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

Вам будет интересно:Рейтинг узких стиральных машин: размеры, характеристики, надежность, отзывы

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).

Вам будет интересно:Настройка телевизора Philips: пошаговая инструкция, советы и рекомендации

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

Вам будет интересно:Апгрейд «Леново B560». Инструкции и рекомендации

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:

Вам будет интересно:Холодильник Samsung с No Frost: обзор моделей, характеристики, отзывы

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.

Вам будет интересно:Можно ли оставлять в розетке зарядку для телефона?

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:

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.

Источник