Systeem op een chip is een kleine chip met alle benodigde elektronische componenten en circuits. In de Engelse literatuur wordt de term SoC (system-on-a-chip) gebruikt. Het systeem in de geluidsdetectie-inrichting kan een ADC, een audio-ontvanger, een geheugen, een microprocessor en een logische gebruikers-I/O-besturing op een enkele chip bevatten.
In de geneeskunde kan een SoC-systeem op basis van nanorobots fungeren als programmeerbare antilichamen om vroege ziekten te vertragen. Op chips gebaseerde videoapparaten kunnen blinden helpen door hen een afbeelding te laten ontvangen, en SoC-audioapparaten kunnen dove mensen laten horen. Het systeem-op-een-chip evolueert samen met andere technologieën zoals SOI (silicon on insulator).
Definities van termen
Het SoC-systeem combineert de vereiste elektronische circuits van verschillende computercomponenten op een enkele geïntegreerde chip (IC). Een SoC is een compleet elektronisch substraatsysteem dat analoge,digitale, gemengde of RF-functies. De componenten bevatten doorgaans een grafische verwerkingseenheid (GPU), een centrale verwerkingseenheid (CPU), die multi-core kan zijn, en systeemgeheugen (RAM).
Omdat het systeem-op-een-chip zowel hardware als software bevat, verbruikt het minder stroom, presteert het beter, neemt het minder ruimte in beslag en is het betrouwbaarder dan multi-chipsystemen. De meeste systeemchips zitten tegenwoordig in mobiele apparaten zoals smartphones en tablets.
De System-on-a-Chip is speciaal ontworpen om te voldoen aan de normen voor het opnemen van de vereiste elektronische schakelingen van talrijke computercomponenten op een enkele geïntegreerde chip. In plaats van een systeem dat meerdere chips en componenten op een PCB assembleert, creëert een SoC alle benodigde circuits in één apparaat.
SoC-uitdagingen omvatten hogere prototypingkosten, architectuur en complexere debugging. IC's zijn niet kosteneffectief. Dit kan echter veranderen naarmate de technologie vordert.
Vereiste microchipparameters
System on Chip SoC's zijn zeer complexe apparaten. De Snapdragon 600 system-on-a-chip van Qualcomm is bijvoorbeeld de SoC die werd gebruikt in de oude Samsung Galaxy-smartphone.
Mensen willen hun smartphone kunnen gebruiken om op internet te surfen, naar muziek te luisteren, video's te bekijken, GPS-navigatie te gebruiken, foto's en video's te maken, games te spelen en toegang te krijgen tot sociale netwerken. Al deze functieszijn niet alleen voorzien van een goede processor, maar ook van een krachtige System on Chip SoC grafische chip, een snelle draadloze Bluetooth-chipset en ondersteuning voor verbinding met 4G-netwerken. Dit alles zou moeten werken met het minste energieverbruik.
De oplossing is om alles wat geïnstalleerd kan worden te miniaturiseren. Apparaten moeten zo gecomprimeerd mogelijk zijn en compact op een kleiner oppervlak worden geplaatst. Het gevolg hiervan is een hogere verwerkingskracht en een lager stroomverbruik. Dit is precies wat SoC biedt.
Systeem-op-Chip-ontwerp
Conceptueel zijn er drie niveaus van ontwerpstrategie voor functionele chips. Het eerste niveau is de symmetrie van de puntengroep. Het dicteert de aanwezigheid of afwezigheid van een bepaalde fysieke respons en anisotropie van het kristal. Daarom kan het worden gebruikt om nieuwe functionele kristallen te zoeken en af te schermen.
Puntgroepsymmetrie is een noodzakelijke vereiste, maar geen voldoende voorwaarde voor een functioneel kristal. Om een SNK-systeem-op-een-chip een bepaalde eigenschap te laten vertonen, moet het worden aangevuld met een tweede niveau van ontwerpstrategie: ruimtegroepstructuur of symmetrie.
Ten slotte, om de respons te verbeteren of te optimaliseren, is er een derde niveau van moleculaire engineering-ontwerpstrategie waarbij de elektronische of magnetische structuren van de bouwstenen van atomen, moleculen en kristalclusters worden verfijnd.
Componentenmobiele apparaten
Een SoC-systeem-op-een-chip kan verschillende elementen hebben, afhankelijk van het doel. Aangezien de overgrote meerderheid van SoC's op smartphones wordt gebruikt, bieden we een lijst met de meest voorkomende componenten van dergelijke apparaten:
- CPU is de kern in de SoC. Dit is het deel dat verantwoordelijk is voor het maken van de meeste berekeningen en beslissingen. Het ontvangt input van andere hardwarecomponenten en software en biedt passende outputreacties. Zonder de CPU zou er geen SoC zijn. De meeste processors hebben tegenwoordig twee, vier of acht cores.
- GPU - afgekort voor grafische verwerkingsmodule. Het wordt ook wel een videochip genoemd. De GPU is verantwoordelijk voor 3D-gaming en voor de nette visuele overgangen die zichtbaar zijn in de interface van elk apparaat dat een systeem met één chip gebruikt.
- RAM-geheugen - alle computerapparaten hebben geheugen nodig om te werken. Om applicaties en softwaregegevens te kunnen draaien, moet u deze gebruiken. Om dit te doen, moet het systeem-op-een-chip RAM hebben.
- ROM - Elk apparaat moet ROM-geheugen hebben om software op te slaan, zoals firmware of het besturingssysteem waarop het draait.
- Modem - een smartphone is geen telefoon als hij geen verbinding kan maken met radionetwerken. Modems zorgen voor het netwerk of de mobiele verbinding.
Naast CPU en geheugen kunnen andere SoC's PCIe-interfaces bevatten die zijn ontworpen voorvoor het aansluiten van radiozendontvangers, SATA-interfaces of USB-apparaten.
Chip-ontwerp
Systemen op een chip moeten halfgeleidergeheugenblokken hebben om hun berekeningen uit te voeren. Afhankelijk van de toepassing van de SoC kan geheugen een hiërarchie vormen van geheugen en cache. Dit is gebruikelijk in de markt voor mobiel computergebruik, maar is niet vereist in veel ingebouwde microcontrollers met laag vermogen.
Geheugentechnologieën voor SoC's omvatten alleen-lezen geheugen (ROM), RAM (Random Access Memory), elektrisch wisbaar programmeerbaar ROM (EEPROM) en flashgeheugen. Net als bij andere computersystemen kan RAM worden onderverdeeld in het relatief snellere maar duurdere statische RAM (SRAM) en het langzamere maar goedkopere dynamische RAM (DRAM) zoals het systeem-op-een-chip afgebeeld in dit artikel.
Externe interfaces
SoC's bevatten externe interfaces, meestal voor communicatieprotocollen. Ze zijn vaak gebaseerd op industriestandaarden zoals USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C en meer. Draadloze netwerkprotocollen zoals Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN en Near Field Communication kunnen ook worden ondersteund.
Indien nodig bevatten SoC's analoge interfaces voor signaalverwerking. Ze kunnen communiceren met verschillende soorten sensoren of actuatoren, waaronder slimme converters. Ze kunnen ook contact opnemen met specifiekemoduletoepassingen of intern in de SoC zijn, bijvoorbeeld als een analoge sensor in de SoC is ingebouwd en de meetwaarden moeten worden omgezet in digitale signalen voor wiskundige verwerking.
Digitale signaalprocessors
Digitale signaalprocessors (DSP's) worden vaak opgenomen in systemen op een chip. Ze voeren bewerkingssignaalverwerking uit voor sensoren, actuatoren, data-acquisitie, data-analyse en multimediaverwerking. DSP-kernen hebben meestal een zeer lang instructiewoord (VLIW) en een unidirectionele instructiesetarchitectuur, dus ze zijn vatbaar voor het benutten van parallellisme.
4DSP-kernen bevatten meestal toepassingsspecifieke instructies en zijn de processors van de ASIP toepassingsspecifieke handleidingenset. Dergelijke instructies komen overeen met gespecialiseerde functionele eenheden.
Typische DSP-instructies omvatten meervoudige accumulatie, snelle Fourier-transformatie, soepele vermenigvuldiging en convolutie. Net als bij andere computersystemen hebben SoC's klokbronnen nodig om kloksignalen te genereren, de uitvoering van functies te regelen en indien nodig timingcontext te bieden aan signaalverwerkingstoepassingen.
Populaire tijdbronnen zijn kristaloscillatoren en phase-locked loops. SoC's bevatten ook spanningsregelaars en stroombeheercircuits.
Het verschil tussen SoC en CPU
Er was eens dat veel mensen dachten dat de CPU volledig geïsoleerd was van de monitor. Nu begrijpen velen dat de CPU slechts een klein onderdeel is,en een computer bestaat uit vele onderdelen.
Systeem op een chip is een elektronische printplaat die alle benodigde componenten in een computer en andere elektronische systemen integreert. Deze omvatten de GPU, CPU, geheugen, stroombeheercircuits, USB-controller, draadloze radio's en meer. Deze componenten zijn gesoldeerd op het moederbord, wat anders is dan conventionele computers, waarvan onderdelen op elk moment kunnen worden vervangen.
Je zou kunnen zeggen dat een systeem op een chip (SoC) is wat er gebeurt als Vector van Despicable Me "beam-compressie" gebruikt op een volwaardige computer. Met de kracht van miniaturisatie is het System on a Chip een functionele computer die is gecomprimeerd om op een enkele siliciumchip te passen.
Waar de chips worden gebruikt
SoC is meestal klein en neemt niet veel ruimte in beslag in een elektronisch apparaat, waardoor het ideaal is voor kleinere apparaten. Het combineert veel verschillende onderdelen op een enkele chip, wat betekent dat de fabrikant geen tijd, geld en middelen hoeft te besteden aan het leggen van belangrijke fysieke onderdelen en het bouwen van lange circuits, wat op zijn beurt lagere productie en kosten betekent. Systemen op een chip zijn veel efficiënter dan systemen met speciale afzonderlijke componenten zoals een desktop-pc of laptop. SoC kan langer op batterijen werken.
Traditionele benaderingen van elektronica gingen over het creëren van systemen die op individuele apparaten draaienonafhankelijke onderdelen. Voorbeelden zijn computers en laptops. De constante miniaturisering van alles eromheen betekent echter dat ze steeds meer vertrouwen op kleinere, energiezuinigere systemen op een chip. Smartphones, tablets en zelfs IoT-apparaten (Internet of Things) bewijzen dat systemen op chips een belangrijk onderdeel zijn van de toekomst van alle elektronica.
Intel Pentium N3710-apparaat
De Pentium N3710 is een 64-bit quad-core systeem-op-een-chip ontworpen door Intel en begin 2015 geïntroduceerd als onderdeelnummer 3710. Gebaseerd op de Airmont-microarchitectuur. Deze chip werkt op 1,6 GHz met een modus tot 2,57 GHz. SoC bevat HD Graphics 405 GPU met 16 uitvoeringseenheden en draait op 400 MHz
N3710 systeem-op-chip architectuur details:
- Ontwerper - Intel.
- Fabrikant - Intel.
- Modelnummer - N3710.
- Onderdeelnummer - FH8066501715927
- Scope - mobiel.
- Uitgave - maart 2015
- Pentium N3000-serie.
- Frequentie - 1600 MHz.
- Snelheid - 2567 MHz (1 kern).
- Bustype - IDI CPUID 406C4.
- Microarchitectuur – Airmont.
- Hoofdnaam is Braswell.
- Technologie - CMOS.
- Woordgrootte - 64-bit.
- Maximum processors - uniprocessor.
- Maximum geheugen is 8 G.
- PP temperatuur 0 C - 90 C.
- GeïntegreerdGPU grafische informatie - HD Graphics 405.
- De maximale frequentie is 700 MHz.
Voordelen van chipsystemen
Het belangrijkste doel van het gebruik van SOC in het ontwerp betreft de stappen die de voordelen van het apparaat vormen:
- SOC is klein van formaat maar bevat veel functies.
- Flexibiliteit. In termen van chipgrootte, kracht en vormfactor zijn deze systemen erg moeilijk te verslaan door andere apparaten.
- Kostenefficiëntie, vooral voor specifieke SoC-toepassingen zoals videocode.
- Het systeem-op-chip is ontelbaar. Voor producten met een hoge capaciteit vereenvoudigen ze de bescherming van hulpbronnen en de engineeringkosten.
Zo'n uitstekend apparaat heeft echter zijn nadelen:
- Grote tijdsinvestering. Het SoC-ontwerpproces kan 6 tot 12 maanden duren.
- Beperkte bronnen.
- Als een product met een laag volume wordt ontwikkeld, is hoogwaardige apparatuur vereist. Het is misschien beter om hardware van derden te gebruiken, tijd en middelen te besteden aan applicatiesoftware.
Systemen op een chip hebben het grote nadeel dat ze helemaal niet aanpasbaar zijn. Met andere woorden, ze kunnen niet worden geüpgraded. Een systeem op een chip sterft meestal hetzelfde als het is gemaakt. Daarin verandert niets gedurende de gehele levensduur. Als er iets intern in het instrument kapot gaat, kan alleen dat onderdeel niet worden gerepareerd of gewijzigd. Moet de hele SoC vervangen.
De grootste producentenmobiele chips
We bieden een kort overzicht van systemen op een chip van grote fabrikanten: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA en Broadcom. Qualcomm, NVIDIA en MediaTek produceren en verkopen voornamelijk mobiele SoC's voor hardwarebedrijven om te gebruiken in apparaten die ze produceren. Broadcom maakt SoC's die worden gebruikt in routers en netwerkapparaten, en Samsung en Huawei maken niet alleen SoC's, maar zijn de twee grootste bedrijven ter wereld in het gebruik ervan.
Je kunt niet zeggen welk systeem op een chip het beste is. Het ontwerpen en ontwikkelen van systems-on-a-chip gaat zo snel dat de optie op het moment van vergelijken al achterhaald is. Men moet echter niet vergeten dat de beste SoC misschien niet de beste is voor processors of de snelste draadloze overdrachten.
