System na krysztale: urządzenie, rozwój systemu, zasada działania, cechy, zalety i wady aplikacji

System kryształów jest małym chipem zawierającym wszystkie niezbędne komponenty i obwody elektroniczne. W literaturze angielskiej używany jest termin SoC (system-on-a-chip). System w urządzeniu wykrywającym dźwięk może zawierać ADC, odbiornik audio, pamięć, mikroprocesor i logiczne sterowanie wejściem /wyjściem użytkownika na jednym układzie scalonym. W medycynie system SoC oparty na nano-robotach może działać jako programowalne przeciwciała w celu odroczenia wczesnej anemii. Urządzenia oparte na chipie pomagają niewidomym, pozwalając im na robienie zdjęć, a urządzenia audio SoC mogą słyszeć osoby głuche. System kryształów rozwija się wraz z innymi technologiami, takimi jak SOI (krzem na izolatorze).


Definicja terminów

System SoC łączy niezbędne obwody elektroniczne różnych komponentów komputerowych na jednym zintegrowanym układzie scalonym (IC). SoC to kompletny elektroniczny system substratów, który może zawierać funkcje analogowe, cyfrowe, mieszane lub radiowe. Jego komponenty zazwyczaj obejmują układy GPU, procesory, które mogą być wielordzeniowe i pamięć systemową (RAM). Ponieważ system kryształów obejmuje zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie, zużywa mniej energii, lepszą wydajność, mniej przestrzeni i bardziej niezawodne niż systemy multichip. Większość układów systemowych znajduje się teraz w urządzeniach mobilnych, takich jaksmartfony i tablety. System na chipie specjalnie zaprojektowany, aby spełniać standardy wymagane od układów elektronicznych zawierać wiele komponentów komputerowych zintegrowane w jednym chipie. Zamiast systemu, który gromadzi kilka obwodów i komponentów na PCB, SoC tworzy wszystkie niezbędne obwody w jednym urządzeniu.


Cel SoC obejmują wyższe koszty prototypowania, architektury i trudniejsze do debugowania. Układy scalone nie są opłacalne. Może się to jednak zmienić wraz z rozwojem technologii.

Wymagane parametry mikroprocesorów

System on Chip (SoC - bardzo skomplikowane urządzenie Na przykład, system Snapdragon 600 od Qualcomm o chip -.. Tego SoC, który został wykorzystany w starej smartphone Samsung Galaxy Ludzie chcą, aby móc korzystać ze swoich smartfonów do Internetu, słuchać muzyki, oglądać filmy korzystanie z GPS-nawigacji, strzelanie zdjęć i wideo, gier, dostęp do sieci społecznościowych. Wszystkie te funkcje są nie tylko dobry procesor, ale także potężny układów graficznych system on Chip (SoC, szybki chipset bezprzewodowej Bluetooth, wsparcie dla podłączania do sieci 4G. Słońce jest to powinno działać przy najniższym zużyciu energii. Rozwiązanie polega na miniaturyzacji wszystkich, które mogą być zainstalowane. Urządzenia muszą być maksymalnie skompresowane i są skoncentrowane na mniejszej powierzchni. Rezultatem jest większa moc przetwarzania i niższe zużycie energii. To jest dokładnie to, co oferty SoC.

Projektowanie systemów na krysztale

Koncepcyjnie istniejeTrzy poziomy strategii projektowania funkcjonalnych kryształów. Pierwszy poziom to symetria grupy punktów. Nakazuje obecność lub brak pewnej fizycznej odpowiedzi i anizotropii kryształu. W związku z tym można go wykorzystać do wyszukiwania i osłaniania nowych funkcjonalnych kryształów.
Symetria grupy punktowej jest koniecznym wymaganiem, ale nie wystarczającym warunkiem funkcjonowania kryształu. Aby system kryształów RNA wykazywał określoną właściwość, musi być uzupełniony o drugi poziom strategii projektowania - strukturę lub symetrię grupy przestrzennej. Wreszcie, aby poprawić lub zoptymalizować odpowiedź, istnieje trzeci poziom strategii projektowania inżynierii molekularnej, który obejmuje precyzyjne dostrojenie struktur elektronicznych lub magnetycznych bloków budulcowych atomów, cząsteczek i kryształów.

Podzespoły urządzeń mobilnych

System na krysztale SoC może mieć różne elementy w zależności od jego przeznaczenia. Ponieważ zdecydowana większość SoC jest używana na smartfonach, oferujemy listę najczęściej używanych elementów tych urządzeń:
  • Procesor jest rdzeniem SoC. Jest to część odpowiedzialna za wykonanie większości obliczeń i decyzji. Odbiera dane wejściowe od innych komponentów sprzętowych i oprogramowania oraz zapewnia odpowiednie odpowiedzi wyjściowe. Żaden procesor nie byłby SoC. Większość procesorów ma dzisiaj dwa, cztery lub osiem rdzeni.
  • Procesor graficzny - w skrócie graficznego modułu przetwarzania. Jest również nazywany chipem wideo. GPU odpowiadadla gier 3D, a także dla czystych przejść wizualnych, które można zobaczyć w interfejsie dowolnego urządzenia wykorzystującego system monokryształów.
  • Pamięć RAM - Wszystkie urządzenia komputerowe wymagają pamięci. Aby móc uruchamiać aplikacje i dane oprogramowania, trzeba z nich korzystać. Aby to zrobić, system na chipie powinien mieć pamięć RAM.
  • ROM - Każde urządzenie musi mieć pamięć ROM do przechowywania oprogramowania, takiego jak oprogramowanie układowe lub system operacyjny, w którym działa.
  • Modem - smartfon nie będzie telefonem, jeśli nie może się połączyć z sieciami radiowymi. Modemy dbają o sieć lub łączność komórkową.
  • Oprócz procesora i pamięci, inne SoC mogą zawierać interfejsy PCIe do łączenia radiowych urządzeń nadawczo-odbiorczych, interfejsów SATA lub urządzeń USB.

    Projektowanie wiórów

    Systemy na krysztale powinny mieć bloki pamięci półprzewodnikowej do wykonywania swoich obliczeń. W zależności od użycia SoC, pamięć może tworzyć hierarchię pamięci i pamięć podręczną. Na rynku komputerów mobilnych jest to zjawisko powszechne, ale w wielu wbudowanych mikrokontrolerach o niskiej mocy nie jest to wymagane. Technologie pamięci dla SoC obejmują stałe urządzenie pamięci (ROM), operacyjne urządzenie pamięci (RAM), elektrycznie czyszczoną programowalną pamięć ROM (EEPROM) i pamięć flash. Podobnie jak inne systemy komputerowe, pamięć RAM może być podzielona na stosunkowo szybką, ale droższą statyczną pamięć RAM (SRAM) i wolniejszą, ale tańsząSystem dynamicznej pamięci RAM (DRAM) na krysztale, którego zdjęcie zostało przedstawione w naszym artykule.

    Interfejsy zewnętrzne

    SoC zawierają zewnętrzne interfejsy, zazwyczaj dla protokołów komunikacyjnych. Często bazują na standardach branżowych, takich jak USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C i inne. Mogą być również obsługiwane protokoły sieci bezprzewodowej, takie jak Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN i bliskie pole. Jeśli to konieczne, SoC zawierają analogowe interfejsy do przetwarzania sygnałów. Mogą wchodzić w interakcje z różnymi typami czujników lub siłowników, w tym inteligentnymi przetwornikami. Mogą również kontaktować konkretne aplikacje lub moduły być wewnętrzny do SoC, na przykład, jeśli czujnik analogowy wbudowane w SoC, a jego zeznania muszą być konwertowane na sygnały cyfrowe do obróbki matematycznej.

    Cyfrowe procesory sygnałowe

    Cyfrowe procesory sygnałowe (DSP) są często zawarte w systemie na krysztale. Wykonują operacje przetwarzania sygnałów dla czujników, napędów, akwizycji danych, analizy danych i przetwarzania multimediów. Jądra DSP zwykle mają bardzo długie słowo poleceń (VLIW) i jednokierunkową architekturę zestawów instrukcji, więc podlegają równoległości. Jądra 4DSP często zawierają instrukcje dla konkretnych aplikacji i są zestawami instrukcji procesora dla konkretnych aplikacji ASIP. Takie instrukcje odpowiadają specjalistycznym urządzeniom funkcjonalnym.
    Typowe instrukcje DSP obejmują wielokrotną akumulację, szybką transformatę Fouriera, płynne mnożenie i splatanie. Podobnie jakW innych systemach komputerowych SoC wymagają źródeł synchronizacji do generowania sygnałów zegarowych, wykonywania funkcji sterujących i zapewnienia tymczasowego kontekstu dla aplikacji przetwarzania sygnałów, jeśli to konieczne. Popularnymi źródłami czasu są oscylatory kwarcowe i pętle z synchronizacji fazowej. SoC zawiera także regulatory napięcia i obwody mocy.

    Różnica między SoC i CPU

    Przez długi czas wielu uważało, że procesor został całkowicie odizolowany od monitora. Teraz wiele osób zdaje sobie sprawę, że procesor to tylko niewielka część, a komputer składa się z wielu części. System na chipie to elektroniczna płytka drukowana, która łączy w sobie wszystkie niezbędne elementy komputera i innych systemów elektronicznych. Obejmują one procesor graficzny, procesor, pamięć, schemat zarządzania zasilaniem, kontroler USB, bezprzewodowe odbiorniki radiowe i inne. Komponenty te są lutowane na płycie głównej, która różni się od zwykłych komputerów, których części można wymienić w dowolnym momencie. Można powiedzieć, że system na chipie (SoC) jest tym, co dzieje się, gdy Vector od Despicable Me wykorzystuje "kompresję wiązki" na w pełni rozwiniętym komputerze. Dzięki sile miniaturyzacji system na chipie jest funkcjonalnym komputerem skompresowanym do zainstalowania na jednym chipie krzemowym.

    Tam, gdzie używa się wiórów

    SoC, z reguły jest mały, nie zajmuje dużo miejsca wewnątrz urządzenia elektronicznego, dzięki czemu jest idealnym rozwiązaniem dla małych urządzeń. Łączy w sobie wiele różnych częścichip, oznacza to, że jego producent nie musi marnować czasu, pieniędzy i zasobów na układanie dużych części fizycznych i tworzenie długich łańcuchów, co z kolei oznacza niższą produkcję i koszty. Systemy na chipie są znacznie bardziej efektywne niż dedykowane komponenty, takie jak komputer stacjonarny lub laptop. SoC może działać na bateriach przez dłuższy czas. Tradycyjne podejście do elektroniki związane z tworzeniem systemów działających w oddzielnych niezależnych częściach. Przykładami są komputery i laptopy. Jednak stała miniaturyzacja wszystkich elementów oznacza, że ​​w coraz większym stopniu polegają one na mniejszych, bardziej energooszczędnych chipsetach. Smartfony, tablety, a nawet urządzenia IoT (Internet of Things) dowodzą, że systemy na chipach są ważną częścią przyszłości całej elektroniki.

    Intel Pentium N3710

    Pentium N3710 to 64-bitowy czterordzeniowy układ scalony opracowany przez firmę Intel i uruchomiony na początku 2015 roku pod numerem 3710. Wyprodukowany w oparciu o mikroarchitekturę Airmont. Ten układ działa z częstotliwością 16 GHz w trybie do 257 GHz. SoC zawiera procesor graficzny HD Graphics 405, który ma 16 plików wykonywalnych i pracuje z częstotliwością 400 MHz Szczegóły architektury systemu na chipie n3710:
  • Projektant - Intel.
  • Producent - Intel.
  • Numer modelu to N3710.
  • ​​
  • Numer części - FH8066501715927
  • Zakres - ruchomy.
  • Numer - marzec 2015 r.
  • Seria "Pentium" N3000.
  • Częstotliwość - 1600 MHz.
  • Częstotliwość obrotu wynosi 2567 MHz (1 jądro).
  • Typ magistrali - ID procesora IDI406C4.
  • Mikroarchitektura - Airmont.
  • Głównym nazwiskiem jest Braswell.
  • Technologia - CMOS.
  • Rozmiar tego słowa jest 64-bitowy.
  • Maksymalne procesory - pojedynczy procesor.
  • Maksymalna pamięć - 8 G.
  • Temperatura PP 0 C - 90 C.
  • Zintegrowana informacja graficzna GPU - HD Graphics 405.
  • Maksymalna częstotliwość to 700 MHz.
  • Zalety systemów chipowych

    Główny cel zastosowania w projektowaniu SOC obejmuje kroki, które kształtują zalety urządzenia:
  • Wielkość SOC jest niewielka, ale zawiera wiele cech.
  • Elastyczność. Pod względem wielkości układu, mocy i współczynnika kształtu takie systemy są bardzo trudne do pokonania w innych urządzeniach.
  • Opłacalność, zwłaszcza w przypadku konkretnych zastosowań SoC, takich jak kodowanie wideo.
  • System na układach scalonych jest niezliczony. W przypadku produktów o dużej pojemności upraszczają ochronę zasobów i kosztów rozwiązań inżynierskich.
  • Jednak w tak doskonałym urządzeniu występują wady:
  • Duże koszty tymczasowe. Proces projektowania SoC może trwać od 6 do 12 miesięcy.
  • Ograniczone zasoby.
  • Jeśli opracowywany jest produkt o małej objętości, wymagany jest sprzęt wysokiej jakości. Lepszym rozwiązaniem może być użycie sprzętu innego producenta, aby poświęcić czas i zasoby na oprogramowanie aplikacji.
  • Systemy chipowe mają dużą wadę, której nie można w ogóle przystosować. Innymi słowy, nie można ich zaktualizować. Zwykle system chipów umiera tak samo, jak został stworzony. Nie zmienia niczego w ciągu całego okresuusługa Jeśli urządzenie zepsuje coś w środku, nie można naprawić lub zmienić tylko tej części. Musisz wymienić cały SoC.

    Najwięksi producenci ruchomych układów scalonych

    Oferujemy krótki przegląd systemów kryształów od głównych producentów: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA i Broadcom. Qualcomm, NVIDIA i MediaTek produkują i sprzedają głównie mobilne SoC dla firm sprzętowych, które używają ich na swoich urządzeniach. Firma Broadcom wydaje SoC używane w routerach i urządzeniach sieciowych, a Samsung i Huawei nie tylko tworzą SoC, ale także są dwoma największymi firmami na świecie do ich wykorzystania. Nie można powiedzieć, który system na chipie jest lepszy. Projektowanie i rozwój systemów na krysztale jest tak szybko promowany, że przed porównaniem opcja będzie nieaktualna. Należy jednak pamiętać, że najlepszy SoC może nie być najlepszy dla procesorów lub najszybszych transmisji bezprzewodowych.

    Powiązane publikacje