سیستم روی تراشه یک تراشه کوچک با تمام قطعات و مدارهای الکترونیکی لازم است. در ادبیات انگلیسی از اصطلاح SoC (سیستم روی یک تراشه) استفاده می شود. سیستم موجود در دستگاه تشخیص صدا ممکن است شامل یک ADC، یک گیرنده صوتی، یک حافظه، یک ریزپردازنده، و یک کنترل منطقی I/O کاربر روی یک تراشه باشد.
در پزشکی، یک سیستم SoC مبتنی بر نانو ربات ها می تواند به عنوان آنتی بادی قابل برنامه ریزی برای به تاخیر انداختن بیماری های اولیه عمل کند. دستگاه‌های ویدیویی مبتنی بر تراشه می‌توانند با اجازه دادن به افراد نابینا برای دریافت تصویر به آنها کمک کنند و دستگاه‌های صوتی SoC می‌توانند افراد ناشنوا را بشنوند. سیستم روی یک تراشه همراه با فناوری‌های دیگری مانند SOI (سیلیکون روی عایق) در حال تکامل است.
تعریف اصطلاحات
سیستم SoC مدارهای الکترونیکی مورد نیاز اجزای مختلف رایانه را بر روی یک تراشه یکپارچه (IC) ترکیب می کند. SoC یک سیستم الکترونیکی زیرلایه کامل است که می تواند حاوی آنالوگ باشد،توابع دیجیتال، مختلط یا RF. اجزای آن معمولاً شامل یک واحد پردازش گرافیکی (GPU)، یک واحد پردازش مرکزی (CPU) که می‌تواند چند هسته‌ای باشد و حافظه سیستم (RAM) است.
از آنجایی که سیستم روی تراشه شامل سخت افزار و نرم افزار می شود، انرژی کمتری مصرف می کند، عملکرد بهتری دارد، فضای کمتری نیاز دارد و از سیستم های چند تراشه ای قابل اعتمادتر است. امروزه اکثر تراشه‌های سیستم در دستگاه‌های تلفن همراه مانند تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها گنجانده شده‌اند.
سیستم روی یک تراشه به طور خاص برای مطابقت با استانداردهای ترکیب مدارهای الکترونیکی مورد نیاز از اجزای کامپیوتری متعدد بر روی یک تراشه یکپارچه طراحی شده است. به جای سیستمی که چندین تراشه و مؤلفه را روی یک PCB مونتاژ می‌کند، یک SoC تمام مدارهای لازم را در یک دستگاه ایجاد می‌کند.
چالش های SoC شامل هزینه های بالاتر نمونه سازی، معماری و اشکال زدایی پیچیده تر است. آی سی ها مقرون به صرفه نیستند. با این حال، این ممکن است با پیشرفت تکنولوژی تغییر کند.
پارامترهای ریزتراشه مورد نیاز
System on Chip SoC ها دستگاه های بسیار پیچیده ای هستند. به عنوان مثال، سیستم روی یک چیپ اسنپدراگون 600 کوالکام، SoC است که در تلفن هوشمند قدیمی سامسونگ گلکسی استفاده می‌شد.
مردم می خواهند بتوانند از تلفن های هوشمند خود برای گشت و گذار در اینترنت، گوش دادن به موسیقی، تماشای فیلم، استفاده از مسیریابی GPS، گرفتن عکس و فیلم، بازی کردن، دسترسی به شبکه های اجتماعی استفاده کنند. همه این ویژگی هانه تنها با یک پردازنده خوب، بلکه با تراشه گرافیکی قدرتمند System on Chip SoC، چیپست بلوتوث بی سیم سریع و پشتیبانی از اتصال به شبکه های 4G ارائه می شوند. همه اینها باید با کمترین مصرف انرژی کار کنند.
راه حل این است که همه چیزهایی را که می توان نصب کرد کوچک کنید. دستگاه ها باید تا حد امکان فشرده شده و به صورت فشرده روی سطح کوچکتری قرار گیرند. نتیجه این امر قدرت پردازش بالاتر و مصرف انرژی کمتر است. این دقیقاً همان چیزی است که SoC ارائه می دهد.
طراحی سیستم روی تراشه
از لحاظ مفهومی، سه سطح استراتژی طراحی برای تراشه های کاربردی وجود دارد. سطح اول تقارن گروه نقطه است. وجود یا عدم وجود یک پاسخ فیزیکی خاص و ناهمسانگردی کریستال را دیکته می کند. بنابراین، می توان از آن برای جستجو و محافظت از کریستال های کاربردی جدید استفاده کرد.
تقارن گروه نقطه یک نیاز ضروری است، اما شرط کافی برای یک کریستال کاربردی نیست. برای اینکه یک سیستم روی یک تراشه SNK ویژگی خاصی را به نمایش بگذارد، باید با سطح دوم استراتژی طراحی تکمیل شود - ساختار گروه فضایی یا تقارن.
در نهایت، برای افزایش یا بهینه سازی پاسخ، سطح سومی از استراتژی طراحی مهندسی مولکولی وجود دارد که شامل تنظیم دقیق ساختارهای الکترونیکی یا مغناطیسی بلوک‌های ساختمانی اتم‌ها، مولکول‌ها و خوشه‌های کریستالی است.
اجزاءدستگاه های تلفن همراه
یک سیستم SoC روی یک تراشه بسته به هدفش می تواند عناصر مختلفی داشته باشد. از آنجایی که اکثر SoC ها در تلفن های هوشمند استفاده می شوند، ما لیستی از رایج ترین اجزای این دستگاه ها را ارائه می دهیم:
- CPU هسته درون SoC است. این قسمتی است که بیشتر محاسبات و تصمیمات را بر عهده دارد. ورودی را از سایر قطعات سخت افزاری و نرم افزار دریافت می کند و پاسخ های خروجی مناسبی را ارائه می دهد. بدون CPU، SoC وجود نخواهد داشت. اکثر پردازنده‌های امروزی دو، چهار یا هشت هسته دارند.
- GPU - برای ماژول پردازش گرافیکی کوتاه شده است. به آن تراشه ویدیویی نیز می گویند. GPU مسئول بازی های سه بعدی و همچنین انتقال های بصری منظمی است که در رابط هر دستگاه با استفاده از یک سیستم تک تراشه قابل مشاهده است.
- حافظه RAM - همه دستگاه های محاسباتی برای کار به حافظه نیاز دارند. برای اینکه بتوانید برنامه ها و داده های نرم افزاری را اجرا کنید، باید از آنها استفاده کنید. برای انجام این کار، سیستم روی یک تراشه باید دارای RAM باشد.
- ROM - هر دستگاهی برای ذخیره نرم افزارهایی مانند سیستم عامل یا سیستم عاملی که روی آن اجرا می شود باید حافظه ROM داشته باشد.
- مودم - یک گوشی هوشمند اگر نتواند به شبکه های رادیویی متصل شود، تلفن نخواهد بود. مودم ها از شبکه یا اتصال سلولی مراقبت می کنند.
علاوه بر CPU و حافظه، سایر SoCها ممکن است دارای رابط های PCIe باشند که برایاتصال گیرنده های رادیویی، رابط های SATA، یا دستگاه های USB.
طراحی تراشه
سیستم های روی یک تراشه باید دارای بلوک های حافظه نیمه هادی برای انجام محاسبات خود باشند. بسته به کاربرد SoC، حافظه می تواند سلسله مراتبی از حافظه و حافظه پنهان را تشکیل دهد. این در بازار محاسبات موبایل رایج است، اما در بسیاری از میکروکنترلرهای تعبیه شده کم مصرف مورد نیاز نیست.
فناوری‌های حافظه برای SoCها عبارتند از: حافظه فقط خواندنی (ROM)، حافظه دسترسی تصادفی (RAM)، رام قابل برنامه‌ریزی با قابلیت پاک کردن الکتریکی (EEPROM) و حافظه فلش. مانند سایر سیستم‌های کامپیوتری، RAM را می‌توان به رم استاتیک (SRAM) نسبتاً سریع‌تر اما گران‌تر و رم دینامیک (DRAM) کندتر اما ارزان‌تر مانند سیستم روی یک تراشه که در تصویر در این مقاله نشان داده شده است، تقسیم کرد.
رابط های خارجی
SoCها شامل رابط‌های خارجی هستند، معمولاً برای پروتکل‌های ارتباطی. آنها اغلب بر اساس استانداردهای صنعتی مانند USB، FireWire، Ethernet، USART، SPI، HDMI، I2C و غیره هستند. پروتکل‌های شبکه بی‌سیم مانند Wi-Fi، بلوتوث، 6LoWPAN، و ارتباطات میدانی نزدیک نیز ممکن است پشتیبانی شوند.
در صورت نیاز، SoCها دارای رابط های آنالوگ برای پردازش سیگنال هستند. آنها می توانند با انواع مختلفی از حسگرها یا محرک ها از جمله مبدل های هوشمند تعامل داشته باشند. آنها همچنین ممکن است با خاص تماس بگیرندبرای مثال، اگر یک حسگر آنالوگ در SoC تعبیه شده باشد و خوانش آن باید به سیگنال های دیجیتال برای پردازش ریاضی تبدیل شود، یا داخلی SoC باشد.
پردازشگرهای سیگنال دیجیتال
پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP) اغلب در سیستم های روی یک تراشه گنجانده می شوند. آنها پردازش سیگنال عملیاتی را برای حسگرها، محرک ها، جمع آوری داده ها، تجزیه و تحلیل داده ها و پردازش چند رسانه ای انجام می دهند. هسته‌های DSP معمولاً دارای یک کلمه دستورالعمل بسیار طولانی (VLIW) و معماری مجموعه دستورالعمل‌های یک طرفه هستند، بنابراین آنها می‌توانند از موازی‌سازی بهره‌برداری کنند.
هسته های 4DSP اغلب حاوی دستورالعمل های خاص برنامه هستند و پردازنده های مجموعه دستی ویژه برنامه ASIP هستند. چنین دستورالعمل هایی با واحدهای کاربردی تخصصی مطابقت دارد.
دستورالعمل های معمول DSP شامل انباشت چندگانه، تبدیل فوریه سریع، ضرب صاف و کانولوشن است. همانند سایر سیستم‌های کامپیوتری، SoCها به منابع ساعت برای تولید سیگنال‌های ساعت، کنترل اجرای توابع، و ارائه زمینه زمان‌بندی برای برنامه‌های پردازش سیگنال در صورت نیاز نیاز دارند.
منابع زمانی محبوب، نوسانگرهای کریستالی و حلقه‌های قفل فاز هستند. SoCها همچنین شامل تنظیم کننده های ولتاژ و مدارهای مدیریت توان هستند.
تفاوت بین SoC و CPU
روزی روزگاری، بسیاری از مردم فکر می کردند که CPU کاملاً از مانیتور جدا شده است. اکنون بسیاری می دانند که CPU تنها یک بخش کوچک است،و یک کامپیوتر از قطعات زیادی تشکیل شده است.
سیستم روی تراشه یک برد مدار الکترونیکی است که تمام اجزای لازم را در یک کامپیوتر و سایر سیستم های الکترونیکی یکپارچه می کند. اینها شامل GPU، CPU، حافظه، مدارهای مدیریت انرژی، کنترلر USB، رادیوهای بی سیم و غیره می باشد. این قطعات روی مادربرد لحیم می شوند که با کامپیوترهای معمولی متفاوت است و هر زمان که بخواهید می توان قطعات آن را تعویض کرد.
می توانید بگویید که سیستم روی یک تراشه (SoC) زمانی اتفاق می افتد که Vector from Despicable Me از "فشرده سازی پرتو" در یک رایانه کامل استفاده می کند. با قدرت کوچک سازی، سیستم روی تراشه یک کامپیوتر کاربردی است که فشرده شده است تا روی یک تراشه سیلیکونی قرار گیرد.
جایی که چیپس ها استفاده می شوند
SoC معمولاً کوچک است و فضای زیادی را در داخل یک دستگاه الکترونیکی اشغال نمی کند و برای دستگاه های کوچکتر ایده آل است. بسیاری از قطعات مختلف را روی یک تراشه ترکیب می کند، به این معنی که سازنده آن نیازی به صرف زمان، پول و منابع برای گذاشتن قطعات فیزیکی قابل توجه و ساخت مدارهای طولانی ندارد که به نوبه خود به معنای تولید و هزینه کمتر است. سیستم‌های روی یک تراشه بسیار کارآمدتر از سیستم‌هایی هستند که دارای اجزای جداگانه اختصاصی مانند رایانه رومیزی یا لپ‌تاپ هستند. SoC می تواند برای مدت طولانی تری با باتری کار کند.
رویکردهای سنتی به الکترونیک در مورد ایجاد سیستم هایی بوده است که بر روی فردی کار می کنندقطعات مستقل به عنوان مثال رایانه ها و لپ تاپ ها هستند. با این حال، کوچک سازی مداوم همه چیز در اطراف به این معنی است که آنها به طور فزاینده ای به سیستم های کوچکتر و کارآمدتر انرژی روی یک تراشه تکیه می کنند. تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و حتی دستگاه‌های IoT (اینترنت اشیا) ثابت می‌کنند که سیستم‌های روی تراشه‌ها بخش مهمی از آینده همه الکترونیک هستند.
دستگاه Intel Pentium N3710
Pentium N3710 یک سیستم چهار هسته ای 64 بیتی بر روی یک تراشه است که توسط اینتل طراحی شده و در اوایل سال 2015 به عنوان قطعه شماره 3710 معرفی شد. بر اساس ریزمعماری Airmont. این تراشه در فرکانس 1.6 گیگاهرتز با حالت تا 2.57 گیگاهرتز کار می کند. SoC شامل گرافیک HD Graphics 405 است که دارای 16 واحد اجرایی است و با فرکانس 400 مگاهرتز کار می کند
جزئیات معماری سیستم روی تراشه N3710:
- Designer - Intel.
- سازنده - اینتل.
- شماره مدل - N3710.
- شماره قطعه - FH8066501715927
- Scope - موبایل.
- شماره - مارس 2015
- سری Pentium N3000.
- فرکانس - 1600 مگاهرتز.
- سرعت - 2567 مگاهرتز (1 هسته).
- نوع اتوبوس - IDI CPUID 406C4.
- Microarchitecture – Airmont.
- نام اصلی برازول است.
- فناوری - CMOS.
- اندازه کلمه - 64 بیت.
- حداکثر پردازنده - تک پردازنده.
- حداکثر حافظه 8 گیگ است.
- PP دمای 0 C - 90 C.
- یکپارچهاطلاعات گرافیک GPU - HD Graphics 405.
- حداکثر فرکانس 700 مگاهرتز است.
مزایای سیستم های تراشه
هدف اصلی استفاده از SOC در طراحی شامل مراحلی است که مزایای دستگاه را تشکیل می دهد:
- SOC از نظر اندازه کوچک است اما دارای ویژگی های بسیاری است.
- انعطاف پذیری. از نظر اندازه تراشه، قدرت و ضریب شکل، شکست دادن این سیستم ها توسط دستگاه های دیگر بسیار سخت است.
- کارایی هزینه، به ویژه برای برنامه های SoC خاص مانند کد ویدیو.
- سیستم روی تراشه بی شمار است. برای محصولات با ظرفیت بالا، آنها حفاظت از منابع و هزینه های مهندسی را ساده می کنند.
با این حال، چنین دستگاه عالی معایبی دارد:
- سرمایه گذاری کلان. فرآیند طراحی SoC می تواند بین 6 تا 12 ماه طول بکشد.
- منابع محدود.
- اگر محصولی با حجم کم تولید می شود، تجهیزات پیشرفته مورد نیاز است. شاید بهتر باشد از سخت افزار شخص ثالث استفاده کنید، زمان و منابع را صرف نرم افزارهای کاربردی کنید.
سیستم های روی یک تراشه این عیب بزرگ را دارند که اصلاً قابل انطباق نیستند. به عبارت دیگر نمی توان آنها را ارتقا داد. یک سیستم روی یک تراشه معمولاً همان طور که ایجاد شده است از بین می رود. در طول عمر سرویس هیچ چیز در آن تغییر نمی کند. اگر چیزی در داخل ساز شکسته شود، فقط آن قطعه قابل تعمیر یا تغییر نیست. باید کل SoC را جایگزین کنید.
بزرگترین تولیدکنندگانتراشه های موبایل
ما مروری مختصر از سیستم‌های روی یک تراشه از تولیدکنندگان بزرگ ارائه می‌کنیم: Qualcomm، Samsung، MediaTek، Huawei، NVIDIA و Broadcom. کوالکام، انویدیا و مدیاتک عمدتاً SoCهای موبایل را برای شرکت‌های سخت‌افزاری تولید و می‌فروشند تا در دستگاه‌هایی که تولید می‌کنند استفاده کنند. Broadcom SoC هایی می سازد که در روترها و دستگاه های شبکه مورد استفاده قرار می گیرند و سامسونگ و هواوی نه تنها SoC تولید می کنند، بلکه دو شرکت بزرگ جهان در استفاده از آنها هستند.
شما نمی توانید بگویید کدام سیستم روی یک تراشه بهترین است. طراحی و توسعه سیستم های روی یک تراشه به قدری سریع پیش می رود که در زمان مقایسه، این گزینه قبلاً منسوخ خواهد شد. با این حال، باید به خاطر داشت که بهترین SoC ممکن است برای پردازنده ها یا سریع ترین انتقال های بی سیم بهترین نباشد.
