מערכת על שבב היא שבב קטן עם כל הרכיבים והמעגלים האלקטרוניים הדרושים. בספרות האנגלית משתמשים במונח SoC (system-on-a-chip). המערכת בהתקן זיהוי הקול עשויה לכלול ADC, מקלט שמע, זיכרון, מיקרו-מעבד ובקרה לוגית קלט/פלט משתמש בשבב בודד.
ברפואה, מערכת SoC המבוססת על ננו-רובוטים יכולה לשמש כנוגדנים הניתנים לתכנות כדי לעכב מחלות מוקדמות. מכשירי וידאו מבוססי שבבים יכולים לעזור לעיוורים בכך שהם מאפשרים להם לקבל תמונה, והתקני שמע SoC יכולים לגרום לחירשים לשמוע. המערכת-על-שבב מתפתחת יחד עם טכנולוגיות אחרות כגון SOI (סיליקון על מבודד).
הגדרות של מונחים
מערכת ה-SoC משלבת את המעגלים האלקטרוניים הנדרשים של רכיבי מחשב שונים בשבב משולב אחד (IC). SoC היא מערכת אלקטרונית מצע שלמה שיכולה להכיל אנלוגי,פונקציות דיגיטליות, מעורבות או RF. הרכיבים שלו כוללים בדרך כלל יחידת עיבוד גרפית (GPU), יחידת עיבוד מרכזית (CPU), שיכולה להיות מרובת ליבות, וזיכרון מערכת (RAM).
מכיוון שהמערכת-על-שבב כוללת גם חומרה וגם תוכנה, היא צורכת פחות חשמל, בעלת ביצועים טובים יותר, דורשת פחות מקום, והיא אמינה יותר ממערכות מרובות שבבים. רוב שבבי המערכת כלולים כיום במכשירים ניידים כגון סמארטפונים וטאבלטים.
ה-System-on-a-Chip תוכנן במיוחד כדי לעמוד בסטנדרטים לשילוב המעגלים האלקטרוניים הנדרשים של רכיבי מחשב רבים על גבי שבב משולב יחיד. במקום מערכת שמרכיבה שבבים ורכיבים מרובים על גבי PCB, SoC יוצר את כל המעגלים הדרושים בהתקן אחד.
אתגרי SoC כוללים עלויות גבוהות יותר של יצירת אב טיפוס, ארכיטקטורה וניפוי באגים מורכב יותר. ICs אינם חסכוניים. עם זאת, זה עשוי להשתנות ככל שהטכנולוגיה מתקדמת.
פרמטרי מיקרו-שבבים נדרשים
SoC של מערכת על שבב הם מכשירים מורכבים מאוד. לדוגמה, ה-Snapdragon 600 מערכת-על-שבב של קוואלקום הוא ה-SoC שהיה בשימוש בטלפון החכם הישן של סמסונג גלקסי.
אנשים רוצים להיות מסוגלים להשתמש בסמארטפונים שלהם כדי לגלוש באינטרנט, להאזין למוזיקה, לצפות בסרטונים, להשתמש בניווט GPS, לצלם תמונות וסרטונים, לשחק משחקים, לגשת לרשתות חברתיות. כל התכונות הללומסופקים לא רק עם מעבד טוב, אלא גם עם שבב גרפי רב עוצמה System on Chip SoC, ערכת שבבי Bluetooth אלחוטית מהירה ותמיכה בחיבור לרשתות 4G. כל זה אמור לעבוד עם מינימום צריכת אנרגיה.
הפתרון הוא למזער את כל מה שניתן להתקין. התקנים צריכים להיות דחוסים ככל האפשר ולהניח בצורה קומפקטית על משטח קטן יותר. התוצאה של זה היא כוח עיבוד גבוה יותר וצריכת חשמל נמוכה יותר. זה בדיוק מה ש-SoC מציע.
עיצוב מערכת על שבב
מבחינה קונספטואלית, יש שלוש רמות של אסטרטגיית עיצוב עבור שבבים פונקציונליים. הרמה הראשונה היא הסימטריה של קבוצת הנקודות. זה מכתיב נוכחות או היעדר תגובה פיזית מסוימת ואנזיטרופיה של הגביש. לכן, ניתן להשתמש בו כדי לחפש ולהגן על גבישים פונקציונליים חדשים.
סימטריית קבוצת נקודות היא דרישה הכרחית, אך אינה תנאי מספיק עבור גביש פונקציונלי. כדי שמערכת SNK-על-שבב תציג מאפיין מסוים, עליה להיות משלימה על ידי רמה שנייה של אסטרטגיית עיצוב - מבנה קבוצת החלל או סימטריה.
לבסוף, כדי לשפר או לייעל את התגובה, ישנה רמה שלישית של אסטרטגיית תכנון הנדסה מולקולרית הכוללת כוונון עדין של המבנים האלקטרוניים או המגנטיים של אבני הבניין של אטומים, מולקולות וצבירי גבישים.
רכיביםמכשירים ניידים
מערכת SoC-על-שבב יכולה לכלול אלמנטים שונים, בהתאם למטרה שלה. מכיוון שהרוב המכריע של ה-SoCs נמצא בשימוש בסמארטפונים, אנו מציעים רשימה של הרכיבים הנפוצים ביותר של מכשירים כאלה:
- CPU הוא הליבה בתוך ה-SoC. זה החלק שאחראי על ביצוע רוב החישובים וההחלטות. הוא מקבל קלט מרכיבי חומרה ותוכנה אחרים ומספק תגובות פלט מתאימות. ללא ה-CPU, לא יהיה SoC. לרוב המעבדים כיום יש שתיים, ארבע או שמונה ליבות בפנים.
- GPU - מקוצר עבור מודול עיבוד גרפי. זה נקרא גם שבב וידאו. ה-GPU אחראי לגיימינג בתלת מימד כמו גם למעברים החזותיים המסודרים הנראים בממשק של כל מכשיר המשתמש במערכת שבב בודד.
- זיכרון RAM - כל מכשירי המחשוב צריכים זיכרון כדי לעבוד. כדי להיות מסוגל להפעיל יישומים ונתוני תוכנה, עליך להשתמש בהם. לשם כך, המערכת-על-שבב חייבת להיות בעלת זיכרון RAM.
- ROM - כל מכשיר חייב להיות בעל זיכרון ROM כדי לאחסן תוכנה כגון קושחה או מערכת ההפעלה שעליה הוא פועל.
- מודם - סמארטפון לא יהיה טלפון אם הוא לא יכול להתחבר לרשתות רדיו. מודמים דואגים לרשת או לחיבור הסלולרי.
בנוסף ל-CPU ולזיכרון, SoCs אחרים עשויים לכלול ממשקי PCIe המיועדים לכךחיבור מקלטי רדיו, ממשקי SATA או התקני USB.
עיצוב שבב
למערכות בשבב חייבות להיות בלוקי זיכרון מוליכים למחצה כדי לבצע את החישובים שלהן. בהתאם ליישום ה-SoC, הזיכרון יכול ליצור היררכיה של זיכרון ומטמון. זה נפוץ בשוק המחשוב הנייד, אך אינו נדרש במיקרו-בקרים משובצים רבים בעלי הספק נמוך.
טכנולוגיות זיכרון עבור SoCs כוללות זיכרון לקריאה בלבד (ROM), זיכרון גישה אקראית (RAM), ROM הניתן למחיקה חשמלית (EEPROM) וזיכרון פלאש. כמו במערכות מחשב אחרות, ניתן לחלק את זיכרון ה-RAM לזיכרון ה-RAM הסטטי המהיר יותר אך היקר יותר (SRAM) ולזיכרון ה-RAM הדינמי האיטי אך הזול יותר (DRAM) כמו מערכת-על-שבב בתמונה במאמר זה.
ממשקים חיצוניים
SoCs כוללים ממשקים חיצוניים, בדרך כלל עבור פרוטוקולי תקשורת. לרוב הם מבוססים על תקנים בתעשייה כגון USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C ועוד. פרוטוקולים של רשת אלחוטית כגון Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN ותקשורת בשדה קרוב עשויים גם להיות נתמכים.
במידת הצורך, SoCs כוללים ממשקים אנלוגיים לעיבוד אותות. הם יכולים ליצור אינטראקציה עם סוגים שונים של חיישנים או מפעילים, כולל ממירים חכמים. הם עשויים גם ליצור קשר ספציפייישומי מודול או להיות פנימיים ל-SoC, למשל, אם חיישן אנלוגי מובנה ב-SoC ויש להמיר את קריאותיו לאותות דיגיטליים לעיבוד מתמטי.
מעבדי אותות דיגיטליים
מעבדי אותות דיגיטליים (DSP) נכללים לעתים קרובות במערכות על שבב. הם מבצעים עיבוד אותות פעולה עבור חיישנים, מפעילים, רכישת נתונים, ניתוח נתונים ועיבוד מולטימדיה. לליבות DSP יש בדרך כלל מילת הוראות ארוכה מאוד (VLIW) וארכיטקטורת ערכת הוראות חד-כיוונית, כך שהן ניתנות לניצול מקביליות.
ליבות 4DSP מכילות לרוב הוראות ספציפיות ליישום והן המעבדים של הסט הידני הספציפי ליישום ASIP. הוראות כאלה מתאימות ליחידות פונקציונליות מיוחדות.
הוראות DSP טיפוסיות כוללות צבירה מרובה, טרנספורמציה פורייה מהירה, כפל חלק וקונבולולוציה. כמו במערכות מחשב אחרות, SoCs דורשים מקורות שעון כדי ליצור אותות שעון, לשלוט בביצוע הפונקציות ולספק הקשר תזמון ליישומי עיבוד אותות במידת הצורך.
מקורות זמן פופולריים הם מתנדים קריסטל ולולאות נעולות פאזה. SoCs כוללים גם ווסת מתח ומעגלי ניהול חשמל.
ההבדל בין SoC ל-CPU
פעם, אנשים רבים חשבו שהמעבד מבודד לחלוטין מהצג. עכשיו רבים מבינים שהמעבד הוא רק חלק זעיר,ומחשב מורכב מחלקים רבים.
מערכת על שבב היא לוח מעגלים אלקטרוני המשלב את כל הרכיבים הדרושים במחשב ובמערכות אלקטרוניות אחרות. אלה כוללים את ה-GPU, המעבד, הזיכרון, מעגלי ניהול החשמל, בקר ה-USB, מכשירי רדיו אלחוטיים ועוד. רכיבים אלו מולחמים על לוח האם, השונה ממחשבים רגילים, שחלקים מהם ניתנים להחלפה בכל עת.
אפשר לומר שמערכת על שבב (SoC) היא מה שקורה כאשר Vector מבית Despicable Me משתמש ב"דחיסה של קרן" במחשב מלא. עם הכוח של מזעור, System on a Chip הוא מחשב פונקציונלי שנדחס כך שיתאים לשבב סיליקון יחיד.
היכן משתמשים בצ'יפס
SoC הוא בדרך כלל זעיר ואינו תופס הרבה מקום בתוך מכשיר אלקטרוני, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור מכשירים קטנים יותר. הוא משלב חלקים רבים ושונים בשבב בודד, כלומר היצרן שלו לא צריך לבזבז זמן, כסף ומשאבים בהנחת חלקים פיזיים משמעותיים ובניית מעגלים ארוכים, מה שבתורו אומר ייצור ועלויות נמוכות יותר. מערכות על שבב יעילות הרבה יותר מאלה עם רכיבים בודדים ייעודיים כגון מחשב שולחני או מחשב נייד. SoC יכול לפעול על סוללות למשך זמן רב יותר.
הגישות המסורתיות לאלקטרוניקה היו ביצירת מערכות הפועלות על יחידותחלקים עצמאיים. דוגמאות לכך הן מחשבים ומחשבים ניידים. עם זאת, המזעור המתמיד של כל מה שמסביב אומר שהם מסתמכים יותר ויותר על מערכות קטנות יותר וחסכוניות יותר באנרגיה על שבב. סמארטפונים, טאבלטים ואפילו מכשירי IoT (האינטרנט של הדברים) מוכיחים שמערכות על שבבים הן חלק חשוב מהעתיד של כל האלקטרוניקה.
מכשיר Intel Pentium N3710
The Pentium N3710 היא מערכת ארבע ליבות-על-שבב של 64 סיביות שתוכננה על ידי אינטל והוצגה בתחילת 2015 כחלק מספר 3710. מבוססת על המיקרו-ארכיטקטורה של Airmont. שבב זה פועל במהירות 1.6GHz עם מצב של עד 2.57GHz. SoC כולל HD Graphics 405 GPU בעל 16 יחידות ביצוע ופועל במהירות 400 MHz
N3710 פרטי ארכיטקטורת מערכת על שבב:
- מעצב - Intel.
- יצרן - Intel.
- מספר דגם - N3710.
- מספר חלק - FH8066501715927
- Scope - נייד.
- גיליון - מרץ 2015
- סדרת Pentium N3000.
- תדר - 1600 מגה-הרץ.
- מהירות - 2567 מגה-הרץ (ליבה אחת).
- סוג אוטובוס - IDI CPUID 406C4.
- Microarchitecture – Airmont.
- השם הראשי הוא Braswell.
- טכנולוגיה - CMOS.
- גודל מילה - 64 סיביות.
- מקסימום מעבדים - חד-מעבד.
- הזיכרון המקסימלי הוא 8 G.
- PP טמפרטורה 0 C - 90 C.
- משולבמידע גרפי של GPU - HD Graphics 405.
- התדר המרבי הוא 700 מגה-הרץ.
היתרונות של מערכות שבבים
המטרה העיקרית של השימוש ב-SOC בעיצוב כוללת את השלבים המהווים את היתרונות של המכשיר:
- SOC קטן בגודלו אך כולל תכונות רבות.
- גמישות. במונחים של גודל שבב, כוח וגורם צורה, קשה מאוד לנצח את המערכות הללו על ידי מכשירים אחרים.
- יעילות עלות, במיוחד עבור יישומי SoC ספציפיים כגון קוד וידאו.
- המערכת-על-שבב היא אינספור. עבור מוצרים בעלי קיבולת גבוהה, הם מפשטים את הגנת משאבים ועלויות הנדסה.
עם זאת, למכשיר מעולה שכזה יש חסרונות:
- השקעה גדולה בזמן. תהליך עיצוב ה-SoC יכול להימשך בין 6 ל-12 חודשים.
- משאבים מוגבלים.
- אם מפתחים מוצר בנפח נמוך, יידרש ציוד מתקדם. אולי עדיף להשתמש בחומרה של צד שלישי, להשקיע זמן ומשאבים בתוכנת יישום.
למערכות על שבב יש את החסרון הגדול שהן אינן ניתנות להתאמה כלל. במילים אחרות, לא ניתן לשדרג אותם. מערכת על שבב בדרך כלל מתה באותה מידה שהיא נוצרה. שום דבר לא משתנה בו במהלך כל חיי השירות. אם משהו נשבר פנימי במכשיר, לא ניתן לתקן או לשנות רק את החלק הזה. צריך להחליף את כל ה-SoC.
המפיקים הגדולים ביותרצ'יפים ניידים
אנו מציעים סקירה קצרה של מערכות על שבב מיצרנים גדולים: קוואלקום, סמסונג, מדיהטק, Huawei, NVIDIA וברודקום. Qualcomm, NVIDIA ו-MediaTek מייצרות ומוכרות בעיקר SoCs ניידים עבור חברות חומרה לשימוש במכשירים שהן מייצרות. Broadcom מייצרת SoCs המשמשים בנתבים ומכשירי רשת, וסמסונג ו-Huawei לא רק מייצרות SoCs, אלא הן שתי החברות הגדולות בעולם בשימוש בהם.
אי אפשר לומר איזו מערכת בשבב היא הטובה ביותר. התכנון והפיתוח של מערכות-על-שבב נעים כל כך מהר, עד שבזמן ההשוואה, האופציה כבר תהיה מיושנת. עם זאת, יש לזכור שייתכן שה-SoC הטוב ביותר אינו הטוב ביותר עבור מעבדים או ההעברות האלחוטיות המהירות ביותר.
