Пн-Пт: с 9.00 до 18.00
 
Заказать звонок
 
Система на кристалле (SoC)

Система на кристалле (SoC)

Система на кристалле (SoC)

Устройство SoC (англ. System on a Chip) - в русской аббревиатуре СнК – система на кристалле – это автономный неразборный чип (электронная схема), выполняющий определённую функцию. Однокристальная Система может принимать и обрабатывать цифровые, аналоговые, радиосигналы или работать в аналого-цифровом режиме, объединив на кристалле процессор (или несколько), устройство ввода-вывода, блок оперативной и долговременной памяти. Особенность SoC – небольшой размер при возможностях, сравнимых с компьютером.

История создания

Первая СнК в 1976 году была вставлена в корпус электронных часов Microma LCD watch компанией Intel в виде 5810 CMOS chip. Через 2 года был создан 16-разрядный микропроцессор Intel 8086, который считается прародителем современных интегральных микрочипов.

В 1990 году в корпус интегральной микросхемы помимо процессора удалось поместить контроллер шины и контроллер памяти. В 1995 туда же добавили контроллер прерываний, таймеры, счётчики. К 2007 году развитие технологий позволило создать SoC, один процессор которого состоял из 148 миллионов транзисторов. Плюс: пара USB, 36 портов общего назначения GPIO, кэш на 256 КБ, 2 интерфейса SATA и множество контроллеров, включая поддержку часов в режиме реального времени.

В настоящее время ведущие производители систем на кристалле, такие как Espressif Systems, NORDIC Semiconductor, Qualcomm, Samsung, работают не столько над размером, сколько над снижением энергопотребления высокоинтегрированных систем.

Устройство SoC

Устройство SoC, компоненты и архитектура

Ёмкое определение «система-на-кристалле» объединяет множество устройств с различным функционалом общего назначения или узкой специализации.

Типичная СнК состоит из следующих компонентов:

  • Одного или нескольких процессоров (MPSoC), микроконтроллеров или ядер (DSP), которые управляют остальными компонентами, вычисляют, декодируют и обеспечивают цифровую обработку сигнала. Различают двухъядерные, четырехъядерные, восьмиядерные, шестигранные и другие микропроцессоры, в зависимости от того, какая пользователю требуется мощность.
  • Графического процессора, отвечающего за изображение в пользовательском интерфейсе (анимацию, 3D-игры).
  • Интерфейсов для подключения внешних устройств – USART, USB, Ethernet, SPI.
  • Полупроводниковых блоков памяти – оперативной (ОЗУ), постоянной (ПЗУ), флеш, ППЗУ.
  • Модема для подключения к беспроводным системам. Это может быть Bluetooth, WiFi, GPS, FM-радио, 2G/3G/4G LTE и 5G.
  • Аналого-цифровых преобразователей.
  • Таймеров, счётчиков.
  • Источников опорной частоты.
  • Регуляторов напряжения.
  • Системных контроллеров – Северного (внутреннее взаимодействие), Южного (внешний интерфейс) мостов. С их помощью возможно заносить данные прямиком в память чипа, а не в процессорное ядро.
Особенности SoC

Особенности SoC – проектирование и реализация

Хотя между традиционной semiconductor СБИС и СнК часто проводят прямую аналогию, между ними есть принципиальная разница. Правильнее считать SoCs следующей «ступенью эволюционного развития» интегральных микросхем. Если СБИС – это аппаратное решение, то ПЛИС требует одновременно аппаратного наполнения и программного обеспечения. При этом в разы возрастает сложность верификации готового продукта, не говоря уже о затратах человеко-часов на его разработку и отладку.

Для создания конкурентоспособного SoC необходимо совместить разумную стоимость, быстрое обновление предлагаемого рыночного продукта и высокую производительность на возможно меньшей площади кристалла. При этом сложность системы и трудоёмкость проектирования постоянно возрастает, а возможности дизайнера остаются на одном уровне.

При традиционных способах создания принципиально новой СБИС типа ASIC на разработку один человек затратит порядка пяти лет работы, а команда из 5 сотрудников может справиться с задачей за год. Проблема усугубляется тем, что ввиду особенностей реализации проекта на кристалле, разработчик ПО не может исправить допущенную ошибку. Нельзя переделать SoC – только создать заново. С усложнением рыночного интеллектуального продукта поменялись и подходы к его созданию.

Каждый изготовитель накопил (и продолжает создавать) немало готовых Intellectual Property блоков (IP-блоков), которые были разработаны под определённую задачу в рамках работы над текущими проектами. Это могут быть как простые логические вентили, так и более сложные умножители, регистры, счётчики и другие макроэлементы. В русском сегменте рынка изделий IoT их принято называть сложно-функциональными (СФ-блок).

Особенностью проектирования структуры СнК стало повторное использование готовых IP блоков, которые делятся на две группы:

  • Аппаратные или hard IP – физически встраиваемые топологические фрагменты на кристалле.
  • Синтезируемые soft IP – логические элементы в виде описания, которые встраивают при помощи САПР.

Поскольку сложно-функциональный блок является интеллектуальной собственностью создателя, то добыть необходимые конструкции можно несколькими законными путями:

  • Например, купить у разработчика лицензию на использование их продукта. При этом заказчик получает описание функционала, но «заглянуть под капот» не может. Цена зависит от проекта – разовый стоит дешевле
  • Найти подходящий по функционалу модуль в открытой базе.
  • Разработать собственный.

Купить готовый типовой блок для СнК в 2-5 раз дешевле, чем создать собственный. При этом не уходит время на верификацию продукта, тестирование опытных образцов. Однако, перед отправкой на производство обычно тестируют корректность функционирования систем на чипе, применяя языки Verilog, VHDL, SystemVerilog, SystemC, OpenVera.

Современный уровень создания микрочипов первым реализовался на Тайване, где создана система Fabless. Здесь разработчики уникального продукта активно сотрудничают с коллегами, а производство делегируют сторонней фабрике. Те, кто непосредственно изготавливают чипы, контролируют и перепроверяют лицензионное оформление всех, попадающих к ним в работу, топологий, своевременно выявляя кражи. Также проводится тестирование Подобные экосистемы по производству SoC представляются наиболее эффективными для снижения их стоимости.

Особенности SoC

Реализация

Есть две принципиально разные технологии создания СнК:

  • Первая - в виде СБИС с заданными параметрами и возможностями (ASIC).
  • Вторая – высокоинтегрированная ПЛИС, присущая FPGA. Здесь первопроходцами являются компании Xilinx и Altera.

Система ASIC эффективно используются для замены традиционных микросхем на платах, что позволяет уменьшить вес, габариты, энергопотребление и теплоотдачу электронных устройств. При этом их производство экономически целесообразно только в промышленных масштабах, а процент ошибок и брака может доходить до 75. Таким образом, ASIC остаётся дорогостоящей технологией, даже если система создаётся из готовых СФ-блоков.

Альтернативный вариант уступает по производительности и энергопотреблению, но имеет ряд существенных преимуществ. А именно:

  • ПЛИС на FPGA можно корректировать по мере разработки, тестировать их работу по частям.
  • Доступны проверенные готовые модули.
  • Недорогая разработка и возможность создания опытных образцов.

Производители считают, что СкН на FPGA будут заменять собой блоки на плате, а для реализации высокобюджетных проектов лучше использовать СБИС ASIC.

Отличие SoC и CPU

CPU – это центральное обрабатывающее устройство, процессор, который выполняет самую важную функцию в компьютере. Выглядит он как небольшой плоский квадрат со сторонами в 5 см на ножках, которыми прикреплён к материнской плате.

Функционал CPU – обработка информации. Однако для работы электронного устройства его наличие обязательно, но недостаточно. SoC представляет собой систему, в составе которой находится один или несколько ядер CPU, окружённый необходимой инфраструктурой, чтобы функционировать как законченное, автономное устройство.

Таким образом, принципиальное отличие ЦПУ от СнК кроется в их возможностях – процессор один из компонентов системы на кристалле, которая сравнима с полноценным компьютером, заключённым в маленьком неразборном корпусе, но потребляющем меньше энергии.

Особенности SoC

Использование систем на кристалле

Полупроводниковые системы на кристалле сегодня можно найти в любом многофункциональном электронном устройстве начиная, например, с наручных часов и заканчивая медицинским оборудованием. Компактные и эффективные, они активно используются в электронике IoT (Internet of Things), обеспечение связи 4G и 5G.

Крупнейшими производителями SoC являются Qualcomm, Samsung Semiconductor, NORDIC Semiconductor, Huawei HiSilicon, Espressif Systems, ARM Holdings, NVIDIA и MediaTek. Смартфоны, планшеты, компьютеры, модемы – любое современное программируемое оборудование может иметь в своём корпусе компактный чип с большими возможностями.

Компания Aurora Evernet официальный дистрибьютор компании Nordic Semiconductor wi-fi и bluetooth чипы, SoC по обоснованной цене с гарантией. Чтобы заказать, купить товар или узнать его наличие на складе позвоните вашему персональному менеджеру или закажите звонок в форме обратной связи на сайте. E-mail: info@auroraevernet.ru.