Rendszer egy chipen - System on a chip

A Raspberry Pi egy chipen lévő rendszert használ majdnem teljesen lezárt mikroszámítógépként . Ez az SoC nem tartalmaz semmiféle adattárolást, ami egy mikroprocesszoros SoC -nál gyakori.

A rendszer a chipen ( SoC ; / ˌ ɛ s ˌ oʊ s I / ES-OH- SEE vagy / s ɒ k / zokni ) egy integrált áramkör (más néven "chip"), amely integrálja az összes vagy a legtöbb komponenseket egy számítógép vagy más elektronikus rendszer . Ezek az összetevők szinte mindig tartalmaznak központi processzort (CPU), memóriát , bemeneti/kimeneti portokat és másodlagos tárolót , gyakran más komponensekkel, például rádiómodemekkel és grafikus feldolgozóegységgel (GPU) együtt - mindezt egyetlen hordozón vagy mikrochipen. Tartalmazhat digitális , analóg , vegyes jelű és gyakran rádiófrekvenciás jelfeldolgozó funkciókat (egyébként csak alkalmazásprocesszornak minősül).

A nagyobb teljesítményű SoC-k gyakran párosulnak dedikált és fizikailag különálló memóriával és másodlagos tárolókkal (szinte mindig LPDDR és eUFS vagy eMMC ), amelyek az SoC tetejére rétegezhetők úgynevezett csomag a csomag (PoP) konfigurációban , vagy a SoC közelébe kell helyezni. Ezenkívül a SoC -k külön vezeték nélküli modemeket is használhatnak.

Az SoC -k ellentétben állnak a hagyományos hagyományos alaplap -alapú PC -architektúrával , amely funkciók alapján választja el az összetevőket, és egy központi interfész -áramköri kártyán keresztül kapcsolja össze őket. Míg az alaplap a leszerelhető vagy cserélhető alkatrészeket tartalmazza és összekapcsolja, az SoC -k ezeket az alkatrészeket egyetlen integrált áramkörbe integrálják. Az SoC rendszerint egy CPU-t, grafikus és memória interfészeket, merevlemez- és USB-csatlakozást, véletlen hozzáférésű és csak olvasható memóriákat és másodlagos tárolót és/vagy vezérlőket integrál egyetlen áramkörbe, míg az alaplap ezeket a modulokat különálló alkatrészek vagy bővítőkártyák .

Az SoC mikrokontrollert , mikroprocesszort vagy esetleg több processzormagot integrál perifériákkal, például GPU - val , Wi-Fi-vel és mobilhálózati rádiómodemekkel, és/vagy egy vagy több társprocesszorral . Hasonlóan ahhoz, ahogyan a mikrokontroller integrálja a mikroprocesszort a perifériás áramkörökkel és a memóriával, az SoC úgy tekinthető, hogy integrálja a mikrokontrollert még fejlettebb perifériákkal . A rendszerkomponensek integrálásának áttekintését lásd: Rendszerintegráció .

A szorosabban integrált számítógépes rendszer-tervek javítják a teljesítményt és csökkentik az energiafogyasztást , valamint a félvezető szerszámterületet, mint az azonos funkcionalitású többcsipes kivitel. Ez az alkatrészek cseréjének csökkenésével jár. Értelemszerűen a SoC tervek teljesen vagy majdnem teljesen integráltak a különböző komponens modulokba . Ezen okok miatt általános tendencia volt a komponensek szorosabb integrálása a számítógépes hardveriparban , részben az SoC -k hatása, valamint a mobil és beágyazott számítástechnikai piacok tanulságai miatt. Az SoC -k a beágyazott számítástechnika és a hardveres gyorsítás felé irányuló nagyobb tendencia részének tekinthetők .

Az SoC -k nagyon gyakoriak a mobil számítástechnika (például okostelefonok és táblagépek ) és az élszámítástechnikai piacok területén. Ezeket általában olyan beágyazott rendszerekben is használják, mint a WiFi útválasztók és a dolgok internete .

Típusok

Mikrokontroller -alapú rendszer egy chipen

Általában négy megkülönböztethető típusú SoC létezik:

AMD Am286ZX/LX, SoC Intel 80286 alapján

Alkalmazások

Az SoC -k bármilyen számítási feladatra alkalmazhatók. Ezeket azonban általában mobil számítástechnikában, például táblagépekben, okostelefonokban, okosórákban és netbookokban, valamint beágyazott rendszerekben és olyan alkalmazásokban használják, ahol korábban mikrovezérlőket használtak.

Beágyazott rendszerek

Ahol korábban csak mikrovezérlőket lehetett használni, az SoC -k előtérbe kerülnek a beágyazott rendszerek piacán. A szorosabb rendszerintegráció nagyobb megbízhatóságot és átlagos időt biztosít a meghibásodások között , az SoC -k pedig fejlettebb funkcionalitást és számítási teljesítményt kínálnak, mint a mikrovezérlők. Az alkalmazások közé tartozik az AI gyorsítás , a beágyazott gépi látás , az adatgyűjtés, a telemetria , a vektorfeldolgozás és a környezeti intelligencia . Gyakran beágyazott SoCs cél a tárgyak internete , ipari tárgyak internete és él számítástechnikai piacon.

Mobil számítástechnika

A mobil számítástechnika- alapú SoC-k mindig processzorokat, memóriákat, chipen tárolt gyorsítótárakat , vezeték nélküli hálózati képességeket és gyakran digitális fényképezőgép hardvert és firmware-t tartalmaznak. A növekvő memóriaméretekkel a csúcskategóriás SoC -k gyakran nem rendelkeznek memóriával és flash memóriával, ehelyett a memória és a flash memória közvetlenül az SoC mellett vagy felett ( csomag a csomagban ) kerül elhelyezésre . Néhány példa a mobil számítástechnikai SoC -kra:

Személyi számítógépek

1992 -ben az Acorn Computers gyártotta az A3010, A3020 és A4000 típusú személyi számítógépeket az ARM250 SoC segítségével. Egyesítette az eredeti Acorn ARM2 processzort memóriavezérlővel (MEMC), videokontrollerrel (VIDC) és I/O vezérlővel (IOC). A korábbi Acorn ARM -alapú számítógépeken ez négy különálló chip volt. Az ARM7500 chip volt a második generációs SoC, amely az ARM700, a VIDC20 és az IOMD vezérlőkre épült, és széles körben engedélyezett a beágyazott eszközökben, például a set-top-boxokban, valamint a későbbi Acorn személyi számítógépekben.

A SoC -ket 2018 -tól alkalmazzák a mainstream személyi számítógépeken . Különösen a laptopokra és táblagépekre vonatkoznak . Tablet és laptop gyártók tanult a beágyazott rendszerek és okostelefon piacon a csökkentett energiafogyasztás, jobb teljesítményt és megbízhatóságot a szigorúbb integráció hardver és firmware modulok és LTE és egyéb vezeték nélküli hálózati kommunikáció integrált chip (beépített hálózati interfész vezérlők ).

ARM -alapú:

x86 alapú:

Szerkezet

Az SoC hardveres funkcionális egységekből áll , beleértve a szoftverkódot futtató mikroprocesszorokat , valamint egy kommunikációs alrendszert , amely ezeknek a funkcionális moduloknak a csatlakoztatásához, vezérléséhez, közvetlen irányításához és interfészéhez kapcsolódik.

Funkcionális alkatrészek

Processzor magok

Egy SoC -nek legalább egy processzormaggal kell rendelkeznie , de általában egy SoC -nek több maggal kell rendelkeznie. A processzormagok lehetnek mikrokontroller , mikroprocesszor (μP), digitális jelfeldolgozó (DSP) vagy alkalmazásspecifikus utasításkészlet-processzor (ASIP) mag. Az ASIP-ek olyan utasításkészletekkel rendelkeznek , amelyek egy alkalmazástartományra vannak szabva, és hatékonyabbak, mint az általános típusú utasítások egy adott típusú munkaterheléshez. A többprocesszoros SoC -k definíció szerint több processzormaggal rendelkeznek.

Akár egymagos, multi-core vagy manycore , SoC processzor magok jellemzően RISC utasítás készlet architektúrák. A RISC architektúrák előnyösek a CISC processzorokkal szemben az SoC -k számára, mivel kevesebb digitális logikát igényelnek, és ezáltal kevesebb energiát és fedélzeti területet igényelnek , és a beágyazott és mobil számítástechnikai piacokon a terület és a teljesítmény gyakran erősen korlátozott. Különösen a SoC processzormagok gyakran használják az ARM architektúrát, mivel ez egy lágy processzor , amely IP -magként van megadva, és energiahatékonyabb, mint az x86 .

memória

További információ: Számítógép memória

Az SoC -knek félvezető memóriablokkokkal kell rendelkezniük a számításhoz, csakúgy, mint a mikrovezérlőknek és más beágyazott rendszereknek . Az alkalmazástól függően a SoC memória memóriahierarchiát és gyorsítótár -hierarchiát alkothat . A mobil számítástechnikai piacon ez gyakori, de sok kis teljesítményű beágyazott mikrokontrollerben erre nincs szükség. A SoC memóriatechnológiái közé tartozik a csak olvasható memória (ROM), a véletlen hozzáférésű memória (RAM), az elektromosan törölhető programozható ROM ( EEPROM ) és a flash memória . A többi számítógépes rendszerhez hasonlóan a RAM viszonylag gyorsabb, de drágább statikus RAM -ra (SRAM) és lassabb, de olcsóbb dinamikus RAM -ra (DRAM) osztható fel . Ha egy SoC rendelkezik gyorsítótár -hierarchiával, az SRAM -ot általában a processzorregiszterek és a magok L1 gyorsítótárainak megvalósítására használják, míg a DRAM -ot a gyorsítótár -hierarchia alacsonyabb szintjeire, beleértve a fő memóriát . A "fő memória" lehet egyetlen processzorra jellemző (amely lehet többmagos is ), ha az SoC- nek több processzora van , ebben az esetben az elosztott memória, és el kell küldeni a § Intermodule kommunikáció egy chipen keresztül, hogy más hozzáférhessen processzor. A többfeldolgozási memóriaproblémák további tárgyalásához lásd a gyorsítótár koherenciáját és a memória késését .

Interfészek

Az SoC -k külső interfészeket tartalmaznak , jellemzően kommunikációs protokollokhoz . Ezek gyakran olyan ipari szabványokon alapulnak, mint az USB , FireWire , Ethernet , USART , SPI , HDMI , I²C , stb. Ezek az interfészek a tervezett alkalmazástól függően eltérőek lehetnek. Vezeték nélküli hálózati protokollok, például Wi-Fi , Bluetooth , 6LoWPAN és közeli kommunikáció is támogatottak lehetnek.

Szükség esetén az SoC-k analóg interfészeket tartalmaznak, beleértve az analóg-digitális és a digitális-analóg konvertereket , gyakran a jelfeldolgozáshoz . Ezek képesek csatlakozni különböző típusú érzékelőkkel vagy működtetőkkel , beleértve az intelligens átalakítókat is . Alkalmazás-specifikus modulokkal vagy pajzsokkal kapcsolódhatnak. Vagy lehetnek a SoC -n belül, például, ha analóg érzékelőt építenek be az SoC -be, és annak leolvasásait digitális jelekké kell alakítani a matematikai feldolgozáshoz.

Digitális jelfeldolgozók

A digitális jelfeldolgozó (DSP) magokat gyakran tartalmazzák az SoC -k. Jelfeldolgozási műveleteket végeznek az érzékelők , állítóművek , adatgyűjtés , adatelemzés és multimédia -feldolgozás SoC -jában . DSP magot általában jellemző vliw (VLIW) és egy utasítás több adat (SIMD) utasítás készlet architektúrák , és ezért nagyon alkalmasak kiaknázása utasításszintû párhuzamosság révén párhuzamos feldolgozás és szuperskalár végrehajtását . A DSP magok leggyakrabban alkalmazásspecifikus utasításokat tartalmaznak, és mint ilyenek, általában alkalmazás-specifikus utasításkészlet-processzorok (ASIP). Az ilyen alkalmazásspecifikus utasítások azoknak a hardverfunkciós egységeknek felelnek meg, amelyek kiszámítják ezeket az utasításokat.

A tipikus DSP utasítások közé tartozik a szorzás-halmozás , a gyors Fourier-transzformáció , az összeolvadt szorzás-összeadás és a konvolúciók .

Egyéb

Más számítógépes rendszerekhez hasonlóan a SoC -k is időzítő forrásokat igényelnek az órajelek generálásához , az SoC funkciók végrehajtásának vezérléséhez, és szükség esetén időkontextust biztosítanak az SoC jelfeldolgozó alkalmazásaihoz. A népszerű időforrások a kristályoszcillátorok és a fáziszárolt hurkok .

SoC perifériák, beleértve számlálókat , valós idejű időzítőket és bekapcsolási visszaállító generátorokat. Az SoC -k feszültségszabályozókat és energiagazdálkodási áramköröket is tartalmaznak .

A modulok közötti kommunikáció

Az SoC -k sok végrehajtási egységet tartalmaznak . Ezeknek az egységeknek gyakran adatokat és utasításokat kell küldeniük oda -vissza. Emiatt a legtriviálisabb SoC -k kivételével minden kommunikációs alrendszert igényel . Eredetileg mint más mikroszámítógép technológiák adatbusz architektúrák használták, de az utóbbi időben tervek alapján ritka beengedő hálózatok ismert hálózatok-on-chip (NOC) emelkedett előtérbe, és az előrejelzések szerint előzni busz architektúra SoC tervezés a közeljövőben .

Busz alapú kommunikáció

A történelem során egy megosztott globális számítógépes busz jellemzően összekötötte a különböző komponenseket, más néven a blokkokat. Az SoC kommunikáció nagyon gyakori busza az ARM jogdíjmentes Advanced Microcontroller Bus Architecture ( AMBA ) szabványa.

A közvetlen memóriahozzáférés -vezérlők közvetlenül a külső interfészek és az SoC memória között irányítják az adatokat, megkerülve a CPU -t vagy a vezérlőegységet , ezáltal növelve az SoC adatátviteli sebességét . Ez hasonlít a perifériák egyes eszközillesztőire komponens alapú többcsipes modulos PC architektúrákon.

A számítógépes buszok méretezhetősége korlátozott , és csak több tucat magot ( többmagos ) támogat egyetlen chipen. A vezetékek késleltetése nem skálázható a folyamatos miniatürizálás miatt , a rendszer teljesítménye nem skálázódik a csatlakoztatott magok számával, az SoC működési frekvenciájának csökkennie kell minden további mag csatlakoztatásával, hogy az energia fenntartható legyen, és a hosszú vezetékek nagy mennyiségű elektromos energiát fogyasztanak. Ezek a kihívások meggátolják a sokpontú rendszerek chipen történő támogatását .

Hálózat egy chipen

Fő cikk: Hálózat chipen

A 2010- es évek végén megjelent az a tendencia, hogy a SoC-k kommunikációs alrendszereket hajtanak végre a busz-alapú protokollok helyett a hálózathoz hasonló topológiában . A SoC-k több processzormag felé vezető tendenciája miatt az on-chip kommunikáció hatékonysága az egyik kulcsfontosságú tényezővé vált a rendszer általános teljesítményének és költségének meghatározásában. Ez vezetett az összekapcsolási hálózatok megjelenéséhez, amelyek útválasztó -alapú csomagkapcsolóval ismertek, " hálózatok chipen " (NoC) néven, hogy leküzdjék a busz alapú hálózatok szűk keresztmetszeteit .

Networks-on-chip vannak előnyei többek destination- és alkalmazás-specifikus routing , nagyobb hatásfok és kisebb lehetősége busz állítását . A hálózaton alapuló architektúrák olyan kommunikációs protokollokból merítenek inspirációt, mint a TCP és az internetes protokollkészlet a chipen történő kommunikációhoz, bár jellemzően kevesebb hálózati réteggel rendelkeznek . Az optimális hálózati chip- architektúra folyamatos kutatási terület. NOC architektúrák között a hagyományos elosztott számítási hálózati topológiák , mint tórusz , hypercube , hálókat és fa hálózatokban a genetikus algoritmus ütemezési a randomizált algoritmusok , mint bolyongás elágazást és randomizált időt live (TTL).

Sok SoC -kutató a NoC -architektúrákat tartja a SoC -tervezés jövőjének, mert bebizonyosodott, hogy hatékonyan kielégítik a SoC -tervek teljesítmény- és teljesítményigényét. A jelenlegi NoC architektúrák kétdimenziósak. A 2D-s IC tervezés korlátozott alaprajzi lehetőségeket kínál, mivel a magok száma növekszik az SoC - kben , így a háromdimenziós integrált áramkörök (3DIC-k) megjelenésével a SoC-tervezők háromdimenziós on-chip hálózatok kiépítésére törekszenek, 3DNoC-ként.

Tervezési folyamat

Főbb cikkek: Elektronikai tervezési folyamat , Fizikai tervezés (elektronika) és Platform-alapú tervezés
Lásd még: Rendszertervezés és Szoftvertervezési folyamat
SoC tervezési folyamat

A chipen lévő rendszer a hardverből áll , amelyet a § Struktúra szakaszban leírtak , valamint a mikrokontrollert, mikroprocesszort vagy digitális jelfeldolgozó magokat, perifériákat és interfészeket vezérlő szoftverből . Az SoC tervezési folyamata célja ennek a hardvernek és szoftvernek az egyidejű fejlesztése, más néven építészeti társtervezés. A tervezési folyamatnak figyelembe kell vennie az optimalizálásokat ( § Optimalizálási célok ) és a korlátozásokat is.

A legtöbb SoC- t a fentebb leírt hardvereszközök és végrehajtó egységek , együttesen "blokkok" előzetesen minősített hardverkomponens IP-specifikációiból fejlesztették ki , valamint azok működését vezérlő szoftver- illesztőprogramokkal együtt . Különösen fontosak azok a protokollkötegek, amelyek ipari szabványú interfészeket hajtanak végre, mint például az USB . A hardverblokkokat számítógépes tervezőeszközök, különösen elektronikus tervezési automatizálási eszközök segítségével állítják össze ; a szoftvermodulokat szoftverintegrált fejlesztői környezet segítségével integrálják .

A SoC komponenseket gyakran magas szintű programozási nyelveken is megtervezik, mint például a C ++ , a MATLAB vagy a SystemC, és magas szintű szintézis (HLS) eszközökkel, például C-HDL-re vagy HDL-re való áramlással RTL- formátumokká alakítják át . Az "algoritmikus szintézis" -nek nevezett HLS termékek lehetővé teszik a tervezők számára, hogy a C ++ segítségével modellezzék és szintetizálják a rendszer-, áramkör-, szoftver- és ellenőrzési szinteket, egy magas szintű nyelven, amelyet a számítógépes mérnökök általában ismertek, a HDL -ben jellemzően meghatározott időskáláktól független módon. Más komponensek továbbra is szoftverek maradhatnak, és összeállíthatók és beágyazhatók a SoC-ban szereplő lágymagos processzorokba, mint HDL-modulok IP-magként .

Az SoC architektúrájának meghatározása után minden új hardver elemet absztrakt hardverleíró nyelven írnak, amelyet regiszterátviteli szintnek (RTL) neveznek, amely meghatározza az áramkör viselkedését, vagy szintetizálják RTL-be egy magas szintű nyelvből magas szintű szintézis segítségével. Ezeket az elemeket egy hardverleíró nyelven kapcsolják össze a teljes SoC -kialakítás létrehozásához. Az ezen összetevők összekapcsolására és a különböző gyártók által biztosított, esetleg különböző interfészek közötti átalakításra megadott logikát ragasztó logikának nevezzük .

Tervezési ellenőrzés

További információ: Funkcionális ellenőrzés és kijelentkezés (elektronikus tervezési automatizálás)

A chipek félvezető öntödébe küldése előtt ellenőrzik az érvényesítés helyességét . Ezt a folyamatot funkcionális ellenőrzésnek nevezik, és a chip tervezési életciklusában eltöltött idő és energia jelentős részét teszi ki , gyakran 70%-ként. A chipek egyre összetettebbé válásával olyan hardver -ellenőrzési nyelveket használnak , mint a SystemVerilog , SystemC , e és OpenVera . Az ellenőrzési szakaszban talált hibákat jelentik a tervezőnek.

Hagyományosan, a mérnökök foglalkoztatottak szimulációs gyorsulás, emuláció vagy prototípus az újraprogramozható hardver ellenőrizni és hibakeresés hardver és szoftver SoC tervez véglegesítése előtt a tervezés, az úgynevezett kazetta-out . A terepi programozható kapu tömbök (FPGA-k) előnyben részesülnek az SoC-k prototípus-készítésénél, mivel az FPGA-prototípusok átprogramozhatók, lehetővé teszik a hibakeresést és rugalmasabbak, mint az alkalmazás-specifikus integrált áramkörök (ASIC-k).

A nagy kapacitású és gyors összeállítási időnek köszönhetően a szimulációs gyorsítás és emuláció hatékony technológiák, amelyek széles körű láthatóságot biztosítanak a rendszerekben. Mindkét technológia azonban lassan, a MHz nagyságrendben működik, ami lényegesen lassabb - akár 100 -szor lassabb - lehet, mint az SoC működési frekvenciája. A gyorsító és emulációs dobozok is nagyon nagyok és drágák, több mint 1 millió dollár.

Ezzel szemben az FPGA prototípusok közvetlenül az FPGA-kat használják, hogy lehetővé tegyék a mérnökök számára, hogy validálják és teszteljék a rendszer teljes működési frekvenciáját, vagy annak közelében, valós ingerekkel. Olyan eszközöket használnak, mint a Certus, hogy szondákat illesszenek az FPGA RTL -be, amelyek lehetővé teszik a jelek megfigyelését. Ez a hardver-, firmware- és szoftver -interakciók hibakeresésére szolgál több FPGA -n, a logikai elemzőhöz hasonló képességekkel.

Ezzel párhuzamosan a hardver elemeket csoportosítják, és átadják a logikai szintézis folyamatán , amelynek során olyan teljesítménykorlátozásokat alkalmaznak, mint a működési frekvencia és a várható jelkésleltetések. Ez generál egy netlist néven ismert kimenetet, amely leírja a tervezést fizikai áramkörként és annak összekapcsolásait. Ezeket a netlistákat a komponenseket összekötő ragasztó logikával kombinálják, hogy elkészítsék a SoC sematikus leírását, mint áramkört, amelyet ki lehet nyomtatni egy chipre. Ezt a folyamatot nevezik helye és módja , valamint megelőzi szalagos ki abban az esetben, a SoCs termelődnek alkalmazás-specifikus integrált áramkörök (ASIC).

Optimalizálási célok

SoCs kell optimalizálni energia felhasználása , terület die , kommunikáció, elhelyezése a településen a moduláris egységek és egyéb tényezők. Az optimalizálás szükségszerűen a SoC tervezési célja. Ha nem lenne szükség optimalizálásra, a mérnökök több chipes modul architektúrát használnának anélkül, hogy ugyanolyan mértékben figyelembe vennék a terület kihasználtságát, az energiafogyasztást vagy a teljesítményt.

Következnek az optimalizálási célok a SoC tervekhez, mindegyikhez magyarázatokkal. Általánosságban elmondható, hogy ezen mennyiségek bármelyikének optimalizálása nehéz kombinációs optimalizálási probléma lehet, és valóban meglehetősen könnyen NP-kemény . Ezért gyakran bonyolult optimalizálási algoritmusokra van szükség, és bizonyos esetekben célszerű lehet közelítő algoritmusokat vagy heurisztikákat használni . Ezenkívül a legtöbb SoC tervezés egyszerre több változót is tartalmaz az optimalizáláshoz , így a Pareto hatékony megoldásokat keresik az SoC tervezésben. Gyakran ezeknek a mennyiségeknek az optimalizálásával kapcsolatos célok közvetlenül ellentmondanak egymásnak, ami tovább bonyolítja az SoC-k tervezési optimalizálását, és kompromisszumokat vezet be a rendszertervezésben.

A kompromisszumok és a követelmények elemzésének szélesebb körét lásd a követelménytervezésben .

Célok

Energiafelhasználás

Az SoC -k úgy vannak optimalizálva, hogy minimalizálják az SoC funkcióinak ellátásához szükséges elektromos energiát . A legtöbb SoC -nak alacsony energiát kell használnia. Az SoC rendszerek gyakran hosszú akkumulátor -élettartamot igényelnek (például okostelefonok ), potenciálisan hónapokat vagy éveket tölthetnek anélkül, hogy áramforrást kellene fenntartaniuk az autonóm működésnek, és gyakran korlátozott az energiafelhasználásuk, mivel nagyszámú beágyazott SoC kapcsolódik össze egy területen. Ezenkívül az energiaköltségek magasak lehetnek, és az energiatakarékosság csökkenti az SoC teljes tulajdonlási költségét . Végül, a nagy energiafogyasztásból származó hulladékhő károsíthatja az áramkör más alkatrészeit, ha túl sok hő kerül elvezetésre, ami újabb gyakorlati okot ad az energiatakarékosságra. A mennyisége energiát használnak egy áramkörben a szerves a teljesítmény elfogyasztott adott időben, és a átlagos energiafogyasztás a termék a jelenlegi által feszültség . Hasonlóképpen, az Ohm törvénye szerint a teljesítmény az áram négyzetének szorzata az ellenállás vagy a feszültség négyzetével osztva az ellenállással :

Az SoC -ket gyakran beépítik hordozható eszközökbe , például okostelefonokba , GPS -navigációs eszközökbe , digitális órákba (beleértve az okosórákat is ) és netbookokba . Az ügyfelek hosszú akkumulátor -élettartamot szeretnének a mobil számítástechnikai eszközök számára, ami egy másik oka annak, hogy az energiafogyasztást minimálisra kell csökkenteni az SoC -kban. Ezeken az eszközökön gyakran futtatnak multimédiás alkalmazásokat , beleértve a videojátékokat , a video streaminget , a képfeldolgozást ; mindezek számítástechnikai összetettsége az utóbbi években nőtt a felhasználói igényekkel és elvárásokkal a jobb minőségű multimédiával szemben. A számítás sokkal igényesebb, mivel a várakozások a 3D -s videó felé mozdulnak el nagy felbontásban , több szabvány mellett , ezért a multimédiás feladatokat ellátó SoC -knek számítástechnikai képességű platformnak kell lenniük, miközben alacsony a teljesítményük ahhoz, hogy lemerüljenek a szabványos mobil akkumulátorok.

Teljesítmény wattonként

Lásd még: Zöld számítástechnika

Az SoC -kat úgy optimalizáltuk, hogy maximalizálják a wattonkénti teljesítmény hatékonyságát : maximalizálják az SoC teljesítményét, tekintettel az energiafelhasználás költségvetésére. Sok olyan alkalmazás, mint az élszámítás , az elosztott feldolgozás és a környezeti intelligencia , bizonyos szintű számítási teljesítményt igényel , de a legtöbb SoC -környezetben a teljesítmény korlátozott. Az ARM architektúra teljesítménye wattonként nagyobb, mint a beágyazott rendszerekben az x86 , ezért a legtöbb beágyazott processzort igénylő SoC -alkalmazás esetében előnyben részesítik az x86 -tal szemben .

Hulladékhő

Fő cikk: Hőtermelés integrált áramkörökben
Lásd még: Hőkezelés az elektronikában és a termikus tervezési teljesítmény

SoC tervek vannak optimalizálva, hogy minimalizálja a hulladék hő teljesítmény a chip. Mint más integrált áramkörök keletkező hő miatt nagy energiasűrűség a szűk további miniatürizálás alkatrészek. A nagysebességű integrált áramkörök, különösen a mikroprocesszorok és az SoC -k teljesítménysűrűsége rendkívül egyenetlenné vált. A túl sok hulladékhő károsíthatja az áramköröket, és idővel ronthatja az áramkör megbízhatóságát . A magas hőmérséklet és a hőterhelés negatívan befolyásolja a megbízhatóságot, a feszültségvándorlást , a meghibásodások közötti átlagos idő csökkenését , az elektromigrációt , a huzalkötést , a metastabilitást és az

idő múlásával fellépő egyéb teljesítményromlást.

Különösen a legtöbb SoC kicsi fizikai területen vagy térfogatban van, és ezért a hulladékhő hatásai tovább fokozódnak, mivel kevés hely van arra, hogy diffundáljon a rendszerből. Mivel a modern eszközökön a

Moore törvénye miatt nagy a tranzisztorszám , gyakran a gyártási folyamatokból fizikailag megvalósítható az elegendő áteresztőképesség és a nagy tranzisztor -sűrűség , de elfogadhatatlanul nagy mennyiségű hőt eredményezne az áramkör térfogatában.

Ezek a hőhatások arra kényszerítik a SoC -t és más chiptervezőket, hogy konzervatív tervezési margókat alkalmazzanak , és kevésbé hatékony eszközöket hozzanak létre a katasztrofális meghibásodás kockázatának csökkentése érdekében . A növekvő tranzisztor -sűrűség miatt, ahogy a hossz skálák egyre kisebbek, minden folyamatgeneráció nagyobb hőteljesítményt termel, mint az előző. Ezt a problémát összevonva az SoC architektúrák általában heterogének, térben inhomogén hőáramokat hoznak létre , amelyeket nem lehet hatékonyan mérsékelni egységes passzív hűtéssel .

Átviteli sebesség

Az SoC -k optimalizálva vannak a számítási és kommunikációs teljesítmény maximalizálása

érdekében .

Késleltetés

Az SoC -k úgy vannak optimalizálva, hogy minimalizálják a késleltetést egyes vagy összes funkciójuknál. Ezt végezhetjük megállapító elemek megfelelő közelség és településen az egymás minimalizálása az összekapcsolási késések és maximalizálja a sebességet, amellyel az adatok közlése a modulok között, a funkcionális egységek és emlékek. Általánosságban elmondható, hogy a várakozási idő minimalizálása érdekében történő optimalizálás egy NP-teljes probléma, amely egyenértékű a logikai kielégítési problémával .

A processzormagokon futó feladatoknál a késleltetés és az átviteli sebesség javítható a feladatütemezéssel . Néhány feladat azonban alkalmazásspecifikus hardveres egységekben fut, és még a feladatütemezés sem elegendő az összes szoftver alapú feladat optimalizálásához, hogy megfeleljen az időzítési és átviteli korlátoknak.

Módszerek

További információk: Többcélú optimalizálás , Többkritériumú döntési elemzés és Architektúra kompromisszumos elemzés

A chipen lévő rendszereket szabványos hardverellenőrzési és érvényesítési technikákkal modellezik , de további technikákat alkalmaznak a SoC tervezési alternatívák modellezésére és optimalizálására annak érdekében, hogy a rendszer optimális legyen a fenti optimalizálási célokra vonatkozó többkritériumú döntési elemzés tekintetében.

Feladatütemezés

A feladatütemezés fontos tevékenység minden olyan számítógépes rendszerben, amelyben több folyamat vagy szál osztozik egyetlen processzormagon. Fontos, hogy csökkentse § Latency és növeli § áteresztőképesség a beágyazott szoftver fut egy SoC § Processzormagok . A SoC-ban nem minden fontos számítási tevékenységet hajtanak végre chipes processzorokon futó szoftverekben, de az ütemezés drasztikusan javíthatja a szoftver alapú feladatok és más megosztott erőforrásokat igénylő feladatok teljesítményét .

Az SoC -k gyakran ütemezik a feladatokat a hálózati ütemezés és a randomizált ütemezési algoritmusok szerint.

Csővezeték

A téma szélesebb körű ismertetését lásd: Pipeline (számítástechnika) .

A hardver- és szoftverfeladatok gyakran a processzorok tervezésén alapulnak . A csővezeték a

számítógép felépítésének gyorsításának fontos alapelve . Gyakran használják a GPU-kban ( grafikus folyamat ) és a RISC processzorokban (a klasszikus RISC-folyamat fejlődései ), de alkalmazzák az alkalmazás-specifikus feladatokra is, például a digitális jelfeldolgozásra és a multimédiás manipulációkra az SoC-k összefüggésében.

Valószínűségi modellezés

Az SoC -kat gyakran valószínűségi modellek , sorbanállás elmélet § Sorba állítási hálózatok és Markov -láncok segítségével elemzik . Például Little törvénye lehetővé teszi, hogy az SoC állapotokat és a NoC puffereket érkezési folyamatként modellezzék, és Poisson véletlen változókon és Poisson folyamatokon keresztül elemezzék .

Markov láncok

Az SoC -ket gyakran Markov -láncokkal modellezik , diszkrét és folyamatos időváltozatokkal egyaránt. A Markov -lánc modellezés lehetővé teszi a SoC

egyenlő állapotú energia-, hő-, késleltetési és egyéb tényezők eloszlásának aszimptotikus elemzését , hogy lehetővé tegye a tervezési döntések optimalizálását a közös esetre.

Gyártás

További információk: Félvezető eszközök gyártása

SoC chipek jellemzően koholt segítségével fém-oxid-félvezető (MOS) technológiával. A fent leírt netlisták szolgálnak a fizikai tervezés ( hely és útvonal ) alapjául , hogy a tervezők szándékát a SoC tervezésévé alakítsák át. A konverziós folyamat során a konstrukciót statikus időzítő modellezéssel, szimulációval és más eszközökkel elemezzük annak biztosítása érdekében, hogy megfeleljen a megadott működési paramétereknek, mint például a frekvencia, az energiafogyasztás és a disszipáció, a funkcionális integritás (a regiszter átviteli szint kódjában leírtak szerint) és az elektromos sértetlenség.

Amikor az összes ismert hibát kijavították, és ezeket újra ellenőrizték, és minden fizikai tervezési ellenőrzést elvégeztek, a chip minden egyes rétegét leíró fizikai tervfájlokat elküldik az öntödei maszkaboltba, ahol a teljes üveg litográfiai maszk készletét maratják. . Ezeket egy ostyagyártó üzembe küldik, hogy elkészítsék a SoC kockákat a csomagolás és a tesztelés előtt.

Az SoC -k több technológiával is előállíthatók, többek között:

Az ASIC -k kevesebb energiát fogyasztanak és gyorsabbak, mint az FPGA -k, de nem programozhatók át, és drága a gyártásuk. Az FPGA tervek jobban megfelelnek a kisebb volumenű tervekhez, de elegendő termelési egység után az ASIC -k csökkentik a teljes tulajdonlási költséget.

Az SoC tervek kevesebb energiát fogyasztanak, alacsonyabb költséggel és nagyobb megbízhatósággal rendelkeznek, mint az általuk cserélt többcsipes rendszerek. Mivel kevesebb csomag van a rendszerben, az összeszerelési költségek is csökkennek.

Azonban, mint a legtöbb nagyon nagyméretű integrációs (VLSI) konstrukció, a teljes költség magasabb egy nagy chip esetén, mint ugyanazon funkcionalitás esetén, amely több kisebb chipen oszlik meg, az alacsonyabb hozamok és a magasabb egyszeri műszaki költségek miatt.

Ha nem lehetséges SoC -t létrehozni egy adott alkalmazáshoz, akkor egy alternatíva egy csomagban lévő rendszer (SiP), amely számos chipet tartalmaz egy csomagban . Nagy mennyiségben gyártva az SoC költséghatékonyabb, mint a SiP, mivel a csomagolása egyszerűbb. Egy másik ok, amiért a SiP előnyben részesíthető, az lehet, hogy a hulladékhő adott célra túl magas egy SoC -ban, mivel a funkcionális komponensek túl közel vannak egymáshoz, és egy SiP -ben a hő jobban eloszlik a különböző funkcionális modulokból, mivel fizikailag távolabb vannak egymástól.

Referenciaértékek

Az SoC kutatás és fejlesztés gyakran sok lehetőséget hasonlít össze. Az ilyen értékelések elősegítésére referenciaértékeket, például a COSMIC -t fejlesztettek ki.

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

További irodalom

Külső linkek