Система на кристалле - что это

Опубликовано 12.12.2012 Ведущий Филипп Болгов

В последнее время довольно часто можно услышать об однокристалльных схемах, системах на кристалле, чипах нового поколения и т.д. Давайте разберемся, о чем же идёт речь.
Система на кристалле (однокристальная система) — в микроэлектронике — электронная схема, выполняющая функции целого устройства (например, компьютера) и размещенная на одной интегральной схеме. В англоязычной литературе она называется System-on-a-Chip или сокращённо SoC.
Появление подобных интегральных схем вызвано тем, что современные требования к функциональности электронных устройств с каждым годом повышаются, а сроки внедрения в производство сокращаются. Разработка изделия с новым уровнем функциональности на базе микроконтроллеров или сигнальных процессоров требует значительных ресурсов и команды квалифицированных системотехников и, как следствие, разработчики часто не успевают за требованиями рынка.
Встраиваемая микропроцессорная система на базе SoC уже содержит необходимые для конечного устройства интерфейсы (например, USB, Ethernet, LCD, SD card) и аналогична по своей функциональности одноплатному промышленному компьютеру, но при этом обладает размерами микросхемы, расширенным температурным диапазоном и при этом приемлемой ценой.
В зависимости от назначения системы, она может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона.
Если разместить все необходимые цепи на одном полупроводниковом кристалле не удается, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус (System in a package, SiP), однако SoC считается более выгодной конструкцией, так как позволяет увеличить процент годных устройств при изготовлении и упростить конструкцию корпуса.
Типичная SoC содержит: один или несколько микроконтроллеров, микропроцессоров или ядер цифровой обработки сигналов (DSP), банк памяти, состоящий из модулей ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ или флэш, источники опорной частоты, например, кварцевые резонаторы и схемы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты), таймеры, счетчики, цепи задержки после включения, блоки, реализующие стандартные интерфейсы для подключения внешних устройств: USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, а также блоки цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, регуляторы напряжения и стабилизаторы питания.
В программируемые SOC часто входят также блоки программируемых логических матриц - ПЛИС; а в программируемые аналого-цифровые SOC - еще и программируемые аналоговые блоки.


Блоки могут быть соединены с помощью шины собственной разработки или стандартной конструкции, например AMBA в чипах компании ARM. Если в составе чипа есть контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), то с его помощью можно заносить данные с большой скоростью из внешних устройств напрямую в память чипа, минуя процессорное ядро.
Системы-на-кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной большой и сложной системы на кристалле оказывается более дорогим процессом, чем серии из маленьких, из-за сложности разработки и отладки и снижения процента выхода годных изделий, однако при массовом производстве и этот недостаток становится не столь заметным.
На сегодняшний день все ведущие производители электронных компонентов выпускают разнообразные модели SoC. Основным полем боя и гонкой вооружений сейчас является сегмент мобильных устройств со сверхнизким энергопотреблением и архитектурой ARM. Основные игроки на данном рынке это - TI, NVidia, Qualcomm, Samsung, а также Intel, но не с ARM архитектурой, а со своей собственной, основанной на x86 архитектуре (Intel Atom).
Компания Apple в своих продуктах также использует чипы SoC, также основанные на ARM ядре, но запрограммированные несколько иным образом.
Чипы для данных устройств содержат в себе процессорные ядра с архитектурой ARM, встроенное видео-ядро и драйвер дисплея, сетевой контроллёр, I/O, контроллер памяти, модуль GSM\EVDO\HSDPA\3G\Wi-Fi & etc, GPS модули, сопроцессоры и другие устройства. В итоге получается практически полностью самостоятельная «система на чипе». Благодаря такой компактной компоновке "всё в одном", значительно снижается цена на готовое устройство, улучается теплоотвод, появляется возможность замены устройства как исполнительного блока при поломке.
Актуальность разработки и проектирования систем-на-кристалле возрастает с каждым днем, поскольку количество транзисторов на кристалле увеличивается огромными темпами, и стоимость разработки подобных систем растет очень сильно. Сейчас это целое направление: инструменты моделирования, проектирования и программирования таких систем. Степень программируемости компонентов и блоков, составляющих SoC, может отличаться от классических универсальных микропроцессоров и классических DSP-чипов (цифровых процессоров обработки сигналов). В универсальных CPU и DSP-чипах степень программируемости может быть достаточно широкой, но за это нужно платить большим потреблением энергии, меньшей производительностью, большей площадью кристалла. В итоге универсальное кремниевое решение может быть менее эффективным по сравнению с непрограммируемым «железным» решением, ориентированным на решение конкретной задачи (такое непрограммируемое решение называется ASIC, Application Specific Integrated Circiut). Но ASIC невозможно использовать для других приложений. Поэтому задача построения промежуточного решения, которое имеет ограниченные возможности по программированию (например, ориентировано на приложения определенного класса), но при этом имеющего показатели эффективности значительно лучше, чем CPU или DSP и решающее задачи из этого же класса приложений, является актуальной сегодня проблемой, в особенности — для современных мобильных платформ.