость, быстрое обновление предлагаемого рыночного продукта и высокую производительность на возможно меньшей площади кристалла. При этом сложность системы и трудоёмкость проектирования постоянно возрастает, а возможности дизайнера остаются на одном уровне.

При традиционных способах создания принципиально новой СБИС типа ASIC на разработку один человек затратит порядка пяти лет работы, а команда из 5 сотрудников может справиться с задачей за год. Проблема усугубляется тем, что ввиду особенностей реализации проекта на кристалле, разработчик ПО не может исправить допущенную ошибку. Нельзя переделать SoC – только создать заново. С усложнением рыночного интеллектуального продукта поменялись и подходы к его созданию.

Каждый изготовитель накопил (и продолжает создавать) немало готовых Intellectual Property блоков (IP-блоков), которые были разработаны под определённую задачу в рамках работы над текущими проектами. Это могут быть как простые логические вентили, так и более сложные умножители, регистры, счётчики и другие макроэлементы. В русском сегменте рынка изделий IoT их принято называть сложно-функциональными (СФ-блок).

Особенностью проектирования структуры СнК стало повторное использование готовых IP блоков, которые делятся на две группы:

• Аппаратные или hard IP – физически встраиваемые топологические фрагменты на кристалле.
• Синтезируемые soft IP – логические элементы в виде описания, которые встраивают при помощи САПР.

Поскольку сложно-функциональный блок является интеллектуальной собственностью создателя, то добыть необходимые конструкции можно несколькими законными путями:

• Например, купить у разработчика лицензию на использование их продукта. При этом заказчик получает описание функционала, но «заглянуть под капот» не может. Цена зависит от проекта – разовый стоит дешевле
• Найти подходящий по функционалу модуль в открытой базе.
• Разработать собственный.

Купить готовый типовой блок для СнК в 2-5 раз дешевле, чем создать собственный. При этом не уходит время на верификацию продукта, тестирование опытных образцов. Однако, перед отправкой на производство обычно тестируют корректность функционирования систем на чипе, применяя языки Verilog, VHDL, SystemVerilog, SystemC, OpenVera.

Современный уровень создания микрочипов первым реализовался на Тайване, где создана система Fabless. Здесь разработчики уникального продукта активно сотрудничают с коллегами, а производство делегируют сторонней фабрике. Те, кто непосредственно изготавливают чипы, контролируют и перепроверяют лицензионное оформление всех, попадающих к ним в работу, топологий, своевременно выявляя кражи. Также проводится тестирование Подобные экосистемы по производству SoC представляются наиболее эффективными для снижения их стоимости.

Реализация

Есть две принципиально разные технологии создания СнК:

• Первая — в виде СБИС с заданными параметрами и возможностями (ASIC).
• Вторая – высокоинтегрированная ПЛИС, присущая FPGA. Здесь первопроходцами являются компании Xilinx и Altera.

Система ASIC эффективно используются для замены традиционных микросхем на платах, что позволяет уменьшить вес, габариты, энергопотребление и теплоотдачу электронных устройств. При этом их производство экономически целесообразно только в промышленных масштабах, а процент ошибок и брака может доходить до 75. Таким образом, ASIC остаётся дорогостоящей технологией, даже если система создаётся из готовых СФ-блоков.

Альтернативный вариант уступает по производительности и энергопотреблению, но имеет ряд существенных преимуществ. А именно:

• ПЛИС на FPGA можно корректировать по мере разработки, тестировать их работу по частям.
• Доступны проверенные готовые модули.
• Недорогая разработка и возможность создания опытных образцов.

Производители считают, что СкН на FPGA будут заменять собой блоки на плате, а для реализации высокобюджетных проектов лучше использовать СБИС ASIC.

Отличие SoC и CPU

CPU – это центральное обрабатывающее устройство, процессор, который выполняет самую важную функцию в компьютере. Выглядит он как небольшой плоский квадрат со сторонами в 5 см на ножках, которыми прикреплён к материнской плате.

Функционал CPU – обработка информации. Однако для работы электронного устройства его наличие обязательно, но недостаточно. SoC представляет собой систему, в составе которой находится один или несколько ядер CPU, окружённый необходимой инфраструктурой, чтобы функционировать как законченное, автономное устройство.

Таким образом, принципиальное отличие ЦПУ от СнК кроется в их возможностях – процессор один из компонентов системы на кристалле, которая сравнима с полноценным компьютером, заключённым в маленьком неразборном корпусе, но потребляющем меньше энергии.

Использование систем на кристалле

Полупроводниковые системы на кристалле сегодня можно найти в любом многофункциональном электронном устройстве начиная, например, с наручных часов и заканчивая медицинским оборудованием. Компактные и эффективные, они активно используются в электронике IoT (Internet of Things), обеспечение связи 4G и 5G.

Крупнейшими производителями SoC являются Qualcomm, Samsung Semiconductor, NORDIC Semiconductor, Huawei HiSilicon, Espressif Systems, ARM Holdings, NVIDIA и MediaTek. Смартфоны, планшеты, компьютеры, модемы – любое современное программируемое оборудование может иметь в своём корпусе компактный чип с большими возможностями.

Система на кристалле: устройство, разработка системы, принцип работы, характеристика, достоинства и недостатки применения

Система на кристалле представляет собой небольшой чип со всеми необходимыми электронными компонентами и схемами. В англоязычной литературе употребляется термин SoC (system-on-a-chip). Система в устройстве обнаружения звука может включать в себя АЦП, аудиоприемник, память, микропроцессор и логическое управление ввода-вывода пользователя на одном чипе.

В медицине система SoC, основанная на nano-роботах, может выступать в качестве программируемых антител для отсрочки ранних недугов. Видеоустройства на основе чипа могут помочь слепым людям, позволяя им получать изображение, а аудиоустройства SoC могут сделать глухих людей слышащими. Система на кристалле развивается вместе с другими технологиями, такими как SOI (кремний на изоляторе).

Определения терминов

Система SoC объединяет требуемые электронные схемы различных компьютерных компонентов на одном интегрированном чипе (IC). SoC — это полная электронная система подложки, которая может содержать аналоговые, цифровые, смешанные или радиочастотные функции. Ее компоненты обычно включают графический процессор (GPU), центральный процессор (CPU), который может быть многоядерным, и системную память (ОЗУ).

Поскольку система на кристалле включает в себя как аппаратное, так и программное обеспечение, она потребляет меньше энергии, имеет лучшую производительность, требует меньше места и более надежна, чем многочиповые системы. Большинство системных чипов сегодня входят в мобильные устройства, такие как смартфоны и планшеты.

Система на кристалле специально разработана для соответствия стандартам включения требуемых электронных схем многочисленных компьютерных компонентов на один интегрированный чип. Вместо системы, которая собирает несколько микросхем и компонентов на печатную плату, SoC создает все необходимые схемы в одном устройстве.

Задачи SoC включают более высокие затраты на прототипирование, архитектуру и более сложную отладку. IC не являются экономически эффективными. Однако это может измениться по мере развития технологии.

Необходимые параметры микрочипирования

System on Chip SoC — очень сложные устройства. Например, система Snapdragon 600 от Qualcomm на чипе — это SoC, которая использовалась на старом смартфоне Samsung Galaxy.

Люди хотят иметь возможность использовать свои смартфоны для пользования Интернетом, прослушивания музыки, просмотра видео, использования GPS-навигации, съемки фотографий и видеороликов, игр, доступа к социальным сетям. Все эти функции обеспечиваются не только хорошим процессором, но и мощным графическим чипом System on Chip SoC, быстрым беспроводным чипсетом Bluetooth, поддержкой подключения к сетям 4G. Все это должно работать с наименьшим потреблением энергии.

Решение заключается в миниатюризации всего, что может быть установлено. Устройства должны быть максимально сжаты и размещены компактно на меньшей поверхности. Следствием этого является более высокая вычислительная мощность и более низкое энергопотребление. Это именно то, что предлагает SoC.

Проектирование систем на кристалле

Концептуально существует три уровня стратегии проектирования для функциональных кристаллов. Первый уровень — это симметрия точечной группы. Она диктует наличие или отсутствие определенного физического отклика и анизотропии кристалла. Следовательно, его можно использовать для поиска и экранирования новых функциональных кристаллов.

Симметрия точечной группы является необходимым требованием, но недостаточным условием для функционального кристалла. Чтобы система на кристалле СНК проявляла конкретное свойство, он должен быть дополнен вторым уровнем стратегии проектирования — структурой или симметрией пространственной группы.

Наконец, чтобы повысить или оптимизировать ответ, существует третий уровень стратегии проектирования молекулярной инженерии, который включает в себя тонкую настройку электронных или магнитных структур строительных блоков атомов, молекул и кластеров кристалла.

Компоненты мобильных устройств

Система на кристалле SoC может иметь различные элементы, что зависит от его назначения. Поскольку подавляющее большинство SoC используются на смартфонах, предлагаем список наиболее распространенных компонентов таких устройств:

1. CPU — ядро внутри SoC. Это часть, которая отвечает за принятие большинства расчетов и решений. Она получает входные данные от других аппаратных компонентов и программного обеспечения и обеспечивает соответствующие выходные ответы. Без CPU не было бы SoC. Большинство процессоров сегодня имеют два, четыре или восемь ядер внутри.
2. Графический процессор — сокращен для модуля графической обработки. Он также называется видеочипом. GPU отвечает за 3D-игры, а также за аккуратные визуальные переходы, которые видны в интерфейсе любого устройства, использующего однокристальную систему.
3. RAM Memory — все вычислительные устройства нуждаются в работе памяти. Чтобы иметь возможность запускать приложения и данные программного обеспечения, необходимо их использовать. Чтобы это сделать, система на чипе должна иметь оперативную память.
4. ROM — любое устройство должно иметь память ПЗУ для хранения программного обеспечения, такого как прошивка или операционная система, в которой он работает.
5. Модем — смартфон не будет телефоном, если он не сможет подключиться к радиосетям. Модемы заботятся о сетевом или сотовом подключении.

Помимо процессора и памяти, другие SoC могут включать интерфейсы PCIe, предназначенные для подключения радиоприемопередатчиков, интерфейсов SATA или USB-устройств.

Конструкция чипов

Системы на кристалле должны иметь полупроводниковые блоки памяти для выполнения своих вычислений. В зависимости от применения SoC память может образовывать иерархию памяти и кэша. На рынке мобильных компьютеров это обычное явление, но во многих маломощных встроенных микроконтроллерах этого не требуется.

Технологии памяти для SoC включают в себя постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), электрически стираемое программируемое ПЗУ (EEPROM) и флэш-память. Как и в других компьютерных системах, ОЗУ можно подразделить на относительно более быструю, но более дорогостоящую статическую RAM (SRAM) и более медленную, но более дешевую динамическую RAM (DRAM), как в системе на кристалле, фото которого представлено в нашей статье.

Внешние интерфейсы

SoCs включают внешние интерфейсы, как правило, для протоколов связи. Они часто основаны на отраслевых стандартах, таких как USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C и других. Также могут поддерживаться протоколы беспроводной сети, такие как Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN и связь с ближним полем.

При необходимости SoCs включают в себя аналоговые интерфейсы для обработки сигналов. Они могут взаимодействовать с различными типами датчиков или исполнительными механизмами, включая интеллектуальные преобразователи. Также они могут контактировать с конкретными приложениями модулей или быть внутренними для SoC, например, если аналоговый датчик встроен в SoC, а его показания должны быть преобразованы в цифровые сигналы для математической обработки.

Цифровые процессоры сигналов

Процессоры цифрового сигнала (DSP) часто включаются в системы на кристалле. Они выполняют обработку сигналов операции для датчиков, приводов, сбор данных, анализ данных и обработку мультимедиа. DSP-ядра обычно имеют очень длинное командное слово (VLIW) и однонаправленную архитектуру наборов инструкций, поэтому поддаются использованию параллелизма.

4DSP-ядра чаще всего содержат инструкции для конкретных приложений и являются процессорами набора руководств для конкретных приложений ASIP. Такие инструкции соответствуют специализированным функциональным устройствам.

Типичные инструкции DSP включают в себя многократное накопление, быстрое преобразование Фурье, плавное умножение и свертку. Как и в других компьютерных системах, SoCs требуют источники синхронизации для генерации тактовых сигналов, управления выполнением функций и предоставления временного контекста приложениям обработки сигналов, если это необходимо.

Популярными источниками времени являются кварцевые генераторы и петли с фазовой синхронизацией. SoC также включают регуляторы напряжения и схемы управления питанием.

Отличие SoC и CPU

Когда-то давно многие думали, что ЦП полностью изолирован от монитора. Теперь многие понимают, что CPU — это только крошечная часть, а компьютер состоит из множества частей.

Система на чипе представляет собой электронную печатную плату, которая объединяет все необходимые компоненты в компьютере и других электронных системах. Они включают в себя графический процессор, центральный процессор, память, схемы управления питанием, контроллер USB, беспроводные радиоприемники и многое другое. Эти компоненты паяны на материнской плате, чем отличаются от обычных компьютеров, части которых могут быть заменены в любой момент времени.

Можно сказать, что система на чипе (SoC) — это то, что происходит, когда Vector from Despicable Me использует «сжатие луча» на полноценном компьютере. Благодаря силе миниатюризации система на чипе представляет собой функциональный компьютер, который был сжат для установки на одном кремниевом чипе.

Где используются чипы

SoC, как правило, крошечный, не занимает много места внутри электронного устройства, что делает его идеальным решением для небольших устройств. Он объединяет множество разных частей на одном чипе, это означает, что его производителю не нужно тратить время, деньги и ресурсы на прокладку значительных физических частей и создание длинных цепей, что, в свою очередь, означает более низкое производство и расходы. Системы на чипе намного эффективнее, чем с выделенными отдельными компонентами, такими как настольный ПК или ноутбук. SoC может работать от батарей в течение более длительного времени.

Традиционные подходы к электронике касались создания систем, работающих на отдельных независимых частях. Такими примерами являются компьютеры и ноутбуки. Однако постоянная миниатюризация всех вещей вокруг означает, что они все больше полагаются на более мелкие, более энергоэффективные системы на чипах. Смартфоны, планшеты и даже устройства IoT (Internet of Things) доказывают, что системы на чипах являются важной частью будущего всей электроники.

Устройство Intel Pentium N3710

Pentium N3710 является 64-разрядной четырехъядерной системой на чипе, разработанном корпорацией Intel и введенном в эксплуатацию в начале 2015 года под номером 3710. Производятся на основе Airmont микроархитектуры. Этот чип работает на частоте 1,6 ГГц с режимом до 2,57 ГГц. SoC включает графический процессор HD Graphics 405, который имеет 16 исполнительных блоков и работает на частоте 400 МГц

Подробности архитектуры системы на кристалле n3710:

• Дизайнер – Intel.
• Производитель – Intel.
• Номер модели — N3710.
• Номер части — FH8066501715927
• Область применения – мобильный.
• Выпуск — март 2015 г.
• «Пентиум» серии N3000.
• Частота — 1600 МГц.
• Частота вращения — 2567 МГц (1 ядро).
• Тип шины — IDI CPUID 406C4.
• Микроархитектура – Airmont.
• Основное имя — Braswell.
• Технология — CMOS.
• Размер слова — 64-битный.
• Максимальные процессоры — однопроцессорный.
• Максимальная память — 8 G.
• Температура ПП 0 C — 90 C.
• Интегрированная графическая информация GPU — HD Graphics 405.
• Максимальная частота — 700 МГц.

Преимущества чипованных систем

Основная цель использования SOC в дизайне включает этапы, которые формируют преимущества устройства:

• Размер SOC небольшой, но включает в себя множество функций.
• Гибкость. С точки зрения размера чипа, мощности и форм-фактора, такие системы очень сложно превзойти другим устройствам.
• Эффективность затрат, особенно для конкретных приложений SoC, таких как видеокод.
• Система на чипах бесчисленна. Для продуктов большой емкости они упрощают защиту ресурсов и стоимость инженерных решений.

Однако у столь превосходного устройства имеются и недостатки:

1. Большие временные затраты. Процесс проектирования SoC может занять от 6 до 12 месяцев.
2. Ограниченность ресурсов.
3. Если разрабатывается продукт с низким уровнем громкости, потребуется высококлассное оборудование. Возможно, лучше будет использовать аппаратное обеспечение другого производителя, потратить время и ресурсы для прикладного программного обеспечения.

Системы на чипах имеют большой недостаток в том, что они вообще не могут быть адаптируемыми. Другими словами, они не могут быть модернизированы. Система на чипе, как правило, умирает такой же, какой она была создана. В ней ничего не меняется в течение всего срока службы. Если в приборе что-то ломается внутри, нельзя отремонтировать или изменить только эту часть. Приходится заменить весь SoC.

Крупнейшие производители мобильных чипов

Предлагаем краткий обзор систем на кристалле от крупнейших производителей: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA и Broadcom. Qualcomm, NVIDIA и MediaTek производят и продают в основном мобильные SoC для аппаратных компаний, которые используют их в производимых ими устройствах. Broadcom выпускает SoC, которые используются в маршрутизаторах и сетевых устройствах, а Samsung и Huawei не только создают SoC, но и являются двумя крупнейшими компаниями в мире по их использованию.

Нельзя сказать, какая система на чипе лучшая. Проектирование и развитие систем на кристалле продвигается настолько быстро, что ко времени сравнения вариант уже будет устаревшим. Однако нужно помнить, что лучший SoC, возможно, не самый хороший для процессоров или самых быстрых беспроводных передач.