Можно сказать, что SoC — это техническое решение с самым сложным процессом и производством самых высококачественных чипов на сегодняшний день.

SoC: Маленький размер, большие функции

SoC — это система на кристалле, китайское название — система на чипе, также относится к чипу системного уровня. Это продукт на интегральной схеме специального назначения, который содержит все содержимое полной системы и встроенного программного обеспечения. В то же время это технология, используемая для реализации всего процесса от определения функций системы до разделения программного и аппаратного обеспечения и завершения проектирования.

Основным и наиболее важным чипом в смартфонах и компьютерах является чип SoC.

Смартфоны, вероятно, являются наиболее часто используемыми электронными продуктами с SoC в нашей жизни. Мозг мобильного телефона, так называемый «процессор», принадлежит SoC. Текущие основные SoC для мобильных телефонов включают Snapdragon 8Gen1, Kirin 9000, Dimensity 9000 и т. д. Эти SoC объединяют CPU (центральный процессор), GPU (графический процессор), NPU (встроенная нейронная сеть), ISP (обработка изображений), базовую полосу связи и хранилище и т. д., объединяя множество функциональных блоков в один чип, объединенный в систему.

Проще говоря, SoC — это чип, который объединяет процессор, графический процессор, хранилище, дисплей и другие функции. Маленький, но полный.

Подводя итог, можно видеть, что SoC имеет чрезвычайно высокую степень интеграции, что позволяет сократить использование периферийных модулей и схем, что очень полезно для сокращения цикла разработки и снижения затрат на разработку. В настоящее время компьютерные процессоры также развиваются в сторону SoC. Некоторые модели процессоров интегрируют в процессор память, Wi-Fi и т. д., что позволяет создавать компьютеры меньшего размера.

Если взять в качестве примера Kirin 9000, он объединяет ядро Cortex, графический процессор серии Mali, базовую полосу 5G и другие функции. Мы можем видеть ядро Cortex в конструкциях SoC для мобильных телефонов многих производителей, что отражает возможность многократного использования IP-ядра SoC. Используемое им ядро использует четыре Cortex-A77 и четыре Cortex-A75, что также соответствует характеристикам SoC, который может иметь несколько IP-ядер.

Кроме того, наибольшее влияние на производительность SoC оказывают: одноядерный процессор, многоядерный процессор и графический процессор. Ключ к многоядерной производительности ЦП зависит от архитектуры: X2≈ мощный). Производительность процессора и графического процессора продуктов одного уровня обычно соответствует.

SoC: Классификация и конструкция

Можно сказать, что SoC для мобильных телефонов относятся к SoC высокого класса, напротив, существуют также SoC низкого и среднего и низкого уровня; SoC бюджетного уровня можно просто понимать как ядро MCU плюс определенные функциональные периферийные устройства. Обычно используемые ядра MCU — это ядро 8051 и ядро Cortex-M4. Например, SoC Bluetooth, разработанный и произведенный TI — CC2541 (соответствующий есть у Ebyte). продукты: E104-BT01) использует ядро 8051, которое также является ядром Cortex-M3, используемым Bluetooth SoC TI — CC2640 (у Ebyte также есть соответствующий продукт: E72-2G4M05S1B).

На следующем рисунке представлена упрощенная структурная блок-схема CC2541: Как видно из него, SoC содержит 51 ядро, управление памятью, другие периферийные устройства и т. д., а его конкретной функцией является функция радиочастоты Bluetooth. Можно сказать, что разные SoC подходят для разных областей.

//

  Процесс проектирования SoC (1)

Проектирование SoC требует одновременной разработки программного и аппаратного обеспечения. В соответствии с требованиями к проектированию выполняются моделирование и моделирование, а части программного и аппаратного обеспечения разделяются по функциям. После совместной разработки программного и аппаратного обеспечения, после тестирования и производства получается используемый SoC.

На рисунке ниже показан процесс проектирования SoC:

//

Процесс проектирования SoC (2)

Высокопроизводительные чипы SoC, такие как Kirin 990 от Huawei HiSilicon — самый продвинутый чип процессора для мобильных телефонов на рынке сегодня, объединяющий модуль искусственного интеллекта нейронной сети, состоящий из 8-ядерного процессора, 16-ядерного графического процессора и 3-ядерного процессора. Модули управления NPU и высокоскоростной флэш-памятью, модули обработки изображений, модули обработки аудио и видео и многое другое. По сравнению с Kirin 980 также добавлен модуль 5G.

Этот SoC высокого уровня требует очень сложной конструкции и обработки. Модули ЦП, графического процессора и NPU высокопроизводительных чипов SoC должны использовать самые передовые технологические процессы, что приводит к высоким затратам, сложным процессам и низкой производительности. Например, Kirin 990 использует 7-нанометровую технологию обработки TSMC. 7-нанометровый узел требует более 4000 процессов, из которых только стоимость фотолитографической маски обходится в десятки миллионов долларов, а общая стоимость проектирования чипа достигает сотен. миллионы долларов. Поэтому весь чип такой дорогой.

SIP : Передовые технологии упаковки

Помимо SoC, вы иногда также слышите о SIP (система в пакете), которая представляет собой упаковку системного уровня. Грубо говоря, SoC и SIP интегрируют в систему логические компоненты и компоненты памяти, но разница между ними заключается в том, что SoC представляет собой набор отдельных микросхем с самого начала проектирования, тогда как SIP использует технологию инкапсуляции, необходимые функциональные модули; (модули также можно использовать по отдельности или устанавливать для внешнего использования) инкапсулированы вместе для достижения практически полной функциональности.

В качестве примера возьмем ASR6505, используемый в продуктах Ebyte серии E78-900M, и EFR32FG1P131, используемый в серии E76. ASR6505 — это SIP-пакет, универсальный набор микросхем беспроводной связи LoRa, объединяющий 8-битное ядро STM (STM8L152) и радиоприемопередатчик LoRa (SX1262). Он также относится к категории MCU.

На рисунке ниже показана блок-схема модуля ASR6505. Выводы, полученные из ASR6505, включают в себя выводы SPI, DIO и контакты BUSY, связанные с связью SX1262 и MCU, которые соединены внутри микросхемы. Кварцевый генератор, UART, I2C и другие контакты выведены извне для расширения и развития других функций чипа. При разработке этого чипа мы можем полностью следовать методу разработки STM 8.

Блок-схема модуля связи ASR6505 и ASR LoRa

EFR32, используемый в серии E76, принадлежит SoC. Как показано на рисунке ниже, видно, что внутренняя система чипа EFR32 включает в себя процессор (с использованием ядра ARM Cortex-M4) и часть памяти, управление часами, управление питанием, радио (включая Bluetooth 4.2, Sub-G, и т. д.), последовательная шина связи, ввод-вывод, таймеры, аналоговые интерфейсы и функции безопасности и т. д. Эти функции интегрированы в одном чипе для выполнения функций электронной системы. И SIP, и SoC имеют свои преимущества и характеристики. Что касается SoC, из-за технических препятствий, циклов проектирования и т. д. разработка SIP привлекает все больше и больше внимания в отрасли.

Блок-схема системы EFR32

Отечественный SoC: Статус разработки

Высокопроизводительные чипы SoC в настоящее время обладают возможностями исследований и разработок Apple, Samsung и Huawei. SoC серии Kirin от Huawei HiSilicon спроектирован и разработан независимо компанией Huawei и соответствует стандартам серии A от Apple, процессору Qualcomm Snapdragon и процессору Orion от Samsung. Однако из-за санкций TSMC больше не является OEM-производителем Huawei.

После краха Huawei HiSilicon Ziguang Zhanrui считался отечественным лидером SoC и стал одним из самых многообещающих отечественных производителей чипов в «пост-Hisilicon эпоху». UNISOC проложила свой собственный путь в области Интернета вещей. Согласно последнему исследовательскому отчету Counterpoint, UNISOC заняла второе место на мировом рынке чипов сотового Интернета вещей с долей рынка 26,8% в третьем квартале 2021 года и обогнала Qualcomm, став номером один в мире в сегменте чипов LTE Cat.1.

Кроме того, стоит обратить внимание на SoC потребительского уровня, такие как Rockchip, Amlogic, Fullhan Micro и Espressif Systems. Rockchip является пионером в области отечественных SoC для основного управления аудио и видео, Amlogic является лидером в области отечественных SoC для мультимедийных терминалов и одним из немногих поставщиков телевизионных чипов в Китае. Коммуникационный чип Wi-Fi MCU SoC компании Espressif Technology и его модули представлены на мировом рынке. Занимая первое место по доле, ASP чипов Richhan Micro ISP является лидером в этой области.

В настоящее время ассортимент отечественных чипов SoC довольно обширен, но базовая архитектура по-прежнему опирается на международные архитектуры ARM и X86. Под влиянием санкций развитию отечественных чипов SoC предстоит пройти долгий путь.