Чипы SoC

Всем хорошо известно, что самым главным компонентом любого компьютера, его мозговым центром, является процессор или интегральная схема, как его ещё называют. Функционирует это устройство, взаимодействуя с остальными устройствами компьютера или другого электронного устройства.

Что касается SoC, то это название, данное на короткий срок или краткосрочное, которое получила система специальная на чипе. Это своего рода схема интегрального типа, в которой собраны разного рода компоненты электроники, выполняющие общую работу для достижения одной и той же цели. Исходя из названия, состоящего из двух частей, можно сделать вывод, что это сложного типа сборка электронных устройств, которые сжатые до такой степени, что помещаются на одном небольшом фрагменте, то есть чипе. Другими словами, размещённая на небольшом чипе soc является практически отдельным компьютером в сборе, размер которого на столько миниатюрный, что свободно разместился на одном чипе. В то время как процессор – это всего лишь отдельный элемент компьютерного устройства, хоть и главный.

SoC также можно представить, как отдельную цельную схему, в составе которой имеются материнская плата, видеокарта, а также ряд других устройств и, конечно же, процессор. А благодаря своим миниатюрным размерам, она, как отдельный и полноценный компьютер разместился на одном чипе из кремния. Чаще всего такую схему можно встретить в устройствах смартфонов, компьютерах одноплатного типа и другой встроенной технике.

SoC, как система на чипе. Особенности, реализация, использование

Первый образец системы на кристалле (СнК) появилась в 70-х годах прошлого века т была использована в устройстве электронных часов. Сегодня развитие электроники достигло таких вершин, что ведущие мировые производители систем SoC больше не работают над тем, как уменьшить размер кристалла или чипа. Главным вопросом теперь стало снижение уровня энергопотребления систем высокой интеграции.

Название система soc на чипе – это ёмкое и сборное определение, включающее в себя большое количество различных устройств, узлов и элементов, каждый из которых имеет свой функционал в общем решении задачи или в отдельно взятой узкой специализации. Каждый раз при создании новой системы СнК инженеры сталкиваются с задачей, предполагающей совмещение возможности её быстрого обновления под определённые требования рынка, стоимость в разумных пределах, а также высокую производительность. При всём при этом размер кристалла должен каждый раз существенно уменьшаться. Всё это усложняет каждый раз саму систему и трудоёмкость её изготовления, а вот возможности конструктора и дизайнера никаким образом не увеличиваются.

Помимо этого, конструирование структуры SoC сегодня стало выгодным методом использования уже готовых IP-блоков, т. е. повторным применением их. Это и дешевле, и быстрее, поскольку нет необходимости тратить время на тестирование, верификацию и пр. процессы. 

Системы полупроводников на кристалле присутствуют сегодня практически во всех устройствах электроники с многими функциями. Помимо этого, благодаря своим миниатюрным размерам и эффективной работе, СнК применяют и в системах связи 4G, 5G, а также в электронном IoT.

Микросхемы для систем SoC

Несмотря на то, что SoC сама по себе представляет собой микросхему интегрального типа, она включает в себя микросхемы отдельных, входящих в её состав, элементов. Эта система является своего рода технологией, определяющей её функцию, как единую цель. При этом ПО и оборудование каждого, входящего в её состав, модуля разрабатывается всегда совместно или согласованно. И после этого все результаты таких разработок интегрируются или помещаются в один общий чип. Наличие такого количества функций, что выполняют интегрированные устройства и модули, а также их приличного уровня производительность, делает систему СнК лидером в числе оборудования, отличающегося высокой функциональностью.

Как правило, эта система объединяет целый ряд микросхем, среди которых GPU, ADC/DAC, CPU, RAM, DSP высокой скорости и модема. Все эти схемы необходимо объединить, внедрить в чип модули обеспечения управления питанием, а также управления другими различными устройствами внешнего типа. При этом также необходимо учесть использование и распределение монтажных шин. 

Если сравнивать схему SoC с общепринятой схемой микропроцессора, то она отличается значительно большей сложностью, повышенными требованиями к конструкции, а также технологии её производства. Помимо этого, зависимость от ПО и аппаратного обеспечения, что разрабатываются всегда совместно, также значительно выше.

В настоящее время многие производители, занимающие лидирующие позиции в производстве полупроводниковой продукции на мировом рынке, самостоятельно могут осуществлять разработку с последующим производством систем SoC.

Модули системы SoC. Разновидности и особенности функционирования

Как известно, в систему на кристаллах (СнК, английский вариант SoC) интегрировано большое количество различных устройств, элементов и модулей. Из последних можно выделить модули ОЗУ, ПЗУ и ППЗУ блока памяти, а также целый ряд других. Модуль представляет собой отдельный с завершённым функционалом узел аппаратуры электроники. Он является одним из самостоятельных элементов или продуктов общего устройства однокристального типа системы.

Конструкторы и дизайнеры, приступая к формированию или разработке новой системы SoC, создают отдельные модули, которые необходимы будут согласно общей схеме и функциональной направленности системы. Для этого требуется определённое время. Кроме того, затем необходимо провести процесс верификации, тестирования и другие обязательные в таких случаях операции. И только потом, собрав полностью систему, интегрировав в общую схему также и все модули soc, перед запуском в производство проводится тестирование на корректность.

Однако, сегодня конструкторы и инженеры нашли более быстрый и лёгкий путь создания программ СнК. Для этого приобретают готовые модули и блоки, с помощью которых и комбинируют потом общую интегральную схему. Такой путь значительно дешевле, во-первых, и во-вторых, исключается необходимость проводить дополнительные манипуляции с модулями, что отнимает очень много времени.

Система на чипе SoC. Особенности изготовления и устройства

С момента появления первого компьютера в мире, который занимал площадь в несколько комнат, главной задачей конструкторов и разработчиков стало уменьшение размеров устройства. С тех пор прошло много времени, развитие мирового прогресса ушло далеко вперёд и появилось множество новых идей и разработок в области электроники. И сегодня на первый план по популярности и удобству использования вышли мобильные, небольших размеров, а иногда и миниатюрные гаджеты. Одним из неотъемлемых элементов таких устройств, а то и отдельным видом аппаратуры сегодня служит специальная система на чипе, сокращённо SoC.

Это своего рода интегральная схема, в которую удалось интегрировать большое количество схем многих модулей, узлов и блоков, настроенных на выполнение одной и той же задачи. Все схемы выполнены в миниатюрных размерах таким образом, что общая схема системы soc свободно размещается на одном чипе или на одном кремниевом кристалле.

Существуют два способа или технологии изготовления таких СнК систем:

• с заданными заранее возможностями и параметрами в виде системы СБИС, то есть создать схему ASIC;
• в виде системы ПЛИС высокой степени интеграции, как в FPGA.

Однако, первый способ оказался слишком дорогим, а второй имеет несколько своих недостатков. Поэтому производители в итоге решили использовать оба варианта в зависимости от назначения схемы