Kiibil olev süsteem on väike kiip kõigi vajalike elektrooniliste komponentide ja vooluringidega. Ingliskeelses kirjanduses kasutatakse terminit SoC (system-on-a-chip). Helituvastusseadme süsteem võib sisaldada ühel kiibil ADC-d, helivastuvõtjat, mälu, mikroprotsessorit ja kasutaja I/O-loogikat.
Meditsiinis võib nanorobotitel põhinev SoC-süsteem toimida programmeeritavate antikehadena varajase haiguse edasilükkamiseks. Kiibipõhised videoseadmed võivad aidata pimedaid, võimaldades neil pilti vastu võtta, ja SoC-heliseadmed võivad kurdid kuulma panna. Kiibil olev süsteem areneb koos teiste tehnoloogiatega, nagu SOI (räni isolaatoril).
Terminide määratlused
SoC-süsteem ühendab erinevate arvutikomponentide vajalikud elektroonilised vooluringid ühel integreeritud kiibil (IC). SoC on täielik substraadi elektrooniline süsteem, mis võib sisaldada analoogi,digitaalsed, segatud või raadiosageduslikud funktsioonid. Selle komponentide hulka kuuluvad tavaliselt graafikaprotsessor (GPU), keskprotsessor (CPU), mis võib olla mitmetuumaline, ja süsteemimälu (RAM).
Kuna kiibil olev süsteem sisaldab nii riist- kui ka tarkvara, tarbib see vähem energiat, on parema jõudlusega, nõuab vähem ruumi ja on usaldusväärsem kui mitme kiibiga süsteemid. Enamik süsteemikiipe on tänapäeval mobiilseadmetes, näiteks nutitelefonides ja tahvelarvutites, lisatud.
System-on-a-Chip on spetsiaalselt loodud vastama paljude arvutikomponentide nõutavate elektrooniliste vooluringide ühele integreeritud kiibile liitmise standarditele. Süsteemi asemel, mis koondab PCB-le mitu kiipi ja komponenti, loob SoC kõik vajalikud vooluringid ühes seadmes.
SoC väljakutsed hõlmavad kõrgemaid prototüüpimiskulusid, arhitektuuri ja keerukamat silumist. IC-d ei ole tasuvad. See võib aga tehnoloogia arenedes muutuda.
Nõutavad mikrokiibi parameetrid
System on Chip SoC-d on väga keerulised seadmed. Näiteks Qualcommi Snapdragon 600 süsteem-kiibil on SoC, mida kasutati vanas Samsung Galaxy nutitelefonis.
Inimesed tahavad oma nutitelefoni kasutada Internetis surfamiseks, muusika kuulamiseks, videote vaatamiseks, GPS-navigatsiooni kasutamiseks, fotode ja videote tegemiseks, mängude mängimiseks ja suhtlusvõrgustike kasutamiseks. Kõik need omadusedon varustatud mitte ainult hea protsessoriga, vaid ka võimsa System on Chip SoC graafikakiibiga, kiire juhtmevaba Bluetoothi kiibistikuga ja 4G-võrkudega ühenduse loomise toega. Kõik see peaks töötama väikseima energiatarbimisega.
Lahendus on miniatuurseks muuta kõik, mida saab installida. Seadmed peaksid olema võimalikult kokku surutud ja kompaktselt väiksemale pinnale paigutatud. Selle tagajärjeks on suurem töötlemisvõimsus ja väiksem energiatarve. See on täpselt see, mida SoC pakub.
Süsteemi-kiibil disain
Kontseptuaalselt on funktsionaalsete kiipide disainistrateegia kolm taset. Esimene tase on punktirühma sümmeetria. See määrab kristalli teatud füüsilise reaktsiooni ja anisotroopia olemasolu või puudumise. Seetõttu saab seda kasutada uute funktsionaalsete kristallide otsimiseks ja varjestamiseks.
Punktide rühma sümmeetria on funktsionaalse kristalli jaoks vajalik nõue, kuid mitte piisav tingimus. Selleks, et kiibil olev SNK-süsteem näitaks konkreetset omadust, peab seda täiendama disainistrateegia teine tase – ruumirühma struktuur või sümmeetria.
Lõpuks, reaktsiooni tõhustamiseks või optimeerimiseks on olemas molekulaartehnilise disainistrateegia kolmas tase, mis hõlmab aatomite, molekulide ja kristallklastrite ehitusplokkide elektrooniliste või magnetiliste struktuuride peenhäälestamist.
Komponendidmobiilseadmed
Kiibil asuval SoC-süsteemil võib olenev alt selle eesmärgist olla erinevaid elemente. Kuna enamikku SoC-sid kasutatakse nutitelefonides, pakume selliste seadmete kõige levinumate komponentide loendit:
- CPU on SoC sees olev tuum. See on osa, mis vastutab enamiku arvutuste ja otsuste tegemise eest. See saab sisendit teistelt riistvarakomponentidelt ja tarkvar alt ning annab asjakohaseid väljundvastuseid. Ilma protsessorita poleks SoC-d. Enamikul tänapäeva protsessoritel on kaks, neli või kaheksa tuuma.
- GPU – lühendatud graafikatöötlusmooduli jaoks. Seda nimetatakse ka videokiibiks. Graafikaprotsessor vastutab 3D-mängude eest ning ka ilusate visuaalsete üleminekute eest, mis on nähtavad mis tahes ühe kiibiga süsteemi kasutava seadme liideses.
- RAM-mälu – kõik arvutiseadmed vajavad töötamiseks mälu. Rakenduste ja tarkvaraandmete käitamiseks peate neid kasutama. Selleks peab kiibil oleval süsteemil olema RAM.
- ROM – mis tahes seadmel peab olema ROM-mälu, et salvestada tarkvara (nt püsivara või operatsioonisüsteem, millel see töötab).
- Modem – nutitelefon ei ole telefon, kui see ei saa raadiovõrkudega ühendust. Modemid hoolitsevad võrgu või mobiilsideühenduse eest.
Lisaks protsessorile ja mälule võivad teised SoC-d sisaldada PCIe liideseid, mis on mõeldudraadiosaatja-vastuvõtjate, SATA-liideste või USB-seadmete ühendamine.
Kiibi disain
Kiibil olevatel süsteemidel peavad arvutuste tegemiseks olema pooljuhtmäluplokid. Olenev alt SoC rakendusest võib mälu moodustada mälu ja vahemälu hierarhia. See on mobiilse andmetöötluse turul tavaline, kuid seda ei nõuta paljude väikese võimsusega sisseehitatud mikrokontrollerite puhul.
SoC-de mälutehnoloogiad hõlmavad kirjutuskaitstud mälu (ROM), muutmälu (RAM), elektriliselt kustutatavat programmeeritavat ROM-i (EEPROM) ja välkmälu. Nagu ka teiste arvutisüsteemide puhul, võib RAM-i jagada suhteliselt kiiremaks, kuid kallimaks staatiliseks RAM-iks (SRAM) ja aeglasemaks, kuid odavamaks dünaamiliseks RAM-iks (DRAM), nagu käesolevas artiklis kujutatud süsteem-kiibil.
Välised liidesed
SoC-d sisaldavad väliseid liideseid, tavaliselt sideprotokollide jaoks. Need põhinevad sageli tööstusstandarditel, nagu USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C ja palju muud. Toetatud võivad olla ka traadita võrguprotokollid, nagu Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN ja lähiväljaside.
Vajadusel sisaldavad SoC-d analoogliideseid signaali töötlemiseks. Nad saavad suhelda erinevat tüüpi andurite või täiturmehhanismidega, sealhulgas nutikate muunduritega. Nad võivad ka konkreetselt ühendust võttamoodulirakendused või olla SoC-i sees, näiteks kui analoogandur on SoC-sse sisse ehitatud ja selle näidud tuleb matemaatiliseks töötlemiseks teisendada digitaalsignaalideks.
Digitaalsed signaaliprotsessorid
Digitaalsed signaaliprotsessorid (DSP-d) sisalduvad sageli süsteemis kiibil. Nad teostavad andurite, täiturmehhanismide töösignaalide töötlemist, andmete kogumist, andmete analüüsi ja multimeediumitöötlust. DSP tuumadel on tavaliselt väga pikk käsusõna (VLIW) ja ühesuunaline käsukomplekti arhitektuur, nii et nad saavad paralleelsust ära kasutada.
4DSP tuumad sisaldavad kõige sagedamini rakendusepõhiseid juhiseid ja on ASIP-rakendusspetsiifilise manuaalkomplekti protsessorid. Sellised juhised vastavad spetsiaalsetele funktsionaalsetele üksustele.
Tüüpilised DSP-juhised hõlmavad mitmekordset akumulatsiooni, kiiret Fourier' teisendust, sujuvat korrutamist ja konvolutsiooni. Nagu ka teiste arvutisüsteemide puhul, vajavad SoC-d kella allikaid, et genereerida kellasignaale, juhtida funktsioonide täitmist ja pakkuda vajadusel signaalitöötlusrakendustele ajastuskonteksti.
Populaarsed ajaallikad on kristallostsillaatorid ja faasilukuga silmused. SoC-d hõlmavad ka pingeregulaatoreid ja toitehaldusahelaid.
Erinevus SoC ja CPU vahel
Kunagi arvasid paljud, et protsessor on monitorist täielikult isoleeritud. Nüüd mõistavad paljud, et protsessor on vaid väike osa,ja arvuti koosneb paljudest osadest.
Kiibil olev süsteem on elektrooniline trükkplaat, mis integreerib arvutisse ja muudesse elektroonikasüsteemidesse kõik vajalikud komponendid. Nende hulka kuuluvad GPU, CPU, mälu, toitehaldusskeem, USB-kontroller, traadita raadiod ja palju muud. Need komponendid on joodetud emaplaadile, mis erineb tavapärastest arvutitest, mille osi saab igal ajal välja vahetada.
Võib öelda, et süsteem kiibil (SoC) juhtub siis, kui Despicable Me'i Vector kasutab täisväärtuslikus arvutis "kiire tihendamist". Miniaturiseerimise võimsusega on kiibil olev süsteem funktsionaalne arvuti, mis on tihendatud nii, et see mahuks ühele ränikiibile.
Kus kiipe kasutatakse
SoC on tavaliselt pisike ja ei võta elektroonikaseadmes palju ruumi, mistõttu sobib see ideaalselt väiksemate seadmete jaoks. See ühendab palju erinevaid osi ühel kiibil, mis tähendab, et selle tootja ei pea kulutama aega, raha ja ressursse oluliste füüsiliste osade paigaldamisele ja pikkade vooluahelate ehitamisele, mis omakorda tähendab madalamat tootmist ja kulusid. Kiibil olevad süsteemid on palju tõhusamad kui spetsiaalsete üksikute komponentidega süsteemid, nagu laua- või sülearvuti. SoC võib akudega töötada pikemat aega.
Traditsioonilised lähenemisviisid elektroonikale on olnud süsteemide loomine, mis töötavad individuaalseltiseseisvad osad. Näiteks arvutid ja sülearvutid. Kuid kõike ümbritseva pidev miniaturiseerimine tähendab, et nad toetuvad üha enam väiksematele, energiatõhusamatele süsteemidele kiibil. Nutitelefonid, tahvelarvutid ja isegi asjade Interneti (Internet of Things) seadmed tõestavad, et kiibil olevad süsteemid on kogu elektroonika tuleviku oluline osa.
Intel Pentium N3710 seade
Pentium N3710 on 64-bitine neljatuumaline kiibil töötav süsteem, mille on välja töötanud Intel ja mis võeti kasutusele 2015. aasta alguses osanumbriga 3710. Põhineb Airmonti mikroarhitektuuril. See kiip töötab sagedusel 1,6 GHz režiimiga kuni 2,57 GHz. SoC sisaldab HD Graphics 405 GPU-d, millel on 16 täitmisüksust ja mis töötab sagedusel 400 MHz
N3710 süsteemi-kiibi arhitektuuri üksikasjad:
- Disainer – Intel.
- Tootja – Intel.
- Mudeli number – N3710.
- Osanumber – FH8066501715927
- Kohaldus – mobiil.
- Väljaanne – märts 2015
- Pentium N3000 seeria.
- Sagedus – 1600 MHz.
- Kiirus – 2567 MHz (1 tuum).
- Siini tüüp – IDI CPUID 406C4.
- Mikroarhitektuur – Airmont.
- Peanimi on Braswell.
- Tehnoloogia – CMOS.
- Sõna suurus – 64-bitine.
- Maksimaalne protsessor – üksprotsessor.
- Maksimaalne mälu on 8 G.
- PP temperatuur 0 C–90 C.
- IntegreeritudGPU graafikateave – HD Graphics 405.
- Maksimaalne sagedus on 700 MHz.
Kiibisüsteemide eelised
SOC-i kasutamise põhieesmärk disainis hõlmab etappe, mis loovad seadme eelised:
- SOC on väikese suurusega, kuid sisaldab palju funktsioone.
- Paindlikkus. Kiibi suuruse, võimsuse ja vormiteguri osas on neid süsteeme teistel seadmetel väga raske ületada.
- Kulutõhusus, eriti konkreetsete SoC-rakenduste (nt videokood) puhul.
- Süsteemi-kiibil on lugematu arv. Suure võimsusega toodete puhul lihtsustavad need ressursside kaitset ja insenerikulusid.
Siiski on sellisel suurepärasel seadmel omad puudused:
- Suur ajainvesteering. SoC projekteerimisprotsess võib kesta 6 kuni 12 kuud.
- Piiratud ressursid.
- Kui töötatakse välja väikesemahulist toodet, on vaja tipptasemel seadmeid. Võib-olla on parem kasutada kolmanda osapoole riistvara, kulutada aega ja ressursse rakendustarkvarale.
Kiibil olevate süsteemide suur puudus on see, et neid ei saa üldse kohandada. Teisisõnu, neid ei saa uuendada. Kiibil olev süsteem sureb tavaliselt välja samamoodi, nagu see loodi. Selles ei muutu kogu kasutusaja jooksul midagi. Kui instrumendi sees midagi puruneb, ei saa ainult seda osa parandada ega muuta. Tuleb kogu SoC välja vahetada.
Suurimad tootjadmobiilikiibid
Pakume lühikest ülevaadet suuremate tootjate kiibil olevatest süsteemidest: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA ja Broadcom. Qualcomm, NVIDIA ja MediaTek toodavad ja müüvad peamiselt mobiilseid SoC-sid riistvaraettevõtetele, mida nad oma toodetavates seadmetes kasutada. Broadcom toodab SoC-sid, mida kasutatakse ruuterites ja võrguseadmetes, ning Samsung ja Huawei mitte ainult ei tooda SoC-sid, vaid on nende kasutamisel kaks suurimat ettevõtet maailmas.
Te ei saa öelda, milline kiibil olev süsteem on parim. Kiibil olevate süsteemide projekteerimine ja arendamine liigub nii kiiresti, et võrdluse hetkeks on see võimalus juba vananenud. Siiski tuleb meeles pidada, et parim SoC ei pruugi olla parim protsessorite või kiireimate juhtmevabade edastuste jaoks.
