Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування

133 0 Новини високих технологій

Система на кристалі являє собою невеликий чіп зі всіма необхідними електронними компонентами та схемами. В англомовній літературі вживається термін SoC (system-on-a-chip). Система в пристрої виявлення звуку може включати в себе АЦП, аудиоприемник, пам'ять, мікропроцесор і логічне керування вводу-виводу користувача на одному чіпі. У медицині система SoC, заснована на nano-роботах, може виступати в якості програмованих антитіл для відстрочки ранніх недуг. Пристрої на основі чіпа можуть допомогти сліпим людям, дозволяючи їм отримувати зображення, а аудіопристрої SoC можуть зробити глухих людей чують. Система на кристалі розвивається разом з іншими технологіями, такими як SOI (кремній на ізоляторі).


Визначення термінів

Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
Система SoC об'єднує необхідні електронні схеми різних комп'ютерних компонентів на одному інтегрованому чіпі (IC). SoC - це повна електронна система підкладки, яка може містити аналогові, цифрові, змішані або радіочастотні функції. Її компоненти зазвичай включають графічний процесор (GPU), центральний процесор (CPU), який може бути багатоядерним, і системну пам'ять (ОЗП). Оскільки система на кристалі включає в себе як апаратне, так і програмне забезпечення, вона споживає менше енергії, має кращу продуктивність, вимагає менше місця і більш надійна, ніж многочиповые системи. Більшість системних чіпів сьогодні входять в мобільні пристрої, такі як смартфони і планшети. Система на кристалі спеціально розроблена для відповідності стандартам включення необхідних електронних схем численних комп'ютерних компонентів на один інтегрований чіп. Замість системи, яка збирає кілька мікросхем і компонентів на друковану плату, SoC створює всі необхідні схеми в одному пристрої.


Завдання SoC включають більш високі витрати на прототипування, архітектуру і більш складне налагодження. IC не є економічно ефективними. Однак це може змінитися в міру розвитку технології.

Необхідні параметри микрочипирования

Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
System on Chip (SoC - дуже складні пристрої. Наприклад, система Snapdragon 600 від Qualcomm на чіп - це SoC, яка використовувалася на старому смартфоні Samsung Galaxy. Люди хочуть мати можливість використовувати свої смартфони для користування Інтернетом, прослуховування музики, перегляду відео, використання GPS-навігації, зйомки фотографій і відеороликів, ігор, доступу до соціальних мереж. Всі ці функції забезпечуються не тільки хорошим процесором, але і потужним графічним чіпом System on Chip (SoC, швидким бездротовим чіпсетом Bluetooth, підтримкою підключення до мереж 4G. Все це повинно працювати з найменшим споживанням енергії. Рішення полягає в мініатюризації все, що може бути встановлено. Пристрої повинні бути максимально стиснуті і розміщені компактно на меншій поверхні. Наслідком цього є більш висока обчислювальна потужність і більш низьке енергоспоживання. Це саме те, що пропонує SoC.

Проектування систем на кристалі

Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
Концептуально існує три рівні стратегії проектування для функціональних кристалів. Перший рівень - це симетрії точкової групи. Вона диктує наявність або відсутність певного фізичного відгуку і анізотропії кристала. Отже, його можна використовувати для пошуку і екранування нових функціональних кристалів.
Симетрії точкової групи є необхідною вимогою, але недостатньою умовою для функціонального кристала. Щоб система на кристалі РНК виявляла конкретне властивість, він повинен бути доповнений другим рівнем стратегії проектування - структурою або симетрією просторової групи. Нарешті, щоб підвищити або оптимізувати відповідь, існує третій рівень стратегії проектування молекулярної інженерії, який включає в себе тонку настройку електронних або магнітних структур будівельних блоків атомів, молекул і кластерів кристала.

Компоненти мобільних пристроїв

Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
Система на кристалі SoC може мати різні елементи, що залежить від його призначення. Оскільки переважна більшість SoC використовуються на смартфонах, пропонуємо список найбільш поширених компонентів таких пристроїв:
  • CPU - ядро всередині SoC. Це частина, яка відповідає за прийняття більшості розрахунків і рішень. Вона отримує вхідні дані від інших апаратних компонентів і програмного забезпечення і забезпечує відповідні вихідні відповіді. Без CPU не було б SoC. Більшість процесорів сьогодні мають два, чотири або вісім ядер всередині.
  • Графічний процесор - скорочений для модуля графічної обробки. Він також називається відеочіпом. GPU відповідає за 3D-ігри, а також за акуратні візуальні переходи, які видно в інтерфейсі будь-якого пристрою, що використовує однокристальну систему.
  • RAM Memory - всі обчислювальні пристрої потребують роботи пам'яті. Щоб мати можливість запускати додатки і дані програмного забезпечення, необхідно їх використовувати. Щоб це зробити, система на чіпі повинна мати оперативну пам'ять.
  • ROM - будь-який пристрій повинен мати пам'ять ПЗУ для зберігання програмного забезпечення, такого як прошивка або операційна система, в якій він працює.
  • Модем - смартфон не буде телефоном, якщо він не зможе підключитися до радіомережам. Модеми піклуються про мережевому або стільниковому підключенні.
  • Крім процесора і пам'яті, інші SoC можуть включати інтерфейси PCIe, призначені для підключення радиоприемопередатчиков, інтерфейсів SATA або USB-пристроїв.

    Конструкція чіпів

    Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
    Системи на кристалі повинні мати напівпровідникові блоки пам'яті для виконання своїх обчислень. В залежності від застосування SoC пам'ять може утворювати ієрархію пам'яті і кеша. На ринку мобільних комп'ютерів це звичайне явище, але в багатьох малопотужних вбудованих мікроконтролерах цього не потрібно. Технології пам'яті для SoC включають в себе постійне запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ), оперативний запам'ятовуючий пристрій (ОЗП), електрично зтирається програмований ПЗУ (EEPROM) і флеш-пам'ять. Як і в інших комп'ютерних системах, ОЗП можна підрозділити на відносно швидку, але більш дорогу статичне ОЗП (SRAM) і більш повільну, але більш дешеву динамічне ОЗУ (DRAM) системи на кристалі, фото якого представлено в нашій статті.

    Зовнішні інтерфейси

    Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
    SoCs включають зовнішні інтерфейси, як правило, для протоколів зв'язку. Вони часто базуються на галузевих стандартах, таких як USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C та інших. Також можуть підтримуватися протоколи бездротової мережі, такі як Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN і зв'язок з ближнім полем. При необхідності SoCs включають в себе аналогові інтерфейси для обробки сигналів. Вони можуть взаємодіяти з різними типами датчиків або виконавчими механізмами, включаючи інтелектуальні перетворювачі. Також вони можуть контактувати з конкретними додатками модулів або бути внутрішніми для SoC, наприклад, якщо аналоговий датчик вбудований у SoC, а його свідчення повинні бути перетворені в цифрові сигнали для математичної обробки.

    Цифрові процесори сигналів

    Процесори цифрового сигналу (DSP) часто включаються до системи на кристалі. Вони виконують обробку сигналів операції для датчиків, приводів, збір даних, аналіз даних і обробку мультимедіа. DSP-ядра зазвичай мають дуже довге командне слово (VLIW) і односпрямовану архітектуру наборів інструкцій, тому піддаються використання паралелізму. 4DSP-ядра найчастіше містять інструкції для конкретних додатків і є процесорами набору інструкцій для конкретних додатків ASIP. Такі інструкції відповідають спеціалізованим функціональним пристроїв.
    Типові інструкції DSP включають в себе багаторазове накопичення, швидке перетворення Фур'є, плавне множення і згортку. Як і в інших комп'ютерних системах, SoCs вимагають джерела синхронізації для генерації тактових сигналів, управління виконанням функцій та надання тимчасового контексту додатками обробки сигналів, якщо це необхідно. Популярними джерелами часу є кварцові генератори і петлі з фазової синхронізації. SoC також включають регулятори напруги та схеми живлення.

    Відмінність SoC і CPU

    Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
    Колись давно багато хто думали, що ЦП повністю ізольований від монітора. Тепер багато хто розуміють, що CPU - це лише крихітна частина, а комп'ютер складається з безлічі частин. Система на чіпі являє собою електронну друкарську плату, яка об'єднує всі необхідні компоненти комп'ютера і інших електронних системах. Вони включають в себе графічний процесор, центральний процесор, пам'ять, схеми управління живленням, контролер USB, бездротові радіоприймачі і багато іншого. Ці компоненти паяны на материнській платі, чим відрізняються від звичайних комп'ютерів, частини яких можуть бути замінені у будь-який момент часу. Можна сказати, що система на чіпі (SoC) - це те, що відбувається, коли Vector from Despicable Me використовують «стискання променя» на повноцінному комп'ютері. Завдяки силі мініатюризації система на чіпі являє собою функціональний комп'ютер, який був стиснутий для установки на одному кремниевом чіпі.
    Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування

    Де використовуються чіпи

    SoC, як правило, крихітний, не займає багато місця всередині електронного пристрою, що робить його ідеальним рішенням для невеликих пристроїв. Він об'єднує безліч різних частин на одному чіпі, це означає, що його виробнику не потрібно витрачати час, гроші і ресурси на прокладку значних фізичних частин і створення довгих ланцюгів, що, у свою чергу, означає більш низьке виробництво і витрати. Системи на чіпі набагато ефективніше, ніж з виділеними окремими компонентами, такими як настільний ПК або ноутбук. SoC може працювати від батарей протягом більш тривалого часу. Традиційні підходи до електроніки стосувалися створення систем, що працюють на окремих незалежних частинах. Такими прикладами є комп'ютери і ноутбуки. Однак постійна мініатюризація всіх речей навколо означає, що вони все більше покладаються на більш дрібні, більш енергоефективні системи на чіпах. Смартфони, планшети і навіть пристрої IoT (Internet of Things) доводять, що системи на чіпах є важливою частиною майбутнього всієї електроніки.

    Пристрій Intel Pentium N3710

    Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
    Pentium N3710 є 64-розрядної чотириядерної системою на чіпі, розробленому корпорацією Intel і введеному в експлуатацію на початку 2015 року під номером 3710. Виробляються на основі Airmont мікроархітектури. Цей чіп працює на частоті 16 ГГц з режимом до 257 ГГц. SoC включає графічний процесор HD Graphics 405 який має 16 виконавчих блоків і працює на частоті 400 МГц Подробиці архітектури системи на кристалі n3710:
  • Дизайнер – Intel.
  • Виробник – Intel.
  • Номер моделі - N3710.
  • Номер частини - FH8066501715927
  • Область застосування – мобільний.
  • Випуск - березень 2015 р.
  • "Пентіум" серії N3000.
  • Частота - 1600 МГц.
  • Частота обертання - 2567 МГц (1 ядро).
  • Тип шини - IDI CPUID 406C4.
  • Мікроархітектура – Airmont.
  • Основне ім'я - Braswell.
  • Технологія - CMOS.
  • Розмір слова - 64-бітний.
  • Максимальні процесори - однопроцесорний.
  • Максимальна пам'ять - 8 G.
  • Температура ПП 0 C - 90 C.
  • Інтегрована графічна інформація GPU - HD Graphics 405.
  • Максимальна частота - 700 МГц.
  • Переваги чипованных систем

    Основна мета використання в дизайні SOC включає етапи, які формують переваги пристрою:
  • Розмір SOC невеликий, але включає в себе безліч функцій.
  • Гнучкість. З точки зору розміру чіпа, потужності і форм-фактора, такі системи дуже складно перевершити інших пристроїв.
  • Ефективність витрат, особливо для конкретних додатків SoC, таких як видеокод.
  • Система на чіпах бесчисленна. Для продуктів великої ємності вони спрощують захист ресурсів і вартість інженерних рішень.
  • Однак у настільки чудового пристрою є і недоліки:
  • Великі тимчасові витрати. Процес проектування SoC може зайняти від 6 до 12 місяців.
  • Обмеженість ресурсів.
  • Якщо розробляється продукт з низьким рівнем гучності, потрібно висококласне обладнання. Можливо, краще буде використовувати апаратне забезпечення іншого виробника, витратити час і ресурси для прикладного програмного забезпечення.
  • Системи на чіпах мають великий недолік в тому, що вони взагалі не можуть бути адаптуємими. Іншими словами, вони не можуть бути модернізовані. Система на чіпі, як правило, помирає такий же, який вона була створена. У ній нічого не змінюється протягом усього терміну служби. Якщо в приладі щось ламається всередині, не можна відремонтувати або змінити тільки цю частину. Доводиться замінити весь SoC.

    Найбільші виробники мобільних чіпів

    Система на кристалі: пристрій, розробка системи, принцип роботи, характеристика, переваги та недоліки застосування
    Пропонуємо короткий огляд систем на кристалі від найбільших виробників: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA і Broadcom. Qualcomm, NVIDIA і MediaTek виробляють і продають в основному мобільні SoC для апаратних компаній, які використовують їх в вироблених ними пристроях. Broadcom випускає SoC, які використовуються в маршрутизаторах і мережевих пристроях, а Samsung і Huawei не тільки створюють SoC, але і є двома найбільшими компаніями в світі по їх використанню. Не можна сказати, яка система на чіпі краща. Проектування і розвиток систем на кристалі просувається настільки швидко, що до часу порівняння варіант вже буде застарілим. Однак потрібно пам'ятати, що кращий SoC, можливо, не самий хороший для процесорів або найшвидших бездротових передач.

    Популярі новини
    Загрузка...