Система на кристалле (SoC): компактный размер, мощные возможности

Что такое SoC?

SoC (система на кристалле) - это тип продукта на интегральных схемах, разработанный для определенной цели, который объединяет полную систему, включая как аппаратное обеспечение, так и встроенное программное обеспечение. он представляет собой одну из самых передовых и сложных на сегодняшний день полупроводниковых технологий . Он объединяет всю электронную систему , включая процессоры, память, периферийные устройства и встроенное программное обеспечение, на одном кремниевом чипе. Являясь "мозгом" устройств таких как смартфоны и компьютеры, технология SoC обеспечивает высокую производительность при минимальном размере и энергопотреблении.

SoC на сегодняшний день можно считать самым сложным и передовым технологическим решением для производства чипов высокого класса.

Микросхема SoC является основной и наиболее важной микросхемой в таких устройствах, как смартфоны и компьютеры. Смартфоны, пожалуй, являются наиболее часто используемыми потребительскими продуктами, содержащими SoC. "Процессор", который часто называют мозгом телефона, представляет собой разновидность SoC. Некоторые популярные SoC для смартфонов включают Snapdragon 8 Gen 1 от Qualcomm, Kirin 9000 от Huawei и Dimensity 9000 от MediaTek. Эти SoC интегрируют различные функциональные блоки, такие как CPU (центральный процессор), GPU (графический процессор), NPU (блок нейронной обработки), ISP (процессор обработки сигналов изображения), а также основные полосы частот связи и хранилище, все это объединено на одном чипе, образуя целостную систему.

Проще говоря, SoC - это микросхема, которая объединяет множество функций, таких как центральный процессор, графический процессор, память и дисплей, в единый корпус. Каким бы маленьким он ни был, он содержит все жизненно важные компоненты.

Высокая степень интеграции: сокращается потребность в дополнительных модулях

Как видно, SOC обладают высокой степенью интеграции, что снижает потребность во внешних модулях и схемах. Это выгодно для сокращения циклов разработки и снижения затрат на разработку. Современные конструкции процессоров, особенно в компьютерах, также переходят к моделям SoC, при этом некоторые процессоры интегрируют память, Wi-Fi и другие функции, что позволяет создавать компьютеры меньшего размера и компактнее.

В качестве примера можно привести смартфон Kirin 9000 от Huawei, который объединяет ядро Cortex, серию графических процессоров Mali, базовую полосу частот 5G и другие функции. Использование ядер Cortex является обычным явлением в конструкциях многих мобильных SoC. Это подчеркивает возможность повторного использования IP-ядер в конструкциях SoC. В случае Kirin 9000 он использует четыре ядра Cortex-A77 и четыре ядра Cortex-A75, что является типичной особенностью SoC, которые могут использовать несколько IP-ядер.

Кроме того, на производительность SoC в первую очередь влияют производительность одноядерного процессора, производительность многоядерного процессора и возможности графического процессора. Для многоядерных процессоров архитектура является ключом к производительности: X2≈ X1 > A78 > A77 > A76 > A75 > A73 > A55 / A53 (та же архитектура, более высокая частота = более высокая производительность; та же частота, четырехъядерный процессор мощнее двухъядерного).

Классификация и проектирование SoC

SOC для смартфонов обычно считаются высококлассными. Напротив, существуют SOC более низкого и среднего уровня. SOC младшего уровня можно рассматривать как ядра MCU в сочетании с определенными функциональными периферийными устройствами. Например, TI разрабатывает SOC Bluetooth с использованием ядра 8051, такого как CC2541 (с соответствующим продуктом E104-BT01) или CC2640 (с соответствующим продуктом E72-2G4M05S1B), в котором используется ядро Cortex-M3.

Следующая упрощенная структурная схема CC2541 показывает, что SoC включает в себя ядро 8051, управление памятью и другие периферийные устройства, с функцией Bluetooth RF в качестве основной функции. Различные SOC разработаны специально для разных доменов.

Процесс проектирования SoC

Проектирование SoC требует одновременного проектирования как аппаратного, так и программного обеспечения. На основе требований к проектированию проводится имитационное моделирование, а функции распределяются между программным и аппаратным обеспечением. Затем аппаратное и программное обеспечение совместно завершают проектирование, которое тестируется и отправляется в производство. Ниже представлен процесс проектирования SoC:

Процесс проектирования SoC:

1. Определение требований；

2. Имитация и моделирование；

3. Разделение аппаратно-программного обеспечения；

4. Проверка конструкции；

5. Производство и тестирование。

Расширенные примеры SoC

Примером высокопроизводительной SoC является Kirin 990 от Huawei HiSilicon, который является одним из самых передовых процессорных чипов для смартфонов, доступных в настоящее время. Он объединяет 8-ядерный процессор, 16-ядерный графический процессор и 3-ядерный NPU для задач нейросетевого искусственного интеллекта, а также модули для высокоскоростного управления флэш-памятью, обработки изображений, аудио / видео и многого другого. По сравнению с Kirin 980, Kirin 990 также включает в себя модуль 5G.

Проектирование таких передовых SOC включает в себя очень сложные процессы, требующие передовых технологий для изготовления модулей CPU, GPU и NPU. Производство этих высокопроизводительных SOC обходится дорого из-за сложности их конструкции и производственных процессов, а также из-за низкой производительности. Например, в Kirin 990 используется 7-нм производственный процесс TSMC, который включает более 4000 этапов. Стоимость одних только фотолитографических масок может превышать миллионы долларов, а общая стоимость разработки может достигать сотен миллионов долларов, что объясняет высокую стоимость этих чипов.

SIP (Система в пакете) против SoC

Помимо SoC, также распространена концепция SIP (система в упаковке). SIP - это упаковочная технология, объединяющая несколько функциональных модулей, которые также могут использоваться внешне или независимо. Ключевое различие между SoC и SIP заключается в том, что SoC представляет собой единый интегрированный чип, изначально спроектированный как целостная система, в то время как SIP предполагает объединение нескольких различных функциональных модулей в единый пакет.

Примером SIP является ASR6505, который объединяет ядро STM8 (STM8L152) и радиопередатчик LoRa (SX1262) в одном корпусе, выступая в качестве набора микросхем беспроводной связи общего назначения LoRa. ASR6505 имеет контакты как для STM8, так и для SX1262, с внутренними подключенными контактами для связи, такими как SPI, DIO и BUSY, и внешними контактами для других функций, таких как кварцевые генераторы и UART / I2C для дальнейшего развития.

Состояние развития отечественной SoC

В настоящее время ведущими производителями высокопроизводительных SoC-чипов являются Apple, Samsung и Huawei. Процессоры Huawei серии HiSilicon Kirin разработаны собственными силами Huawei и конкурируют с процессорами Apple серии A, Snapdragon от Qualcomm и Samsung Exynos. Однако из-за санкций TSMC больше не производит чипы для Huawei.

После упадка Huawei Unisoc (ранее Spreadtrum) превратилась в ведущего отечественного производителя SoC в Китае. Unisoc добилась значительного прогресса в секторе Интернета вещей. Согласно недавнему отчету Counterpoint, Unisoc захватила 26,8% мирового рынка чипов сотовой связи IoT в третьем квартале 2021 года, заняв второе место и даже превзойдя Qualcomm в сегменте рынка чипов LTE Cat.1, став мировым лидером.

Другие известные китайские производители SoC включают Rockchip, Amlogic, Sunplus и Espressif, которые добились успехов в производстве SOC потребительского уровня, особенно в мультимедийных и коммуникационных функциях. Однако базовые архитектуры по-прежнему зависят от международных разработок, таких как ARM и x86, а путь развития SoC внутри страны остается сложным из-за сохраняющейся геополитической напряженности и санкций.

SOC - важнейшая технология для современной электронной промышленности, обеспечивающая высокую интеграцию и эффективность в малом форм-факторе. От смартфонов до устройств интернета вещей SOC позволяют разрабатывать сложные системы, снижая при этом затраты и сложность. Однако разработка высокопроизводительных SOC требует передовых технологий и значительных инвестиций в исследования и разработки. С учетом растущего внимания к разработке отечественных чипов будущее SoC в Китае выглядит многообещающим, хотя сохраняются проблемы с точки зрения глобальной конкуренции и технологической самодостаточности.