Hệ thống trên chip là một chip nhỏ với tất cả các thành phần và mạch điện tử cần thiết. Trong tài liệu tiếng Anh, thuật ngữ SoC (system-on-a-chip) được sử dụng. Hệ thống trong thiết bị phát hiện âm thanh có thể bao gồm bộ ADC, bộ thu âm thanh, bộ nhớ, bộ vi xử lý và điều khiển logic I / O của người dùng trên một chip.
Trong y học, một hệ thống SoC dựa trên robot nano có thể hoạt động như các kháng thể có thể lập trình để trì hoãn các đợt ốm sớm. Thiết bị video dựa trên chip có thể giúp người mù bằng cách cho phép họ nhận một hình ảnh và thiết bị âm thanh SoC có thể khiến người khiếm thính nghe thấy. Hệ thống trên chip đang phát triển cùng với các công nghệ khác như SOI (silicon trên chất cách điện).
Định nghĩa các thuật ngữ
Hệ thống SoC kết hợp các mạch điện tử cần thiết của các thành phần máy tính khác nhau trên một chip (IC) tích hợp duy nhất. SoC là một hệ thống điện tử chất nền hoàn chỉnh có thể chứa tín hiệu tương tự,các chức năng kỹ thuật số, hỗn hợp hoặc RF. Các thành phần của nó thường bao gồm đơn vị xử lý đồ họa (GPU), đơn vị xử lý trung tâm (CPU), có thể là đa lõi và bộ nhớ hệ thống (RAM).
Vì hệ thống trên chip bao gồm cả phần cứng và phần mềm, nó tiêu thụ ít năng lượng hơn, có hiệu suất tốt hơn, yêu cầu ít dung lượng hơn và đáng tin cậy hơn so với hệ thống nhiều chip. Hầu hết các chip hệ thống đều có trong các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng ngày nay.
Hệ thống trên chip được thiết kế đặc biệt để đáp ứng các tiêu chuẩn để kết hợp mạch điện tử cần thiết của nhiều thành phần máy tính vào một chip tích hợp duy nhất. Thay vì một hệ thống lắp ráp nhiều chip và thành phần vào một PCB, một SoC tạo ra tất cả các mạch cần thiết trong một thiết bị duy nhất.
Những thách thứcSoC bao gồm chi phí tạo mẫu cao hơn, kiến trúc và gỡ lỗi phức tạp hơn. IC không hiệu quả về chi phí. Tuy nhiên, điều này có thể thay đổi khi công nghệ tiến bộ.
Các thông số vi mạch bắt buộc
Hệ thống trên chip SoC là những thiết bị rất phức tạp. Ví dụ: hệ thống trên chip Snapdragon 600 của Qualcomm là SoC được sử dụng trong điện thoại thông minh Samsung Galaxy cũ.
Mọi người muốn có thể sử dụng điện thoại thông minh của mình để lướt Internet, nghe nhạc, xem video, sử dụng định vị GPS, chụp ảnh và quay phim, chơi game, truy cập mạng xã hội. Tất cả các tính năng nàykhông chỉ được cung cấp bộ vi xử lý tốt mà còn được trang bị chip đồ họa System on Chip SoC mạnh mẽ, chipset Bluetooth không dây nhanh và hỗ trợ kết nối mạng 4G. Tất cả điều này sẽ hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng ít nhất.
Giải pháp là thu nhỏ mọi thứ có thể cài đặt được. Các thiết bị phải được nén chặt nhất có thể và đặt nhỏ gọn trên một bề mặt nhỏ hơn. Hệ quả của điều này là công suất xử lý cao hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Đây chính xác là những gì SoC cung cấp.
Thiết kế hệ thống trên chip
Về mặt khái niệm, có ba cấp độ chiến lược thiết kế cho các chip chức năng. Mức đầu tiên là đối xứng của nhóm điểm. Nó chỉ ra sự hiện diện hay vắng mặt của một phản ứng vật lý nhất định và tính dị hướng của tinh thể. Do đó, nó có thể được sử dụng để tìm kiếm và che chắn các tinh thể chức năng mới.
Đối xứng nhóm điểm là một yêu cầu cần thiết, nhưng không phải là điều kiện đủ cho một tinh thể chức năng. Để hệ thống SNK trên chip thể hiện một đặc tính cụ thể, nó phải được bổ sung bởi cấp độ thứ hai của chiến lược thiết kế - cấu trúc nhóm không gian hoặc đối xứng.
Cuối cùng, để nâng cao hoặc tối ưu hóa phản ứng, có cấp độ thứ ba của chiến lược thiết kế kỹ thuật phân tử bao gồm việc tinh chỉnh cấu trúc điện tử hoặc từ tính của các khối cấu tạo của nguyên tử, phân tử và cụm tinh thể.
Thành phầnthiết bị di động
Một hệ thống SoC trên chip có thể có nhiều yếu tố khác nhau, tùy thuộc vào mục đích của nó. Vì phần lớn các SoC được sử dụng trên điện thoại thông minh, chúng tôi cung cấp danh sách các thành phần phổ biến nhất của các thiết bị đó:
- CPU là lõi bên trong SoC. Đây là bộ phận chịu trách nhiệm đưa ra hầu hết các tính toán và quyết định. Nó nhận đầu vào từ các thành phần phần cứng và phần mềm khác và cung cấp các phản hồi đầu ra thích hợp. Nếu không có CPU, sẽ không có SoC. Hầu hết các bộ vi xử lý ngày nay đều có hai, bốn hoặc tám lõi bên trong.
- GPU - rút gọn cho mô-đun xử lý đồ họa. Nó còn được gọi là chip video. GPU chịu trách nhiệm cho trò chơi 3D cũng như các chuyển đổi hình ảnh gọn gàng có thể nhìn thấy trong giao diện của bất kỳ thiết bị nào sử dụng hệ thống chip đơn.
- Bộ nhớ RAM - tất cả các thiết bị máy tính đều cần bộ nhớ để hoạt động. Để có thể chạy các ứng dụng và dữ liệu phần mềm, bạn phải sử dụng chúng. Để làm được điều này, hệ thống trên chip phải có RAM.
- ROM - Mọi thiết bị đều phải có bộ nhớ ROM để lưu trữ phần mềm như chương trình cơ sở hoặc hệ điều hành mà nó chạy.
- Modem - điện thoại thông minh sẽ không phải là điện thoại nếu nó không thể kết nối với mạng vô tuyến. Các mô-đun chăm sóc kết nối mạng hoặc di động.
Ngoài CPU và bộ nhớ, các SoC khác có thể bao gồm các giao diện PCIe được thiết kế chokết nối bộ thu phát vô tuyến, giao diện SATA hoặc thiết bị USB.
Thiết kế chip
Hệ thống trên chip phải có khối bộ nhớ bán dẫn để thực hiện các phép tính của chúng. Tùy thuộc vào ứng dụng của SoC, bộ nhớ có thể tạo thành một hệ thống phân cấp bộ nhớ và bộ đệm. Điều này phổ biến trong thị trường máy tính di động, nhưng không bắt buộc trong nhiều bộ vi điều khiển nhúng công suất thấp.
Công nghệ bộ nhớ cho SoC bao gồm bộ nhớ chỉ đọc (ROM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM), ROM lập trình có thể xóa bằng điện (EEPROM) và bộ nhớ flash. Cũng như các hệ thống máy tính khác, RAM có thể được chia thành RAM tĩnh (SRAM) tương đối nhanh hơn nhưng đắt hơn và RAM động (DRAM) chậm hơn nhưng rẻ hơn như hệ thống trên chip trong hình trong bài viết này.
Giao diện bên ngoài
SoC bao gồm các giao diện bên ngoài, thường dành cho các giao thức truyền thông. Chúng thường dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp như USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C, v.v. Các giao thức mạng không dây như Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN và giao tiếp trường gần cũng có thể được hỗ trợ.
Nếu được yêu cầu, các SoC bao gồm các giao diện tương tự để xử lý tín hiệu. Chúng có thể tương tác với nhiều loại cảm biến hoặc thiết bị truyền động khác nhau, bao gồm cả bộ chuyển đổi thông minh. Họ cũng có thể liên hệ cụ thểcác ứng dụng mô-đun hoặc bên trong SoC, chẳng hạn, nếu một cảm biến tương tự được tích hợp vào SoC và các số đọc của nó phải được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số để xử lý toán học.
Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số
Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) thường được bao gồm trong các hệ thống trên chip. Chúng thực hiện xử lý tín hiệu hoạt động cho các cảm biến, bộ truyền động, thu thập dữ liệu, phân tích dữ liệu và xử lý đa phương tiện. Các lõi DSP thường có từ lệnh rất dài (VLIW) và kiến trúc tập lệnh đơn hướng, vì vậy chúng có thể khai thác song song.
Các lõi4DSP thường chứa các hướng dẫn dành riêng cho ứng dụng và là bộ xử lý của bộ hướng dẫn dành riêng cho ứng dụng ASIP. Các hướng dẫn như vậy tương ứng với các đơn vị chức năng chuyên biệt.
Các hướng dẫn DSP điển hình bao gồm tích lũy nhiều lần, biến đổi Fourier nhanh, nhân trơn và tích chập. Cũng như các hệ thống máy tính khác, SoC yêu cầu nguồn xung nhịp để tạo tín hiệu xung nhịp, kiểm soát việc thực thi các chức năng và cung cấp ngữ cảnh thời gian cho các ứng dụng xử lý tín hiệu nếu cần.
Nguồn thời gian phổ biến là bộ dao động tinh thể và các vòng khóa pha. SoC cũng bao gồm bộ điều chỉnh điện áp và mạch quản lý nguồn.
Sự khác biệt giữa SoC và CPU
Ngày xưa, nhiều người nghĩ rằng CPU được cách ly hoàn toàn với màn hình. Bây giờ nhiều người hiểu rằng CPU chỉ là một phần nhỏ,và máy tính được tạo thành từ nhiều bộ phận.
Hệ thống trên chip là một bảng mạch điện tử tích hợp tất cả các thành phần cần thiết trong máy tính và các hệ thống điện tử khác. Chúng bao gồm GPU, CPU, bộ nhớ, mạch quản lý nguồn, bộ điều khiển USB, radio không dây, v.v. Các thành phần này được hàn trên bo mạch chủ, khác với các máy tính thông thường, các bộ phận của chúng có thể được thay thế bất cứ lúc nào.
Bạn có thể nói rằng một hệ thống trên chip (SoC) là điều xảy ra khi Vector từ Despicable Me sử dụng "nén chùm" trên một máy tính chính thức. Với sức mạnh thu nhỏ, Hệ thống trên một con chip là một máy tính chức năng đã được nén để phù hợp với một con chip silicon duy nhất.
Nơi sử dụng chip
SoC thường nhỏ và không chiếm nhiều không gian bên trong thiết bị điện tử, lý tưởng cho các thiết bị nhỏ hơn. Nó kết hợp nhiều bộ phận khác nhau trên một con chip, có nghĩa là nhà sản xuất của nó không phải tốn thời gian, tiền bạc và tài nguyên để lắp đặt các bộ phận vật lý quan trọng và xây dựng các mạch dài, do đó có nghĩa là sản xuất và chi phí thấp hơn. Các hệ thống trên chip hiệu quả hơn nhiều so với các hệ thống có các thành phần riêng lẻ chuyên dụng như máy tính để bàn hoặc máy tính xách tay. SoC có thể chạy bằng pin trong thời gian dài hơn.
Phương pháp tiếp cận truyền thống đối với thiết bị điện tử là tạo ra các hệ thống chạy trên từng cá nhâncác bộ phận độc lập. Ví dụ như máy tính và máy tính xách tay. Tuy nhiên, sự thu nhỏ liên tục của mọi thứ xung quanh có nghĩa là chúng ngày càng dựa vào các hệ thống nhỏ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn trên một con chip. Điện thoại thông minh, máy tính bảng và thậm chí cả các thiết bị IoT (Internet of Things) đang chứng minh rằng các hệ thống trên chip là một phần quan trọng trong tương lai của tất cả các thiết bị điện tử.
Thiết bị Intel Pentium N3710
Pentium N3710 là hệ thống 64-bit lõi tứ trên chip được thiết kế bởi Intel và được giới thiệu vào đầu năm 2015 với tên gọi 3710. Dựa trên vi kiến trúc Airmont. Con chip này hoạt động ở tốc độ 1.6GHz với chế độ lên đến 2.57GHz. SoC bao gồm GPU HD Graphics 405 có 16 đơn vị thực thi và chạy ở 400 MHz
N3710 chi tiết kiến trúc hệ thống trên chip:
- Nhà thiết kế - Intel.
- Nhà sản xuất - Intel.
- Số hiệu - N3710.
- Part number - FH8066501715927
- Phạm vi - di động.
- Số phát hành - Tháng 3 năm 2015
- Pentium N3000 series.
- Tần số - 1600 MHz.
- Tốc độ - 2567 MHz (1 lõi).
- Loại bus - IDI CPUID 406C4.
- Vi kiến trúc - Airmont.
- Tên chính là Braswell.
- Công nghệ - CMOS.
- Kích thước từ - 64-bit.
- Bộ xử lý tối đa - bộ xử lý đơn.
- Bộ nhớ tối đa là 8 G.
- PP nhiệt độ 0 C - 90 C.
- Tích hợpThông tin đồ họa GPU - Đồ họa HD 405.
- Tần số tối đa là 700 MHz.
Ưu điểm của hệ thống chip
Mục đích chính của việc sử dụng SOC trong thiết kế bao gồm các bước hình thành lợi ích của thiết bị:
- SOC có kích thước nhỏ nhưng bao gồm nhiều tính năng.
- Linh hoạt. Xét về kích thước chip, sức mạnh và yếu tố hình thức, những hệ thống này rất khó bị các thiết bị khác đánh bại.
- Tiết kiệm chi phí, đặc biệt đối với các ứng dụng SoC cụ thể như mã video.
- Hệ thống trên chip là vô số. Đối với các sản phẩm công suất cao, chúng đơn giản hóa việc bảo vệ tài nguyên và chi phí kỹ thuật.
Tuy nhiên, một thiết bị xuất sắc như vậy có nhược điểm của nó:
- Đầu tư thời gian lớn. Quá trình thiết kế SoC có thể mất từ 6 đến 12 tháng.
- Tài nguyên có hạn.
- Nếu đang phát triển một sản phẩm số lượng thấp, thì thiết bị cao cấp sẽ được yêu cầu. Có thể tốt hơn nếu sử dụng phần cứng của bên thứ ba, dành thời gian và tài nguyên cho phần mềm ứng dụng.
Hệ thống trên chip có nhược điểm lớn là chúng không thể thích ứng được. Nói cách khác, chúng không thể được nâng cấp. Một hệ thống trên chip thường chết giống như khi nó được tạo ra. Không có gì thay đổi trong nó trong suốt thời gian sử dụng. Nếu có gì đó bị hỏng bên trong thiết bị, thì chỉ bộ phận đó không thể được sửa chữa hoặc thay đổi. Phải thay thế toàn bộ SoC.
Các nhà sản xuất lớn nhấtchip di động
Chúng tôi cung cấp tổng quan ngắn gọn về các hệ thống trên chip từ các nhà sản xuất lớn: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA và Broadcom. Qualcomm, NVIDIA và MediaTek sản xuất và bán các SoC di động chủ yếu cho các công ty phần cứng để sử dụng trong các thiết bị do họ sản xuất. Broadcom sản xuất SoC được sử dụng trong bộ định tuyến và thiết bị mạng, Samsung và Huawei không chỉ sản xuất SoC mà còn là hai công ty lớn nhất trên thế giới sử dụng chúng.
Bạn không thể nói hệ thống nào trên chip là tốt nhất. Việc thiết kế và phát triển các hệ thống trên một con chip đang di chuyển nhanh đến mức vào thời điểm so sánh, tùy chọn này đã lỗi thời. Tuy nhiên, người ta phải nhớ rằng SoC tốt nhất có thể không phải là tốt nhất cho bộ vi xử lý hoặc truyền không dây nhanh nhất.
