ระบบบนชิปเป็นชิปขนาดเล็กที่มีส่วนประกอบและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นทั้งหมด ในวรรณคดีอังกฤษ ใช้คำว่า SoC (system-on-a-chip) ระบบในอุปกรณ์ตรวจจับเสียงอาจรวมถึง ADC, เครื่องรับเสียง, หน่วยความจำ, ไมโครโปรเซสเซอร์ และการควบคุมลอจิก I/O ของผู้ใช้บนชิปตัวเดียว
ในทางการแพทย์ ระบบ SoC ที่ใช้หุ่นยนต์นาโนสามารถทำหน้าที่เป็นแอนติบอดีที่ตั้งโปรแกรมได้เพื่อชะลอการเจ็บป่วยในระยะแรก อุปกรณ์วิดีโอที่ใช้ชิปช่วยคนตาบอดโดยอนุญาตให้พวกเขารับภาพ และอุปกรณ์เสียง SoC สามารถทำให้คนหูหนวกได้ยิน ระบบบนชิปกำลังพัฒนาไปพร้อมกับเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น SOI (ซิลิคอนบนฉนวน)
คำจำกัดความของข้อกำหนด
ระบบ SoC รวมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นของส่วนประกอบคอมพิวเตอร์ต่างๆ ไว้ในชิปรวม (IC) ตัวเดียว SoC เป็นระบบอิเล็กทรอนิกส์ของซับสเตรตแบบสมบูรณ์ที่สามารถประกอบด้วยแอนะล็อกฟังก์ชันดิจิตอล ผสม หรือ RF ส่วนประกอบโดยทั่วไปประกอบด้วยหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) ซึ่งสามารถเป็นแบบมัลติคอร์และหน่วยความจำระบบ (RAM)
เพราะว่า system-on-a-chip มีทั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ มันกินไฟน้อยกว่า มีประสิทธิภาพที่ดีกว่า ใช้พื้นที่น้อยกว่า และมีความน่าเชื่อถือมากกว่าระบบมัลติชิป ชิประบบส่วนใหญ่รวมอยู่ในอุปกรณ์พกพาเช่นสมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตในปัจจุบัน
System-on-a-Chip ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานสำหรับการรวมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่จำเป็นของส่วนประกอบคอมพิวเตอร์จำนวนมากเข้าในชิปรวมตัวเดียว แทนที่จะเป็นระบบที่ประกอบชิปและส่วนประกอบหลายตัวบน PCB SoC จะสร้างวงจรที่จำเป็นทั้งหมดในอุปกรณ์เครื่องเดียว
SoC ความท้าทายรวมถึงต้นทุนการสร้างต้นแบบที่สูงขึ้น สถาปัตยกรรม และการดีบักที่ซับซ้อนมากขึ้น ไอซีไม่คุ้มทุน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อาจเปลี่ยนแปลงได้ตามความก้าวหน้าของเทคโนโลยี
พารามิเตอร์ไมโครชิปที่จำเป็น
ระบบบน Chip SoC เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมาก ตัวอย่างเช่น ระบบบนชิป Snapdragon 600 ของ Qualcomm คือ SoC ที่ใช้ในสมาร์ทโฟน Samsung Galaxy รุ่นเก่า
ผู้คนต้องการใช้สมาร์ทโฟนเพื่อท่องอินเทอร์เน็ต ฟังเพลง ดูวิดีโอ ใช้ระบบนำทาง GPS ถ่ายภาพและวิดีโอ เล่นเกม เข้าถึงโซเชียลเน็ตเวิร์ก คุณสมบัติทั้งหมดนี้ไม่เพียงแต่มีโปรเซสเซอร์ที่ดีเท่านั้น แต่ยังมีชิปกราฟิก System on Chip SoC อันทรงพลัง ชิปเซ็ต Bluetooth ไร้สายที่รวดเร็ว และรองรับการเชื่อมต่อกับเครือข่าย 4G ทั้งหมดนี้ควรทำงานโดยใช้พลังงานน้อยที่สุด
วิธีแก้ไขคือย่อทุกอย่างที่สามารถติดตั้งได้ อุปกรณ์ควรถูกบีบอัดให้มากที่สุดและวางไว้บนพื้นผิวที่เล็กกว่า ผลที่ตามมาคือพลังการประมวลผลที่สูงขึ้นและการใช้พลังงานที่ลดลง นี่คือสิ่งที่ SoC นำเสนอ
ออกแบบระบบบนชิป
ตามแนวคิด กลยุทธ์การออกแบบสำหรับชิปที่ใช้งานได้มีสามระดับ ระดับแรกคือความสมมาตรของกลุ่มจุด มันกำหนดว่ามีหรือไม่มีการตอบสนองทางกายภาพและ anisotropy ของคริสตัล ดังนั้นจึงสามารถใช้เพื่อค้นหาและป้องกันคริสตัลที่ใช้งานได้ใหม่
ความสมมาตรของกลุ่มจุดเป็นข้อกำหนดที่จำเป็น แต่ไม่เพียงพอสำหรับคริสตัลที่ใช้งานได้ เพื่อให้ระบบ SNK บนชิปแสดงคุณสมบัติเฉพาะ จะต้องเสริมด้วยกลยุทธ์การออกแบบระดับที่สอง-โครงสร้างกลุ่มพื้นที่หรือสมมาตร
สุดท้าย เพื่อปรับปรุงหรือเพิ่มประสิทธิภาพการตอบสนอง มีระดับที่สามของกลยุทธ์การออกแบบทางวิศวกรรมระดับโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับการปรับแต่งโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์หรือแม่เหล็กของหน่วยการสร้างของอะตอม โมเลกุล และคลัสเตอร์คริสตัล
ส่วนประกอบอุปกรณ์มือถือ
ระบบ SoC บนชิปสามารถมีองค์ประกอบต่างๆ ได้ ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ เนื่องจาก SoC ส่วนใหญ่ใช้บนสมาร์ทโฟน เราขอเสนอรายการส่วนประกอบที่พบบ่อยที่สุดของอุปกรณ์ดังกล่าว:
- CPU เป็นแกนหลักใน SoC นี่เป็นส่วนที่รับผิดชอบในการคำนวณและตัดสินใจส่วนใหญ่ รับอินพุตจากส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์อื่นๆ และให้การตอบสนองเอาต์พุตที่เหมาะสม ถ้าไม่มี CPU ก็ไม่มี SoC โปรเซสเซอร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันมี 2, 4 หรือ 8 cores
- GPU - ย่อสำหรับโมดูลการประมวลผลกราฟิก เรียกอีกอย่างว่าชิปวิดีโอ GPU มีหน้าที่ในการเล่นเกม 3 มิติ เช่นเดียวกับการเปลี่ยนภาพที่มองเห็นได้ในอินเทอร์เฟซของอุปกรณ์ใดๆ ก็ตามที่ใช้ระบบชิปเดียว
- RAM หน่วยความจำ - อุปกรณ์คอมพิวเตอร์ทั้งหมดต้องการหน่วยความจำในการทำงาน เพื่อให้สามารถรันแอพพลิเคชั่นและข้อมูลซอฟต์แวร์ได้ คุณต้องใช้พวกมัน ในการดำเนินการนี้ ระบบบนชิปต้องมี RAM
- ROM - อุปกรณ์ใดๆ ต้องมีหน่วยความจำ ROM เพื่อจัดเก็บซอฟต์แวร์ เช่น เฟิร์มแวร์หรือระบบปฏิบัติการที่รันอยู่
- Modem - สมาร์ทโฟนจะไม่ใช่โทรศัพท์หากไม่สามารถเชื่อมต่อกับเครือข่ายวิทยุ โมเด็มดูแลเครือข่ายหรือการเชื่อมต่อมือถือ
นอกเหนือจาก CPU และหน่วยความจำแล้ว SoC อื่นๆ อาจรวมถึงอินเทอร์เฟซ PCIe ที่ออกแบบมาสำหรับการเชื่อมต่อเครื่องรับส่งสัญญาณวิทยุ อินเทอร์เฟซ SATA หรืออุปกรณ์ USB
ออกแบบชิป
ระบบบนชิปต้องมีบล็อกหน่วยความจำเซมิคอนดักเตอร์เพื่อทำการคำนวณ หน่วยความจำสามารถสร้างลำดับชั้นของหน่วยความจำและแคชทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันของ SoC นี่เป็นเรื่องปกติในตลาดคอมพิวเตอร์มือถือ แต่ไม่จำเป็นในไมโครคอนโทรลเลอร์แบบฝังที่ใช้พลังงานต่ำจำนวนมาก
เทคโนโลยีหน่วยความจำสำหรับ SoC รวมถึงหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) หน่วยความจำเข้าถึงโดยสุ่ม (RAM) ROM ที่ตั้งโปรแกรมได้แบบลบด้วยไฟฟ้า (EEPROM) และหน่วยความจำแฟลช เช่นเดียวกับระบบคอมพิวเตอร์อื่นๆ RAM สามารถแบ่งออกเป็น RAM แบบคงที่ (SRAM) ที่ค่อนข้างเร็วแต่มีราคาแพงกว่า และ RAM แบบไดนามิก (DRAM) ที่ช้ากว่าแต่ถูกกว่า เช่น ระบบบนชิปที่แสดงในบทความนี้
อินเทอร์เฟซภายนอก
SoCs มีอินเทอร์เฟซภายนอก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วสำหรับโปรโตคอลการสื่อสาร มักจะอิงตามมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C และอื่นๆ โปรโตคอลเครือข่ายไร้สาย เช่น Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN และการสื่อสารระยะใกล้อาจได้รับการสนับสนุนเช่นกัน
หากจำเป็น SoC จะรวมอินเทอร์เฟซแบบแอนะล็อกสำหรับการประมวลผลสัญญาณ พวกเขาสามารถโต้ตอบกับเซ็นเซอร์หรือแอคทูเอเตอร์ประเภทต่างๆ รวมถึงตัวแปลงอัจฉริยะ พวกเขายังอาจติดต่อเฉพาะแอปพลิเคชันโมดูลหรืออยู่ภายใน SoC ตัวอย่างเช่น หากเซ็นเซอร์อะนาล็อกถูกสร้างขึ้นใน SoC และการอ่านค่านั้นจะต้องแปลงเป็นสัญญาณดิจิทัลสำหรับการประมวลผลทางคณิตศาสตร์
โปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิตอล
ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล (DSP) มักจะรวมอยู่ในระบบบนชิป พวกเขาดำเนินการประมวลผลสัญญาณการทำงานสำหรับเซ็นเซอร์ แอคทูเอเตอร์ การเก็บข้อมูล การวิเคราะห์ข้อมูล และการประมวลผลมัลติมีเดีย โดยทั่วไปแล้ว คอร์ DSP จะมีคำคำสั่งที่ยาวมาก (VLIW) และสถาปัตยกรรมชุดคำสั่งแบบทิศทางเดียว ดังนั้นพวกมันจึงคล้อยตามการใช้ประโยชน์จากการขนานกัน
4DSP คอร์ส่วนใหญ่มักจะมีคำสั่งเฉพาะแอปพลิเคชันและเป็นโปรเซสเซอร์ของชุดคู่มือเฉพาะแอปพลิเคชัน ASIP คำแนะนำดังกล่าวสอดคล้องกับหน่วยการทำงานเฉพาะทาง
คำสั่ง DSP ทั่วไปประกอบด้วยการสะสมหลายตัว การแปลงฟูริเยร์อย่างรวดเร็ว การคูณอย่างราบรื่น และการบิด เช่นเดียวกับระบบคอมพิวเตอร์อื่นๆ SoC ต้องใช้แหล่งสัญญาณนาฬิกาเพื่อสร้างสัญญาณนาฬิกา ควบคุมการทำงานของฟังก์ชัน และจัดเตรียมบริบทเกี่ยวกับเวลาสำหรับแอปพลิเคชันประมวลผลสัญญาณหากจำเป็น
แหล่งเวลายอดนิยมคือคริสตัลออสซิลเลเตอร์และเฟสล็อกลูป SoCs ยังรวมถึงตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าและวงจรการจัดการพลังงาน
ความแตกต่างระหว่าง SoC และ CPU
กาลครั้งหนึ่ง หลายคนคิดว่า CPU ถูกแยกออกจากจอภาพโดยสิ้นเชิง ตอนนี้หลายคนเข้าใจว่า CPU เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆและคอมพิวเตอร์ประกอบด้วยหลายส่วน
ระบบบนชิปคือแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่รวมส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดในคอมพิวเตอร์และระบบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ซึ่งรวมถึง GPU, CPU, หน่วยความจำ, วงจรการจัดการพลังงาน, คอนโทรลเลอร์ USB, วิทยุไร้สาย และอื่นๆ ส่วนประกอบเหล่านี้ถูกบัดกรีบนเมนบอร์ด ซึ่งแตกต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไป โดยสามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนได้ตลอดเวลา
คุณสามารถพูดได้ว่าระบบบนชิป (SoC) คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อ Vector จาก Despicable Me ใช้ "การบีบอัดบีม" บนคอมพิวเตอร์ที่เต็มเปี่ยม ด้วยพลังของการย่อขนาด System on a Chip เป็นคอมพิวเตอร์ที่ใช้งานได้ซึ่งถูกบีบอัดให้พอดีกับชิปซิลิคอนตัวเดียว
ใช้ชิปที่ไหน
SoC มักจะมีขนาดเล็กและไม่ใช้พื้นที่มากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็ก มันรวมส่วนต่าง ๆ มากมายไว้ในชิปตัวเดียว ซึ่งหมายความว่าผู้ผลิตไม่ต้องเสียเวลา เงิน และทรัพยากรในการวางชิ้นส่วนทางกายภาพที่สำคัญและสร้างวงจรยาว ซึ่งหมายถึงการผลิตและต้นทุนที่ต่ำลง ระบบบนชิปมีประสิทธิภาพมากกว่าระบบที่มีส่วนประกอบเฉพาะ เช่น เดสก์ท็อปพีซีหรือแล็ปท็อป SoC สามารถใช้แบตเตอรี่ได้นานขึ้น
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบดั้งเดิมคือการสร้างระบบที่ทำงานบนตัวบุคคลชิ้นส่วนที่เป็นอิสระ ตัวอย่างคือคอมพิวเตอร์และแล็ปท็อป อย่างไรก็ตาม การย่อขนาดให้เล็กลงอย่างต่อเนื่องของทุกสิ่งรอบตัวหมายความว่าพวกเขาพึ่งพาระบบที่เล็กกว่าและประหยัดพลังงานมากขึ้นบนชิปมากขึ้น สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต และแม้แต่อุปกรณ์ IoT (Internet of Things) กำลังพิสูจน์ว่าระบบบนชิปเป็นส่วนสำคัญในอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด
อุปกรณ์ Intel Pentium N3710
Pentium N3710 เป็นระบบบนชิปแบบ quad-core 64 บิตที่ออกแบบโดย Intel และเปิดตัวในต้นปี 2015 ด้วยหมายเลขชิ้นส่วน 3710 อ้างอิงจาก Airmont microarchitecture ชิปนี้ทำงานที่ 1.6GHz พร้อมโหมดสูงสุด 2.57GHz SoC รวม HD Graphics 405 GPU ซึ่งมี 16 หน่วยการประมวลผลและทำงานที่ 400 MHz
N3710 รายละเอียดสถาปัตยกรรมบนชิประบบ:
- ดีไซเนอร์ - Intel
- ผู้ผลิต - Intel.
- หมายเลขรุ่น - N3710.
- หมายเลขชิ้นส่วน - FH8066501715927
- ขอบเขต - มือถือ
- ฉบับ - มีนาคม 2558
- ชุด Pentium N3000
- ความถี่ - 1600 MHz.
- ความเร็ว - 2567 MHz (1 คอร์).
- ประเภทรถบัส - IDI CPUID 406C4.
- ไมโครสถาปัตยกรรม – Airmont.
- ชื่อหลักคือบราสเวลล์
- เทคโนโลยี - CMOS.
- ขนาดคำ - 64-บิต.
- โปรเซสเซอร์สูงสุด - โปรเซสเซอร์เดียว
- หน่วยความจำสูงสุดคือ 8 G.
- อุณหภูมิ PP 0 C - 90 C.
- บูรณาการข้อมูลกราฟิก GPU - กราฟิก HD 405.
- ความถี่สูงสุดคือ 700 MHz.
ข้อดีของระบบชิป
วัตถุประสงค์หลักของการใช้ SOC ในการออกแบบเกี่ยวข้องกับขั้นตอนที่สร้างประโยชน์ของอุปกรณ์:
- SOC มีขนาดเล็กแต่มีคุณสมบัติมากมาย
- ความยืดหยุ่น ในแง่ของขนาดชิป กำลังและฟอร์มแฟคเตอร์ ระบบเหล่านี้ไม่สามารถเอาชนะอุปกรณ์อื่นๆ ได้
- ประสิทธิภาพด้านต้นทุน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชัน SoC เฉพาะ เช่น รหัสวิดีโอ
- ระบบบนชิปนับไม่ถ้วน สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความจุสูง จะลดความซับซ้อนของการปกป้องทรัพยากรและต้นทุนด้านวิศวกรรม
อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ที่ยอดเยี่ยมดังกล่าวมีข้อเสีย:
- ลงทุนครั้งใหญ่ ขั้นตอนการออกแบบ SoC อาจใช้เวลาตั้งแต่ 6 ถึง 12 เดือน
- ทรัพยากรมีจำกัด
- หากผลิตภัณฑ์ปริมาณน้อยกำลังได้รับการพัฒนา อุปกรณ์ระดับไฮเอนด์จะต้อง มันอาจจะดีกว่าถ้าใช้ฮาร์ดแวร์ของบริษัทอื่น ใช้เวลาและทรัพยากรกับซอฟต์แวร์แอปพลิเคชัน
ระบบบนชิปมีข้อเสียอย่างใหญ่หลวงที่ไม่สามารถปรับเปลี่ยนได้เลย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือไม่สามารถอัพเกรดได้ ระบบบนชิปมักจะตายแบบเดียวกับที่สร้างขึ้น ไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงตลอดอายุการใช้งาน หากมีสิ่งใดแตกหักภายในเครื่องมือ เฉพาะส่วนนั้นเท่านั้นที่ไม่สามารถซ่อมแซมหรือเปลี่ยนแปลงได้ ต้องเปลี่ยน SoC ทั้งหมด
ผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดชิปมือถือ
เราขอเสนอภาพรวมคร่าวๆ ของระบบบนชิปจากผู้ผลิตรายใหญ่: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA และ Broadcom Qualcomm, NVIDIA และ MediaTek ผลิตและจำหน่าย SoC สำหรับอุปกรณ์พกพาเป็นหลักสำหรับบริษัทฮาร์ดแวร์เพื่อใช้ในอุปกรณ์ที่ผลิต Broadcom ผลิต SoC ที่ใช้ในเราเตอร์และอุปกรณ์เครือข่าย และ Samsung และ Huawei ไม่เพียงแต่ผลิต SoC แต่ยังเป็นบริษัทที่ใหญ่ที่สุดในโลก 2 แห่งที่ใช้งานร่วมกัน
คุณบอกไม่ได้ว่าระบบใดบนชิปดีที่สุด การออกแบบและพัฒนาระบบบนชิปมีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วจนเมื่อเปรียบเทียบ ตัวเลือกนี้จะล้าสมัยไปแล้ว อย่างไรก็ตาม เราต้องจำไว้ว่า SoC ที่ดีที่สุดอาจไม่ดีที่สุดสำหรับโปรเซสเซอร์หรือการถ่ายโอนแบบไร้สายที่เร็วที่สุด
