Sistēma mikroshēmā ir maza mikroshēma ar visiem nepieciešamajiem elektroniskajiem komponentiem un shēmām. Angļu literatūrā tiek lietots termins SoC (system-on-a-chip). Skaņas noteikšanas ierīces sistēma var ietvert ADC, audio uztvērēju, atmiņu, mikroprocesoru un lietotāja I/O loģisko vadību vienā mikroshēmā.
Medicīnā uz nanorobotiem balstīta SoC sistēma var darboties kā programmējamas antivielas, lai aizkavētu agrīnas slimības. Videoierīces, kuru pamatā ir mikroshēmas, var palīdzēt neredzīgiem cilvēkiem, ļaujot viņiem uztvert attēlu, un SoC audio ierīces var likt nedzirdīgiem cilvēkiem dzirdēt. Sistēma mikroshēmā attīstās kopā ar citām tehnoloģijām, piemēram, SOI (silīcija uz izolatora).
Terminu definīcijas
SoC sistēma apvieno dažādu datoru komponentu nepieciešamās elektroniskās shēmas vienā integrētā mikroshēmā (IC). SoC ir pilnīga substrāta elektroniskā sistēma, kas var saturēt analogo,digitālās, jauktās vai RF funkcijas. Tās komponenti parasti ietver grafikas procesoru (GPU), centrālo procesoru (CPU), kas var būt daudzkodolu, un sistēmas atmiņu (RAM).
Tā kā sistēma mikroshēmā ietver gan aparatūru, gan programmatūru, tā patērē mazāk enerģijas, tai ir labāka veiktspēja, tā prasa mazāk vietas un ir uzticamāka nekā vairāku mikroshēmu sistēmas. Lielākā daļa sistēmas mikroshēmu mūsdienās ir iekļautas mobilajās ierīcēs, piemēram, viedtālruņos un planšetdatoros.
Sistēma-on-a-Chip ir īpaši izstrādāta, lai atbilstu standartiem, lai vienā integrētā mikroshēmā iekļautu vajadzīgās daudzu datora komponentu elektroniskās shēmas. Tā vietā, lai izmantotu sistēmu, kas PCB saliek vairākas mikroshēmas un komponentus, bet gan SoC vienā ierīcē izveido visas nepieciešamās shēmas.
SoC izaicinājumi ietver augstākas prototipēšanas izmaksas, arhitektūru un sarežģītāku atkļūdošanu. IC nav rentabli. Tomēr tas var mainīties, attīstoties tehnoloģijai.
Nepieciešamie mikroshēmas parametri
System on Chip SoC ir ļoti sarežģītas ierīces. Piemēram, Qualcomm Snapdragon 600 sistēma mikroshēmā ir SoC, kas tika izmantota vecajā Samsung Galaxy viedtālrunī.
Cilvēki vēlas, lai viņi varētu izmantot savus viedtālruņus, lai sērfotu internetā, klausītos mūziku, skatītos video, izmantotu GPS navigāciju, fotografētu un video, spēlētu spēles, piekļūtu sociālajiem tīkliem. Visas šīs funkcijastiek nodrošināti ne tikai ar labu procesoru, bet arī ar jaudīgu System on Chip SoC grafikas mikroshēmu, ātru bezvadu Bluetooth mikroshēmojumu un atbalstu savienojumam ar 4G tīkliem. Tam visam vajadzētu darboties ar vismazāko enerģijas patēriņu.
Risinājums ir miniaturizēt visu, ko var instalēt. Ierīcēm jābūt pēc iespējas saspiestām un kompakti novietotām uz mazākas virsmas. Tā rezultātā ir lielāka apstrādes jauda un mazāks enerģijas patēriņš. Tas ir tieši tas, ko piedāvā SoC.
Sistēmas mikroshēmas dizains
Konceptuāli funkcionālām mikroshēmām ir trīs dizaina stratēģijas līmeņi. Pirmais līmenis ir punktu grupas simetrija. Tas nosaka noteiktas fiziskas reakcijas un kristāla anizotropijas esamību vai neesamību. Tāpēc to var izmantot, lai meklētu un aizsargātu jaunus funkcionālos kristālus.
Punktu grupas simetrija ir nepieciešama prasība, bet ne pietiekams nosacījums funkcionālam kristālam. Lai SNK sistēma mikroshēmā parādītu noteiktu īpašību, tā ir jāpapildina ar otro dizaina stratēģijas līmeni - telpu grupas struktūru vai simetriju.
Visbeidzot, lai uzlabotu vai optimizētu reakciju, ir trešais molekulārās inženierijas projektēšanas stratēģijas līmenis, kas ietver atomu, molekulu un kristālu kopu veidojošo bloku elektronisko vai magnētisko struktūru precizēšanu.
Komponentesmobilās ierīces
SoC sistēmai mikroshēmā var būt dažādi elementi atkarībā no tās mērķa. Tā kā lielākā daļa SoC tiek izmantoti viedtālruņos, mēs piedāvājam šādu ierīču visbiežāk sastopamo komponentu sarakstu:
- CPU ir SoC kodols. Šī ir daļa, kas ir atbildīga par lielāko daļu aprēķinu un lēmumu pieņemšanu. Tas saņem ievadi no citiem aparatūras komponentiem un programmatūras un nodrošina atbilstošas izvades atbildes. Bez CPU nebūtu SoC. Lielākajā daļā mūsdienu procesoru ir divi, četri vai astoņi kodoli.
- GPU - saīsināts grafikas apstrādes modulim. To sauc arī par video mikroshēmu. GPU ir atbildīgs par 3D spēlēm, kā arī par glītām vizuālajām pārejām, kas ir redzamas jebkuras ierīces saskarnē, izmantojot viena mikroshēmas sistēmu.
- RAM Atmiņa - visām skaitļošanas ierīcēm ir nepieciešama atmiņa, lai tās darbotos. Lai varētu palaist lietojumprogrammas un programmatūras datus, tie ir jāizmanto. Lai to izdarītu, sistēmai mikroshēmā ir jābūt RAM.
- ROM - jebkurai ierīcei ir jābūt ROM atmiņai, lai saglabātu programmatūru, piemēram, programmaparatūru vai operētājsistēmu, kurā tā darbojas.
- Modēms - viedtālrunis nebūs telefons, ja nevarēs pieslēgties radio tīkliem. Modemi rūpējas par tīkla vai mobilo sakaru savienojumu.
Papildus centrālajam procesoram un atmiņai citos SoC var būt iekļautas PCIe saskarnes, kas paredzētasradio raiduztvērēju, SATA interfeisu vai USB ierīču pievienošana.
Mikroshēmu dizains
Lai veiktu aprēķinus, sistēmām mikroshēmā ir jābūt pusvadītāju atmiņas blokiem. Atkarībā no SoC pielietojuma atmiņa var veidot atmiņas un kešatmiņas hierarhiju. Tas ir izplatīts mobilo skaitļošanas ierīču tirgū, taču tas nav nepieciešams daudzos mazjaudas iegultos mikrokontrolleros.
SoC atmiņas tehnoloģijas ietver tikai lasāmatmiņu (ROM), brīvpiekļuves atmiņu (RAM), elektriski dzēšamu programmējamu ROM (EEPROM) un zibatmiņu. Tāpat kā citas datorsistēmas, operatīvo atmiņu var iedalīt salīdzinoši ātrākā, bet dārgākajā statiskajā RAM (SRAM) un lēnākā, bet lētākajā dinamiskajā RAM (DRAM), piemēram, šajā rakstā redzamajā sistēmā mikroshēmā.
Ārējās saskarnes
SoC ietver ārējās saskarnes, parasti sakaru protokoliem. Tie bieži ir balstīti uz tādiem nozares standartiem kā USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C un citiem. Var tikt atbalstīti arī bezvadu tīkla protokoli, piemēram, Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN un tuva darbības lauka sakari.
Ja nepieciešams, SoC ir iekļautas analogās saskarnes signālu apstrādei. Tie var mijiedarboties ar dažāda veida sensoriem vai izpildmehānismiem, tostarp viedajiem pārveidotājiem. Viņi var arī sazināties ar konkrētumoduļa lietojumprogrammas vai jābūt iekšējai SoC, piemēram, ja analogais sensors ir iebūvēts SoC un tā rādījumi ir jāpārvērš ciparu signālos matemātiskai apstrādei.
Digitālie signālu procesori
Digitālie signālu procesori (DSP) bieži ir iekļauti sistēmās mikroshēmā. Tie veic darbības signālu apstrādi sensoriem, izpildmehānismiem, datu ieguvi, datu analīzi un multivides apstrādi. DSP kodoliem parasti ir ļoti garš instrukciju vārds (VLIW) un vienvirziena instrukciju kopas arhitektūra, tāpēc tie var izmantot paralēlismu.
4DSP serdeņi visbiežāk satur lietojumprogrammai specifiskas instrukcijas, un tie ir ASIP lietojumprogrammas manuālās kopas procesori. Šādas instrukcijas atbilst specializētām funkcionālajām vienībām.
Tipiski DSP norādījumi ietver daudzkārtēju uzkrāšanu, ātru Furjē transformāciju, vienmērīgu reizināšanu un konvolūciju. Tāpat kā citām datorsistēmām, SoC ir nepieciešami pulksteņa avoti, lai ģenerētu pulksteņa signālus, kontrolētu funkciju izpildi un vajadzības gadījumā nodrošinātu laika kontekstu signālu apstrādes lietojumprogrammām.
Populāri laika avoti ir kristāla oscilatori un fāzu bloķēšanas cilpas. SoC ietver arī sprieguma regulatorus un jaudas pārvaldības shēmas.
Atšķirība starp SoC un CPU
Kādreiz daudzi cilvēki domāja, ka centrālais procesors ir pilnībā izolēts no monitora. Tagad daudzi saprot, ka centrālais procesors ir tikai niecīga daļa,un dators sastāv no daudzām daļām.
Sistēma mikroshēmā ir elektroniskā shēma, kas integrē visas nepieciešamās sastāvdaļas datorā un citās elektroniskajās sistēmās. Tie ietver GPU, centrālo procesoru, atmiņu, jaudas pārvaldības shēmas, USB kontrolleri, bezvadu radio un daudz ko citu. Šīs sastāvdaļas ir pielodētas uz mātesplates, kas atšķiras no parastajiem datoriem, kuru daļas var nomainīt jebkurā laikā.
Varētu teikt, ka sistēma mikroshēmā (SoC) notiek, kad Vector no Despicable Me izmanto "staru saspiešanu" pilnvērtīgā datorā. Izmantojot miniaturizācijas jaudu, sistēma mikroshēmā ir funkcionāls dators, kas ir saspiests, lai ietilptu vienā silīcija mikroshēmā.
Kur tiek izmantoti čipsi
SoC parasti ir mazs un neaizņem daudz vietas elektroniskā ierīcē, tāpēc tas ir ideāli piemērots mazākām ierīcēm. Tas apvieno daudzas dažādas detaļas vienā mikroshēmā, kas nozīmē, ka tā ražotājam nav jātērē laiks, nauda un resursi, lai izveidotu nozīmīgas fiziskas daļas un izveidotu garas ķēdes, kas savukārt nozīmē zemākas ražošanas un izmaksas. Sistēmas mikroshēmā ir daudz efektīvākas nekā tās, kurām ir īpaši atsevišķi komponenti, piemēram, galddators vai klēpjdators. SoC var darboties ar baterijām ilgāku laiku.
Tradicionālās pieejas elektronikai ir bijušas tādu sistēmu izveide, kas darbojas individuālineatkarīgas daļas. Piemēri ir datori un klēpjdatori. Tomēr nepārtrauktā visa apkārtējā miniaturizācija nozīmē, ka viņi arvien vairāk paļaujas uz mazākām, energoefektīvākām sistēmām mikroshēmā. Viedtālruņi, planšetdatori un pat IoT (lietiskais internets) ierīces pierāda, ka sistēmas uz mikroshēmām ir svarīga visas elektronikas nākotnes sastāvdaļa.
Intel Pentium N3710 ierīce
Pentium N3710 ir 64 bitu četrkodolu sistēma mikroshēmā, ko izstrādājis Intel un kas tika ieviests 2015. gada sākumā kā daļas numurs 3710. Pamatojoties uz Airmont mikroarhitektūru. Šī mikroshēma darbojas ar frekvenci 1,6 GHz ar režīmu līdz 2,57 GHz. SoC ietver HD Graphics 405 GPU, kam ir 16 izpildes vienības un kas darbojas ar 400 MHz
N3710 sistēmas mikroshēmas arhitektūras informācija:
- Dizainers - Intel.
- Ražotājs - Intel.
- Modeļa numurs - N3710.
- Daļas numurs - FH8066501715927
- Tvērums - mobilais.
- Izdevums - 2015. gada marts
- Pentium N3000 sērija.
- Frekvence - 1600 MHz.
- Ātrums - 2567 MHz (1 kodols).
- Autobusa veids - IDI CPUID 406C4.
- Mikroarhitektūra - Airmont.
- Galvenais vārds ir Brasvela.
- Tehnoloģijas - CMOS.
- Vārda lielums - 64 biti.
- Maksimālais procesoru skaits - vienprocesors.
- Maksimālā atmiņa ir 8 G.
- PP temperatūra 0 C - 90 C.
- IntegrētsGPU grafikas informācija - HD Graphics 405.
- Maksimālā frekvence ir 700 MHz.
Chēmu sistēmu priekšrocības
Galvenais SOC izmantošanas mērķis dizainā ietver darbības, kas veido ierīces priekšrocības:
- SOC ir maza izmēra, taču ietver daudzas funkcijas.
- Elastība. Mikroshēmas izmēra, jaudas un formas koeficienta ziņā šīs sistēmas ir ļoti grūti pārspēt citām ierīcēm.
- Izmaksu efektivitāte, īpaši konkrētām SoC lietojumprogrammām, piemēram, video kodam.
- Sistēmas mikroshēmā ir neskaitāmas. Lieljaudas produktiem tie vienkāršo resursu aizsardzību un inženiertehniskās izmaksas.
Tomēr tik lieliskai ierīcei ir savi trūkumi:
- Liels laika ieguldījums. SoC izstrādes process var ilgt no 6 līdz 12 mēnešiem.
- Ierobežoti resursi.
- Ja tiek izstrādāts maza apjoma produkts, būs nepieciešams augstākās klases aprīkojums. Iespējams, labāk ir izmantot trešās puses aparatūru, tērēt laiku un resursus lietojumprogrammatūrai.
Sistēmām mikroshēmā ir liels trūkums, ka tās vispār nevar pielāgot. Citiem vārdiem sakot, tos nevar uzlabot. Sistēma mikroshēmā parasti nomirst tāpat kā tā tika izveidota. Visā kalpošanas laikā tajā nekas nemainās. Ja instrumentā kaut kas saplīst, tikai šo daļu nevar salabot vai mainīt. Jāmaina viss SoC.
Lielākie ražotājimobilās mikroshēmas
Piedāvājam īsu pārskatu par sistēmām mikroshēmā no galvenajiem ražotājiem: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA un Broadcom. Qualcomm, NVIDIA un MediaTek ražo un pārdod galvenokārt mobilos SoC aparatūras uzņēmumiem, ko izmantot savās ražotajās ierīcēs. Broadcom ražo SoC, ko izmanto maršrutētājos un tīkla ierīcēs, un Samsung un Huawei ne tikai ražo SoC, bet ir divi lielākie uzņēmumi pasaulē, kas tos izmanto.
Jūs nevarat pateikt, kura mikroshēmas sistēma ir labākā. Sistēmu projektēšana un izstrāde mikroshēmā notiek tik strauji, ka salīdzināšanas brīdī opcija jau būs novecojusi. Tomēr jāatceras, ka labākais SoC var nebūt labākais procesoriem vai ātrākajiem bezvadu datu pārsūtīšanas veidiem.
