Systém na kryštáli: zariadenie, vývoj systému, princíp činnosti, vlastnosti, výhody a nevýhody aplikácie

Kryštálový systém je malý čip so všetkými potrebnými elektronickými komponentmi a obvodmi. V anglickom jazyku sa používa termín SoC (system-on-a-chip). Systém v zariadení na detekciu zvuku môže obsahovať ADC, zvukový prijímač, pamäť, mikroprocesor a logické riadenie vstupu /výstupu užívateľa na jednom čipu. V medicíne systém SoC, založený na nano-robotoch, môže pôsobiť ako programovateľné protilátky na odloženie skorej anémie. Zariadenia založené na čipoch môžu pomôcť nevidiacim ľuďom, ktoré im umožňujú zachytiť obrázky, a zvukové zariadenia SoC môžu počuť nepočujúcich ľudí. Kryštálový systém sa vyvíja spolu s ďalšími technológiami, ako je SOI (kremík na izolátore).


Vymedzenie pojmov

Systém SoC kombinuje potrebné elektronické obvody rôznych komponentov počítača na jedinom integrovanom čipu (IC). SoC je kompletný elektronický substrátový systém, ktorý môže obsahovať analógové, digitálne, zmiešané alebo rádiofrekvenčné funkcie. Jeho komponenty zvyčajne zahŕňajú GPU, CPU, ktoré môžu byť viacjadrové a systémová pamäť (RAM). Keďže kryštálový systém obsahuje hardvér aj softvér, spotrebuje menej energie, lepší výkon, menej priestoru a spoľahlivejšie ako multičipové systémy. Väčšina systémových čipov je teraz súčasťou mobilných zariadení, ako napríkladsmartphonov a tabletov. Systém na čipe špeciálne navrhnutý tak, aby spĺňal požiadavky štandardov požadovaných elektronických obvodov patrí mnoho počítačových komponentov integrované na jednom čipe. Namiesto toho, aby systém, ktorý združuje niekoľko obvodov a komponentov na PCB, SoC vytvára všetky potrebné okruhy v jednom prístroji.


Target SoC patrí vyššie náklady na výrobu prototypov, architektúra a ťažšie ladenie. Integrované obvody nie sú nákladovo efektívne. To sa však môže zmeniť s rozvojom technológie.

Požadované parametre mikročipu

System on Chip (SoC - veľmi zložitý prístroj Napríklad systém Snapdragon 600 od spoločnosti Qualcomm na čipe. -. Tento SoC, ktorý bol použitý v starom smartphone Samsung Galaxy Ľudia chcú mať možnosť používať svoje smartphony na internete, počúvať hudbu, sledovať videá využitie GPS navigácie, vytváranie fotografií a videa, hry, prístup k sociálnym sieťam. Všetky tieto funkcie sú poskytované nielen dobrý procesor, ale aj výkonný grafický čip systému na čipe (SoC, rýchle bezdrôtové čipovej sady Bluetooth, podpora pre pripojenie k 4G sietí. Sun Je to by mal fungovať s najnižšou spotrebou energie. Riešenie spočíva v miniaturizácie všetko, čo môže byť inštalovaný. Zariadenie musí byť maximálne stlačená a sú sústredené na menšiu plochu. Výsledkom je vyšší výpočtový výkon a nižšiu spotrebu energie. To je presne to, čo ponúka SoC.

Projektovanie systémov na krištáľu

Koncepčne existujeTri úrovne dizajnovej stratégie funkčných kryštálov. Prvá úroveň je symetria bodovej skupiny. Diktuje prítomnosť alebo neprítomnosť určitej fyzickej reakcie a anizotropie kryštálu. Následne sa môže použiť na hľadanie a ochranu nových funkčných kryštálov.
Symetria bodovej skupiny je nevyhnutnou požiadavkou, ale nie je dostatočnou podmienkou funkčného kryštálu. Aby systém kryštálov RNA vykazoval špecifickú vlastnosť, musí byť doplnený o druhú úroveň stratégie návrhu - štruktúru alebo symetriu priestorovej skupiny. Nakoniec, aby sa zlepšila alebo optimalizovala odpoveď, existuje tretia úroveň stratégie molekulárneho inžinierstva, ktorá zahŕňa jemné ladenie elektronických alebo magnetických štruktúr stavebných kameňov atómov, molekúl a kryštálových zhlukov.

Komponenty mobilných zariadení

Systém na kryštáli SoC môže mať rôzne prvky v závislosti od jeho účelu. Pretože veľká väčšina SoCs sa používa na smartphonoch, ponúkame zoznam najbežnejších komponentov týchto zariadení:
  • CPU je jadro v SoC. Táto časť je zodpovedná za väčšinu výpočtov a rozhodnutí. Prijíma vstupy z iných hardvérových komponentov a softvéru a poskytuje príslušné výstupné odpovede. Žiaden procesor by nebol SoC. Väčšina procesorov má dnes dve, štyri alebo osem jadier.
  • Grafický procesor - skrátený pre grafický modul spracovania. Tiež sa nazýva video čip. GPU reagujepre 3D hry, rovnako ako pre čisté vizuálne prechody, ktoré možno vidieť na rozhraní akéhokoľvek zariadenia pomocou jediného kryštálového systému.
  • Pamäť RAM - Všetky výpočtové zariadenia vyžadujú pamäť. Aby ste mohli spustiť aplikácie a softvérové ​​dáta, musíte ich použiť. K tomu by mal mať systém na čip RAM.
  • ROM - Každé zariadenie musí mať pamäť ROM na ukladanie softvéru, ako je firmvér alebo operačný systém, v ktorom je v prevádzke.
  • Modem - smartphone nebude telefón, ak sa nemôže pripojiť k rádiovým sieťam. Modemy sa starajú o sieťovú alebo celulárnu konektivitu.
  • Okrem procesora a pamäte môžu iné SoCs obsahovať rozhranie PCIe pre pripojenie rádiových vysielačov, rozhrania SATA alebo zariadení USB.

    Návrh čipov

    Systémy na kryštáli by mali mať polovodičové pamäťové bloky na vykonanie ich výpočtov. V závislosti od použitia SoC môže pamäť tvoriť pamäťovú hierarchiu a vyrovnávaciu pamäť. Na trhu s mobilnými počítačmi je to bežný jav, ale v mnohých zabudovaných mikrokontroléroch s nízkym výkonom to nie je potrebné. Pamäťové technológie SoC zahŕňajú trvalé pamäťové zariadenie (ROM), operačné pamäťové zariadenie (RAM), elektricky vyčistené programovateľné ROM (EEPROM) a flash pamäť. Rovnako ako ostatné počítačové systémy, RAM môže byť rozdelená na pomerne rýchle, ale drahšie statické RAM (SRAM) a pomalšie, ale lacnejšieDynamický systém RAM (DRAM) na kryštáli, ktorého fotografia je uvedená v našom článku.

    Externé rozhrania

    SoCs zahŕňajú externé rozhrania, zvyčajne pre komunikačné protokoly. Často sú založené na priemyselných štandardoch, ako napríklad USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C a ďalšie. Bezdrôtové sieťové protokoly ako Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN a blízke pole môžu byť tiež podporované. V prípade potreby SoC obsahujú analógové rozhrania na spracovanie signálu. Môžu spolupracovať s rôznymi typmi snímačov alebo ovládačov, vrátane inteligentných prevodníkov. Môžu taktiež komunikovať so špecifickými aplikačnými modulmi alebo byť interne SoC, napríklad ak je analógový senzor zabudovaný do SoC a jeho dôkaz musí byť premenený na digitálne signály pre matematické spracovanie.

    Digitálne signálne procesory

    Digitálne signálové procesory (DSP) sú často zahrnuté do systému na kryštáli. Vykonávajú operácie spracovania signálov pre snímače, pohony, získavanie dát, analýzu dát a multimediálne spracovanie. DSP jadrá majú zvyčajne veľmi dlhé príkazové slovo (VLIW) a jednosmernú architektúru množín inštrukcií, takže podliehajú paralelnosti. 4DSP jadrá často obsahujú pokyny pre špecifické aplikácie a sú súbory inštrukcií procesora pre špecifické aplikácie ASIP. Takéto pokyny zodpovedajú špecializovaným funkčným zariadeniam.
    Typické pokyny DSP zahŕňajú viacnásobnú akumuláciu, rýchlu Fourierovu transformáciu, hladké násobenie a konvoluciu. Rovnako akoV iných počítačových systémoch SoCs vyžadujú zdroje synchronizácie na generovanie hodinových signálov, vykonávanie riadiacich funkcií a v prípade potreby poskytujú dočasný kontext aplikácií na spracovanie signálu. Populárnymi zdrojmi času sú kremenné oscilátory a slučky z fázovej synchronizácie. SoC tiež obsahuje regulátory napätia a silové obvody.

    Rozdiel medzi SoC a CPU

    Dlho sa mnohí domnievali, že procesor bol úplne izolovaný od monitora. Teraz si mnohí uvedomujú, že CPU je len malá časť a počítač sa skladá z mnohých častí. Systém na čipu je elektronická doska s plošnými spojmi, ktorá kombinuje všetky potrebné súčasti počítača a iných elektronických systémov. Zahŕňajú grafický procesor, CPU, pamäť, schému správy napájania, ovládač USB, bezdrôtové rádiové prijímače a ďalšie. Tieto komponenty sú spájané na základnej doske, ktorá sa líši od bežných počítačov, ktorých súčasti je možné kedykoľvek nahradiť. Dá sa povedať, že systém na čip (SoC) je to, čo sa stane, keď Vector z Despicable Me používa "kompresiu lúča" na plnohodnotnom počítači. Vďaka schopnosti miniaturizácie je systém na čipu funkčný počítač, ktorý bol komprimovaný na inštaláciu na jeden kremíkový čip.

    Kde sa používajú čipy

    SoC je spravidla malý a nevytvára veľa priestoru vo vnútri elektronického zariadenia, čo je ideálne riešenie pre malé zariadenia. Spája mnoho rôznych častí na jednomčip, to znamená, že jeho výrobca nemusí strácať čas, peniaze a zdroje na položenie veľkých fyzických častí a vytváranie dlhých reťazcov, čo zase znamená nižšiu produkciu a náklady. Systémy na čipu sú oveľa efektívnejšie ako špeciálne komponenty, ako je stolný počítač alebo prenosný počítač. SoC môže bežať na batériách dlhšie. Tradičné prístupy k elektronike súvisiace s vytváraním systémov pracujúcich v samostatných nezávislých častiach. Príklady zahŕňajú počítače a notebooky. Konštantná miniaturizácia všetkých vecí znamená, že sa čoraz viac spoliehajú na menšie, energeticky úspornejšie čipsety. Inteligentné telefóny, tablety a dokonca aj zariadenia IoT (Internet of Things) dokazujú, že systémy na čipoch sú dôležitou súčasťou budúcnosti celej elektroniky.

    Intel Pentium N3710

    Pentium N3710 je 64-bitový štvorjadrový čipový systém vyvinutý spoločnosťou Intel a uvedený na začiatku roka 2015 pod číslom 3710. Vyrobený na základe mikroarchitektúry Airmont. Tento čip beží na frekvencii 16 GHz s režimom do 257 GHz. SoC obsahuje grafický procesor HD Graphics 405, ktorý má 16 spustiteľných súborov a pracuje na frekvencii 400 MHz. Podrobnosti o architektúre systému na čipu n3710:
  • Designer - Intel.
  • Výrobca - Intel.
  • Číslo modelu je N3710.
  • ​​
  • Objednávacie číslo - FH8066501715927
  • Rozsah - mobilný.
  • Vydanie - marec 2015
  • Pentium Series N3000.
  • Frekvencia - 1600 MHz.
  • Frekvencia otáčania je 2567 MHz (1 jadro).
  • Typ zbernice - IDI CPUID406C4.
  • Mikroarchitektúra - Airmont.
  • Hlavným menom je Braswell.
  • Technológia - CMOS.
  • Veľkosť slova je 64-bitová.
  • Maximálne procesory - jeden procesor. Maximálna pamäť - 8 G.
  • Teplota PP 0 C - 90 C.
  • Integrované grafické informácie GPU - HD Graphics 405.
  • frekvencia je 700 MHz.

    Výhody čipových systémov

    Hlavným účelom použitia pri navrhovaní SOC sú kroky, ktoré ovplyvňujú výhody zariadenia:
  • Veľkosť SOC je malá, ale obsahuje mnoho funkcií.
  • Flexibilita. Z hľadiska veľkosti čipu, výkonu a tvarového faktora sú takéto systémy veľmi ťažké prekonať iné zariadenia.
  • Efektívnosť nákladov, najmä pre konkrétne aplikácie SoC, ako je kódovanie videa.
  • Systém na čipoch je nespočetný. Pri veľkoobjemových produktoch zjednodušujú ochranu zdrojov a náklady na technické riešenia.
  • V takom veľkom prístroji sú však nevýhody:
  • Veľké dočasné náklady. Proces dizajnu SoC môže trvať od 6 do 12 mesiacov.
  • Obmedzené zdroje.
  • Ak sa výrobok s malým objemom vyvíja, vyžaduje sa vysoko kvalitné zariadenie. Možno je lepšie používať hardvér iného výrobcu, tráviť čas a zdroje pre aplikačný softvér.
  • Chipové systémy majú veľkú nevýhodu, že ich nemožno vôbec prispôsobiť. Inými slovami, nemôžu byť upgradované. Čipový systém zvyčajne zomiera rovnako ako bol vytvorený. Počas celého obdobia nič nemeníservice. Ak prístroj zlomí niečo vnútri, nie je možné túto časť opraviť alebo meniť. Musíte nahradiť celý SoC.

    Najväčší výrobcovia mobilných čipov

    ponúka stručný prehľad systémov na čipe z najväčších výrobcov: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA a Broadcom. Spoločnosti Qualcomm, NVIDIA a MediaTek vyrábajú a predávajú väčšinou mobilné telefóny SoC pre hardvérové ​​spoločnosti, ktoré ich používajú vo svojich zariadeniach. Broadcom produkuje SoC, ktoré sa používajú v routerov a sieťových zariadení, zatiaľ čo Samsung a Huawei nielen vytvárať SoC, ale sú dve najväčšie spoločnosti na svete v ich použití. Nie je možné povedať, ktorý systém na čip je lepší. Návrh a vývoj systémov na čipe sa pohybuje tak rýchlo, že by možnosť porovnania času bude už zastarané. Treba však mať na pamäti, že najlepšie SoC nemusí byť najlepšie pre procesory alebo najrýchlejší bezdrôtový prenos.

    Súvisiace publikácie