Система на микросхеме

редактировать

Raspberry Pi использует систему на чипе как почти полностью содержащийся микрокомпьютер. Этот SoC не содержит какого-либо хранилища данных, которое является обычным для SoC микропроцессора.

Система на чипе ( SoC ; / ˌ ɛ с ˌ oʊ с я / ES-OH- СМ или / ы ɒ к / носка ) является интегральной схемой (также известный как «чипа»), который включает в себя все или большинство компонентов из компьютера или другой электронной системы. Эти компоненты почти всегда включают в себя центральный процессор (ЦП), память, порты ввода / вывода и вторичное хранилище, часто вместе с другими компонентами, такими как радиомодемы и графический процессор (ГП) - все на одной подложке или микрочипе. Он может содержать функции обработки цифровых, аналоговых, смешанных сигналов и часто радиочастотных сигналов (в противном случае он считается только прикладным процессором).

Высокопроизводительные SoC часто сочетаются с выделенной и физически отдельной памятью и микросхемами вторичного хранилища (почти всегда LPDDR и eUFS или eMMC соответственно), которые могут располагаться поверх SoC в так называемой конфигурации пакета на упаковке (PoP)., или быть размещенным рядом с SoC. Кроме того, SoC могут использовать отдельные беспроводные модемы.

SoCs в отличие от общей традиционной материнской платы -На PC архитектуры, которая разделяет компоненты, основанные на функции и соединяет их через центральный сопряжение печатной платы. В то время как материнская плата содержит съемные или заменяемые компоненты и соединяет их, SoC объединяют все эти компоненты в единую интегральную схему. SoC, как правило, включать центральный процессор, графику и интерфейсы памяти, жесткий диск и подключение к USB, с произвольным доступом и только для чтения памяти и вторичной памяти и / или их контроллеров на одной печатной матрице, тогда как материнская плата будет соединить эти модули как дискретные компоненты или карты расширения.

SoC объединяет микроконтроллер, микропроцессор или, возможно, несколько ядер процессора с периферийными устройствами, такими как графический процессор, Wi-Fi и радиомодемы сотовой сети и / или один или несколько сопроцессоров. Подобно тому, как микроконтроллер объединяет микропроцессор с периферийными схемами и памятью, SoC можно рассматривать как интеграцию микроконтроллера с еще более продвинутыми периферийными устройствами. Обзор интеграции системных компонентов см. В разделе « Системная интеграция».

Более плотно интегрированные конструкции компьютерных систем улучшают производительность и снижают энергопотребление, а также площадь полупроводникового кристалла, чем конструкции с несколькими микросхемами с эквивалентной функциональностью. Это происходит за счет уменьшения возможности замены компонентов. По определению, проекты SoC полностью или почти полностью интегрированы в различные компонентные модули. По этим причинам наблюдается общая тенденция к более тесной интеграции компонентов в индустрии компьютерного оборудования, отчасти из-за влияния SoC и уроков, извлеченных из рынков мобильных и встроенных вычислений. SoC можно рассматривать как часть более широкой тенденции к встроенным вычислениям и аппаратному ускорению.

SoC очень распространены на рынках мобильных вычислений (например, в смартфонах и планшетных компьютерах ) и периферийных вычислений. Они также обычно используются во встроенных системах, таких как маршрутизаторы Wi-Fi и Интернет вещей.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Типы
  • 2 Приложения
    • 2.1 Встроенные системы
    • 2.2 Мобильные вычисления
    • 2.3 Персональные компьютеры
  • 3 Структура
    • 3.1 Функциональные компоненты
      • 3.1.1 Ядра процессора
      • 3.1.2 Память
      • 3.1.3 Интерфейсы
      • 3.1.4 Цифровые сигнальные процессоры
      • 3.1.5 Другое
    • 3.2 Межмодульное взаимодействие
      • 3.2.1 Связь по шине
      • 3.2.2 Сеть на микросхеме
  • 4 Расчетный поток
    • 4.1 Проверка конструкции
  • 5 Цели оптимизации
    • 5.1 Мишени
      • 5.1.1 Потребляемая мощность
      • 5.1.2 Производительность на ватт
      • 5.1.3 Отработанное тепло
      • 5.1.4 Пропускная способность
      • 5.1.5 Задержка
    • 5.2 Методологии
      • 5.2.1 Планирование задач
      • 5.2.2 Конвейерная обработка
      • 5.2.3 Вероятностное моделирование
      • 5.2.4 Марковские цепи
  • 6 Изготовление
  • 7 тестов
  • 8 См. Также
  • 9 Примечания
  • 10 Ссылки
  • 11 Дальнейшее чтение
  • 12 Внешние ссылки

Типы

Система на базе микроконтроллера на микросхеме

В общем, существует четыре различных типа SoC:

AMD Am286ZX / LX, SoC на базе Intel 80286

Приложения

SoC могут быть применены к любой вычислительной задаче. Однако они обычно используются в мобильных вычислениях, таких как планшеты, смартфоны, умные часы и нетбуки, а также во встроенных системах и в приложениях, где ранее использовались микроконтроллеры.

Встроенные системы

Там, где раньше можно было использовать только микроконтроллеры, SoC становятся все более популярными на рынке встраиваемых систем. Более тесная системная интеграция обеспечивает лучшую надежность и среднее время наработки на отказ, а SoC предлагают более продвинутую функциональность и вычислительную мощность, чем микроконтроллеры. Приложения включают ускорение ИИ, встроенное машинное зрение, сбор данных, телеметрию, векторную обработку и окружающий интеллект. Часто встраиваемые SoC нацелены на Интернет вещей, промышленный Интернет вещей и рынки периферийных вычислений.

Мобильные вычисления

SoC на базе мобильных вычислений всегда объединяют в себе процессоры, память, кэш- память на кристалле, возможности беспроводной сети и часто оборудование и прошивку цифровых камер. С увеличением объема памяти высокопроизводительные SoC часто не имеют памяти и флэш-памяти, и вместо этого память и флэш-память будут размещены рядом или выше ( упаковка на упаковке ) SoC. Вот некоторые примеры SoC для мобильных вычислений:

Персональные компьютеры

В 1992 году Acorn Computers выпустила линейку персональных компьютеров A3010, A3020 и A4000 с ARM250 SoC. Он объединил оригинальный процессор Acorn ARM2 с контроллером памяти (MEMC), видеоконтроллером (VIDC) и контроллером ввода-вывода (IOC). В предыдущих компьютерах с процессором Acorn ARM это были четыре дискретных чипа. Чип ARM7500 был их SoC второго поколения, основанным на контроллерах ARM700, VIDC20 и IOMD, и был широко лицензирован во встроенных устройствах, таких как телевизионные приставки, а также в более поздних персональных компьютерах Acorn.

SoC применяются в обычных персональных компьютерах с 2018 года. В частности, они применяются в ноутбуках и планшетных ПК. Производители планшетов и ноутбуков извлекли уроки из рынков встраиваемых систем и смартфонов в отношении снижения энергопотребления, повышения производительности и надежности за счет более тесной интеграции аппаратных и программных модулей, а также LTE и других средств беспроводной связи, интегрированных в микросхему (интегрированные контроллеры сетевого интерфейса ).

На базе ARM :

на базе x86 :

Состав

SoC состоит из аппаратных функциональных блоков, в том числе микропроцессоров, на которых выполняется программный код, а также подсистемы связи для соединения, управления, направления и взаимодействия между этими функциональными модулями.

Функциональные компоненты

Ядра процессора

SoC должен иметь по крайней мере одно ядро процессора, но обычно SoC имеет более одного ядра. Ядра процессора могут быть микроконтроллером, микропроцессором (μP), процессором цифровых сигналов (DSP) или ядром процессора набора команд для конкретного приложения (ASIP). У ASIP есть наборы инструкций, настроенные для домена приложения и разработанные так, чтобы быть более эффективными, чем инструкции общего назначения для определенного типа рабочей нагрузки. Многопроцессорные SoC по определению имеют более одного процессорного ядра.

Независимо от того, одноядерные, многоядерные или многоядерные, процессорные ядра SoC обычно используют архитектуры набора команд RISC. Архитектуры RISC имеют преимущество перед процессорами CISC для SoC, поскольку они требуют меньше цифровой логики и, следовательно, меньшей мощности и площади на борту, а на рынках встроенных и мобильных вычислений площадь и мощность часто сильно ограничены. В частности, процессорные ядра SoC часто используют архитектуру ARM, потому что это программный процессор, указанный как IP-ядро, и он более энергоэффективен, чем x86.

объем памяти

Дополнительная информация: память компьютера

SoC должны иметь блоки полупроводниковой памяти для выполнения своих вычислений, как и микроконтроллеры и другие встроенные системы. В зависимости от применения, SoC память может образовывать иерархию памяти и иерархию кэша. На рынке мобильных компьютеров это обычное дело, но для многих встраиваемых микроконтроллеров с низким энергопотреблением в этом нет необходимости. Технологии памяти для SoC включают постоянную память (ROM), оперативную память (RAM), электрически стираемое программируемое ПЗУ ( EEPROM ) и флэш-память. Как и в других компьютерных системах, RAM можно разделить на относительно более быструю, но более дорогую статическую RAM (SRAM) и более медленную, но более дешевую динамическую RAM (DRAM). Когда SoC имеет иерархию кеша, SRAM обычно используется для реализации регистров процессора и кэшей L1 ядер, тогда как DRAM будет использоваться для более низких уровней иерархии кеша, включая основную память. «Основная память» может относиться к одному процессору (который может быть многоядерным ), когда SoC имеет несколько процессоров, и в этом случае она является распределенной памятью и должна быть отправлена ​​через межмодульную коммуникацию на кристалле, чтобы к ней могли получить доступ другой процессор. Для дальнейшего обсуждения проблем с памятью с несколькими процессорами см. Когерентность кэша и задержку памяти.

Интерфейсы

SoC включают в себя внешние интерфейсы, обычно для протоколов связи. Они часто основаны на отраслевых стандартах, таких как USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I²C и т. Д. Эти интерфейсы будут отличаться в зависимости от предполагаемого применения. Также могут поддерживаться беспроводные сетевые протоколы, такие как Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN и связь ближнего поля.

При необходимости SoC включают аналоговые интерфейсы, включая аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, часто для обработки сигналов. Они могут взаимодействовать с различными типами датчиков или исполнительных механизмов, включая интеллектуальные преобразователи. Они могут взаимодействовать с модулями или экранами для конкретных приложений. Или они могут быть внутренними по отношению к SoC, например, если аналоговый датчик встроен в SoC, и его показания должны быть преобразованы в цифровые сигналы для математической обработки.

Цифровые сигнальные процессоры

Ядра процессора цифровых сигналов (DSP) часто входят в состав SoC. Они выполняют обработку сигналов операций в SoCs для датчиков, приводов, сбора данных, анализа данных и обработки мультимедийных данных. Ядра DSP обычно имеют архитектуру набора инструкций с очень длинным командным словом (VLIW) и с одной командой и несколькими данными (SIMD), и поэтому очень хорошо подходят для использования параллелизма на уровне команд посредством параллельной обработки и суперскалярного выполнения. Ядра DSP чаще всего содержат инструкции для конкретного приложения и, как таковые, обычно представляют собой процессоры с набором инструкций для конкретного приложения (ASIP). Такие специфические для приложения инструкции соответствуют выделенным аппаратным функциональным блокам, которые вычисляют эти инструкции.

Типичные инструкции DSP включают в себя умножение-накопление, быстрое преобразование Фурье, объединенное умножение-сложение и свертки.

Другой

Как и в случае с другими компьютерными системами, SoC требуют источников синхронизации для генерации тактовых сигналов, управления выполнением функций SoC и предоставления временного контекста приложениям обработки сигналов SoC, если это необходимо. Популярные источники времени - кварцевые генераторы и петли фазовой автоподстройки частоты.

SoC периферийные устройства, включая счетчик -timers, в режиме реального времени таймеров и сброса мощности генераторов. SoC также включают регуляторы напряжения и схемы управления питанием.

Межмодульное общение

SoC содержат множество исполнительных блоков. Эти устройства должны часто отправлять данные и инструкции туда и обратно. Из-за этого все, кроме самых тривиальных SoC, требуют подсистем связи. Первоначально, как и в случае с другими микрокомпьютерными технологиями, использовались архитектуры шины данных, но в последнее время все большую популярность приобрели проекты, основанные на разреженных сетях связи, известных как сети на кристалле (NoC), и, по прогнозам, в ближайшем будущем они превзойдут архитектуры шин при проектировании SoC..

Связь по шине

Исторически сложилось так, что общая глобальная компьютерная шина обычно соединяла различные компоненты, также называемые «блоками» SoC. Очень распространенной шиной для связи SoC является бесплатный стандарт архитектуры шины микроконтроллеров ARM ( AMBA ).

Контроллеры прямого доступа к памяти направляют данные напрямую между внешними интерфейсами и памятью SoC, минуя ЦП или блок управления, тем самым увеличивая пропускную способность SoC. Это похоже на некоторые драйверы периферийных устройств на компонентной многочиповой модульной архитектуре ПК.

Компьютерные шины имеют ограниченную масштабируемость, поддерживая только до десятков ядер ( многоядерность ) на одном кристалле. Задержка проводов не масштабируется из-за продолжающейся миниатюризации, производительность системы не масштабируется с количеством подключенных ядер, рабочая частота SoC должна уменьшаться с каждым дополнительным подключенным ядром, чтобы питание было устойчивым, а длинные провода потребляют большое количество электроэнергии. Эти проблемы препятствуют поддержке многоядерных систем на кристалле.

Сеть на микросхеме

Основная статья: Сеть на чипе

В конце 2010- х годов появилась тенденция, когда SoC реализуют коммуникационные подсистемы с точки зрения сетевой топологии, а не протоколов на основе шины. Тенденция к увеличению количества процессорных ядер на SoC привела к тому, что эффективность связи внутри кристалла стала одним из ключевых факторов, определяющих общую производительность и стоимость системы. Это привело к появлению сетей межсетевого взаимодействия с коммутацией пакетов на основе маршрутизатора, известных как « сети на кристалле » (NoC), для преодоления узких мест шинных сетей.

Сети на кристалле имеют преимущества, в том числе маршрутизацию в зависимости от места назначения и приложения, более высокую энергоэффективность и снижение вероятности конфликтов на шине. Архитектура «сеть на кристалле» вдохновлена протоколами связи, такими как TCP и набором Интернет-протоколов для связи на кристалле, хотя обычно у них меньше сетевых уровней. Оптимальные сетевые архитектуры типа « сеть-на-кристалле» являются постоянной областью большого исследовательского интереса. Архитектуры NoC варьируются от традиционных топологий распределенных вычислительных сетей, таких как тор, гиперкуб, сетки и древовидные сети, до планирования генетических алгоритмов и рандомизированных алгоритмов, таких как случайные блуждания с ветвлением и рандомизированное время жизни (TTL).

Многие исследователи SoC считают архитектуры NoC будущим дизайна SoC, поскольку было показано, что они эффективно удовлетворяют потребности проектов SoC в мощности и пропускной способности. Современные архитектуры NoC двумерны. 2D-дизайн ИС имеет ограниченный выбор планировки этажа по мере увеличения количества ядер в SoC, поэтому с появлением трехмерных интегральных схем (3DIC) дизайнеры SoC стремятся создавать трехмерные внутрикристальные сети, известные как 3DNoC.

Дизайн-поток

Основные статьи: процесс проектирования электроники, физический дизайн (электроника) и платформенный дизайн. См. Также: Системное проектирование и процесс проектирования программного обеспечения. Процесс проектирования SoC

Система на микросхеме состоит как из аппаратного обеспечения, описанного в § Структура, так и из программного обеспечения, управляющего микроконтроллером, микропроцессором или ядрами процессора цифровых сигналов, периферийными устройствами и интерфейсами. Процесс проектирования SoC направлен на одновременную разработку этого аппаратного и программного обеспечения, что также известно как совместное архитектурное проектирование. Процесс проектирования также должен учитывать оптимизацию ( § цели оптимизации) и ограничения.

Большинство SoC разрабатываются на основе предварительно проверенных спецификаций IP-ядра аппаратных компонентов для аппаратных элементов и исполнительных блоков, вместе взятых «блоков», описанных выше, вместе с программными драйверами устройств, которые могут управлять их работой. Особое значение имеют стеки протоколов, которые управляют стандартными интерфейсами, такими как USB. Аппаратные блоки собираются вместе с использованием средств автоматизированного проектирования, в частности средств автоматизации электронного проектирования ; то программные модули интегрированы с использованием программного обеспечения интегрированной среды разработки.

Компоненты SoC также часто разрабатываются на языках программирования высокого уровня, таких как C ++, MATLAB или SystemC, и преобразуются в проекты RTL с помощью инструментов синтеза высокого уровня (HLS), таких как C в HDL или поток в HDL. Продукты HLS, называемые «алгоритмическим синтезом», позволяют разработчикам использовать C ++ для моделирования и синтеза уровней системы, схем, программного обеспечения и проверки на одном языке высокого уровня, широко известном компьютерным инженерам, независимо от временных масштабов, которые обычно указываются в HDL. Другие компоненты могут оставаться программными и компилироваться и встраиваться в программные процессоры, включенные в SoC как модули в HDL как IP-ядра.

После определения архитектуры SoC любые новые элементы оборудования записываются на абстрактном языке описания оборудования, называемом уровнем передачи регистров (RTL), который определяет поведение схемы, или синтезируются в RTL из языка высокого уровня посредством синтеза высокого уровня. Эти элементы связаны вместе на языке описания оборудования для создания полного дизайна SoC. Логика, указанная для соединения этих компонентов и преобразования между, возможно, разными интерфейсами, предоставляемыми разными поставщиками, называется связующей логикой.

Проверка дизайна

Дополнительная информация: Функциональная проверка и подписание (автоматизация электронного проектирования)

Чипы проверяются на предмет правильности перед отправкой на завод по производству полупроводников. Этот процесс называется функциональной верификацией, и на него приходится значительная часть времени и энергии, затрачиваемых в жизненном цикле проектирования микросхемы, часто называемая 70%. С ростом сложности микросхем используются такие языки проверки оборудования, как SystemVerilog, SystemC, e и OpenVera. Об ошибках, обнаруженных на этапе проверки, сообщается разработчику.

Традиционно инженеры использовали ускорение моделирования, эмуляцию или создание прототипов на перепрограммируемом оборудовании для проверки и отладки оборудования и программного обеспечения для проектов SoC до завершения проекта, известного как ленточный вывод. Программируемые вентильные матрицы (FPGA) предпочтительны для прототипов SoC, потому что прототипы FPGA перепрограммируемы, позволяют отладку и более гибкие, чем специализированные интегральные схемы (ASIC).

Благодаря высокой емкости и быстрому времени компиляции, ускорение моделирования и эмуляция являются мощными технологиями, которые обеспечивают широкий обзор систем. Обе технологии, однако, работают медленно, порядка МГц, что может быть значительно медленнее - до 100 раз медленнее - чем рабочая частота SoC. Блоки ускорения и эмуляции также очень большие и дорогие - более 1 миллиона долларов США.

Прототипы FPGA, напротив, используют FPGA напрямую, чтобы позволить инженерам проверять и тестировать на полной рабочей частоте системы или близкой к ней с реальными воздействиями. Такие инструменты, как Certus, используются для вставки зондов в RTL FPGA, которые делают сигналы доступными для наблюдения. Это используется для отладки взаимодействия аппаратного, микропрограммного и программного обеспечения между несколькими ПЛИС с возможностями, аналогичными логическому анализатору.

Параллельно элементы оборудования группируются и проходят процесс логического синтеза, в ходе которого применяются ограничения производительности, такие как рабочая частота и ожидаемые задержки сигнала. Это генерирует вывод, известный как список соединений, описывающий проект как физическую схему и ее соединения. Эти списки соединений объединены с логической связью, соединяющей компоненты, для создания схематического описания SoC как схемы, которая может быть напечатана на микросхеме. Этот процесс известен как место и маршрут и предшествует снятию с ленты в том случае, если SoC производятся как специализированные интегральные схемы (ASIC).

Цели оптимизации

SoC должны оптимизировать энергопотребление, площадь на кристалле, коммуникацию, позиционирование для локализации между модульными блоками и другие факторы. Оптимизация обязательно является целью разработки SoC. Если в оптимизации не было необходимости, инженеры использовали бы многокристальную модульную архитектуру без учета использования площади, энергопотребления или производительности системы.

Далее следуют общие цели оптимизации для проектов SoC с объяснениями каждой из них. В общем, оптимизация любой из этих величин может быть сложной задачей комбинаторной оптимизации и действительно может быть довольно простой NP-сложной задачей. Поэтому часто требуются сложные алгоритмы оптимизации, и в некоторых случаях может быть практичным использовать алгоритмы аппроксимации или эвристики. Кроме того, большинство проектов SoC содержат несколько переменных для одновременной оптимизации, поэтому эффективные по Парето решения востребованы при разработке SoC. Часто цели оптимизации некоторых из этих количеств напрямую расходятся, что еще больше усложняет оптимизацию дизайна SoC и вносит компромиссы в дизайн системы.

Для более широкого охвата компромиссов и анализа требований см. Разработку требований.

Цели

Потребляемая мощность

SoC оптимизированы для минимизации электроэнергии, используемой для выполнения функций SoC. Большинство SoC должны использовать низкое энергопотребление. Системы SoC часто требуют длительного времени автономной работы (например, смартфоны ), потенциально могут проводить месяцы или годы без источника питания, необходимого для поддержания автономной работы, и часто ограничены в потреблении энергии из-за большого количества встроенных SoC, объединенных в сеть вместе в области. Кроме того, затраты на электроэнергию могут быть высокими, а экономия энергии снизит общую стоимость владения SoC. Наконец, избыточное тепло из-за высокого потребления энергии может повредить другие компоненты схемы, если рассеивается слишком много тепла, что дает еще одну практическую причину для экономии энергии. Количество энергии, используемой в цепи является интегралом от мощности, потребляемой по времени, и средняя скорость потребления электроэнергии является произведением тока по напряжению. Точно так же по закону Ома мощность - это квадрат тока, умноженный на сопротивление, или квадрат напряжения, деленный на сопротивление :

п знак равно я V знак равно V 2 р знак равно я 2 р {\ Displaystyle P = IV = {\ гидроразрыва {V ^ {2}} {R}} = {I ^ {2}} {R}} SoC часто встраиваются в портативные устройства, такие как смартфоны, устройства GPS-навигации, цифровые часы (включая умные часы ) и нетбуки. Клиенты хотят, чтобы мобильные вычислительные устройства продолжали работать от батарей, что является еще одной причиной, по которой необходимо минимизировать энергопотребление в SoC. На этих устройствах часто выполняются мультимедийные приложения, включая видеоигры, потоковое видео, обработку изображений ; все из которых в последние годы выросли в вычислительной сложности из- за требований и ожиданий пользователей в отношении более качественных мультимедиа. Вычисления становятся все более требовательными, поскольку ожидания движутся в сторону 3D-видео с высоким разрешением с несколькими стандартами, поэтому SoC, выполняющие мультимедийные задачи, должны быть платформой с вычислительными возможностями, но при этом иметь низкое энергопотребление, чтобы работать от стандартной мобильной батареи.

Производительность на ватт

См. Также: Экологичные вычисления

SoC оптимизированы для максимального повышения энергоэффективности при расчете производительности на ватт: максимизировать производительность SoC с учетом бюджета энергопотребления. Многие приложения, такие как периферийные вычисления, распределенная обработка и окружающий интеллект, требуют определенного уровня вычислительной производительности, но мощность ограничена в большинстве сред SoC. Архитектура ARM имеет более высокую производительность на ватт, чем x86 во встроенных системах, поэтому она предпочтительнее x86 для большинства приложений SoC, требующих встроенного процессора.

Отработанное тепло

Основная статья: Выработка тепла в интегральных схемах См. Также: Управление температурным режимом в электронике и Расчетное тепловое питание.

SoC конструкция оптимизирована для минимизации отходящего тепла выхода на чипе. Как и в случае с другими интегральными схемами, тепло, выделяемое из-за высокой плотности мощности, является узким местом для дальнейшей миниатюризации компонентов. Плотность мощности высокоскоростных интегральных схем, особенно микропроцессоров, включая SoC, стала очень неравномерной. Слишком большое количество отработанного тепла может повредить цепи и со временем снизить их надежность. Высокие температуры и термическое напряжение отрицательно сказываются на надежности, миграции напряжения, уменьшении среднего времени наработки на отказ, электромиграции, соединении проводов, метастабильности и другом ухудшении производительности SoC с течением времени.

В частности, большинство SoC находятся в небольшой физической области или объеме, и поэтому эффекты отработанного тепла усугубляются, потому что у него мало места для его распространения за пределы системы. Из-за большого количества транзисторов в современных устройствах из-за закона Мура часто компоновка с достаточной пропускной способностью и высокой плотностью транзисторов физически реализуема из производственных процессов, но приведет к недопустимо высокому количеству тепла в объеме схемы.

Эти тепловые эффекты вынуждают разработчиков SoC и других микросхем применять консервативные конструктивные ограничения, создавая менее производительные устройства для снижения риска катастрофического отказа. Из-за увеличения плотности транзисторов по мере уменьшения масштабов длины каждое поколение процесса производит больше тепла, чем предыдущее. Эту проблему усугубляет то, что архитектуры SoC обычно неоднородны, создавая пространственно неоднородные тепловые потоки, которые не могут быть эффективно смягчены за счет равномерного пассивного охлаждения.

Пропускная способность

SoC оптимизированы для максимального увеличения вычислительной и коммуникационной пропускной способности.

Задержка

SoC оптимизированы для минимизации задержки для некоторых или всех своих функций. Этого можно достичь , расположив элементы с надлежащей близостью и расположением друг к другу, чтобы минимизировать задержки межсоединений и максимизировать скорость, с которой данные передаются между модулями, функциональными блоками и памятью. В общем, оптимизация для минимизации задержки - это NP-полная проблема, эквивалентная проблеме логической выполнимости.

Для задач, выполняемых на ядрах процессора, задержку и пропускную способность можно улучшить с помощью планирования задач. Однако некоторые задачи выполняются в аппаратных единицах, зависящих от приложения, и даже планирования задач может быть недостаточно для оптимизации всех программных задач в соответствии с ограничениями по времени и пропускной способности.

Методологии

Дополнительная информация: многокритериальная оптимизация, многокритериальный анализ решений и анализ компромиссов архитектуры

Системы на кристалле моделируются с помощью стандартных методов проверки и проверки оборудования, но используются дополнительные методы для моделирования и оптимизации альтернатив проектирования SoC, чтобы сделать систему оптимальной по отношению к многокритериальному анализу решений по указанным выше целям оптимизации.

Планирование задач

Планирование задач - важная деятельность в любой компьютерной системе с несколькими процессами или потоками, совместно использующими одно ядро ​​процессора. Важно уменьшить § задержку и увеличить § пропускную способность для встроенного программного обеспечения, работающего на ядрах процессора SoC. Не все важные вычислительные действия в SoC выполняются в программном обеспечении, работающем на процессорах на кристалле, но планирование может значительно улучшить производительность программных задач и других задач, связанных с общими ресурсами.

SoC часто планируют задачи в соответствии с алгоритмами сетевого планирования и рандомизированного планирования.

Конвейерная обработка

Для более широкого освещения этой темы см. Конвейер (вычисления).

Аппаратные и программные задачи часто конвейеризируются при проектировании процессора. Pipelining является важным принципом для ускорения в компьютерной архитектуре. Они часто используются в графических процессорах ( графический конвейер ) и процессорах RISC (эволюция классического конвейера RISC ), но также применяются для задач, связанных с конкретными приложениями, таких как обработка цифровых сигналов и манипуляции с мультимедиа в контексте SoC.

Вероятностное моделирование

SoC часто анализируются с помощью вероятностных моделей, теории массового обслуживания § сетей массового обслуживания и цепей Маркова. Например, закон Литтлы позволяет SoC состояние и NOC буфера должны быть смоделированы как процессы прихода и проанализированы с помощью Пуассона случайных величин и процессов Пуассона.

Цепи Маркова

SoC часто моделируются с помощью цепей Маркова, как с дискретным, так и с непрерывным временем. Моделирование цепей Маркова позволяет проводить асимптотический анализ распределения мощности, тепла, задержки и других факторов в устойчивом состоянии SoC, что позволяет оптимизировать проектные решения для общего случая.

Изготовление

Дополнительная информация: Производство полупроводниковых приборов.

Чипы SoC обычно изготавливаются с использованием технологии металл-оксид-полупроводник (MOS). Описанные выше списки соединений используются в качестве основы для физического проектирования ( место и маршрут ) потока, чтобы преобразовать намерения дизайнеров в дизайн SoC. В ходе этого процесса преобразования конструкция анализируется с помощью статического временного моделирования, моделирования и других инструментов, чтобы убедиться, что она соответствует указанным рабочим параметрам, таким как частота, потребляемая мощность и рассеиваемая мощность, функциональная целостность (как описано в коде уровня передачи регистров) и электрические параметры. честность.

Когда все известные ошибки были исправлены, и они были повторно проверены, и все проверки физического дизайна выполнены, файлы физического дизайна, описывающие каждый слой чипа, отправляются в цех масок литейного производства, где будет вытравлен полный набор стеклянных литографических масок.. Они отправляются на завод по производству пластин для создания кристаллов SoC перед упаковкой и тестированием.

SoC могут изготавливаться по нескольким технологиям, в том числе:

ASIC потребляют меньше энергии и быстрее, чем FPGA, но не могут быть перепрограммированы и дороги в производстве. Проекты FPGA больше подходят для проектов меньшего объема, но после выпуска достаточного количества единиц ASIC снижает общую стоимость владения.

Конструкции SoC потребляют меньше энергии, имеют более низкую стоимость и более высокую надежность, чем многокристальные системы, которые они заменяют. С меньшим количеством пакетов в системе также снижаются затраты на сборку.

Однако, как и в большинстве проектов с очень крупномасштабной интеграцией (СБИС), общая стоимость одного большого чипа выше, чем для той же функциональности, распределенной по нескольким меньшим чипам, из-за более низкой производительности и более высоких единовременных инженерных затрат.

Когда невозможно построить SoC для конкретного приложения, альтернативой является система в корпусе (SiP), содержащая несколько микросхем в одном корпусе. При производстве больших объемов SoC более рентабельна, чем SiP, потому что ее упаковка проще. Другая причина, по которой SiP может быть предпочтительнее, заключается в том, что отходящее тепло может быть слишком высоким в SoC для данной цели, потому что функциональные компоненты расположены слишком близко друг к другу, а в SiP тепло будет лучше рассеиваться от различных функциональных модулей, поскольку они физически находятся дальше друг от друга.

Контрольные точки

Исследования и разработки SoC часто сравнивают множество вариантов. Тесты, такие как COSMIC, разработаны для помощи в проведении таких оценок.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки

Последняя правка сделана 2023-03-20 05:25:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте