真空管増幅器を使用して制御信号と処理信号を送信することから、単一の IC に CPU を統合することまで、計算能力と設計は長い道のりを歩んできました。これらの進歩は、システム オン チップの開発によってさらに飛躍しました。
システム オン チップまたは SoC は、複数のハードウェア コンポーネントと制御ソフトウェアを 1 つのチップに結合します。これには、ほとんどの場合、1 つ以上の CPU、メモリ ユニット、通信バス、電源管理コントローラー、I/O コントローラー、さらには GPU または APU が含まれます。
したがって、必要に応じて個別のハードウェア モジュールを用意する必要がなくなります。デスクトップCPUによって制御および通信します。しかし、デジタル世界の需要となる SoC にはまだまだ多くの機能があります。
このガイドでは、SoC と、それが通常のデスクトップ CPU とどのように異なるかについて説明します。
System on aチップ?
デジタルの世界では、現在使用している電子部品のサイズが大幅に縮小されています。大規模なコンピュータの使用から私たちの手で持てるコンピュータまで、統合され縮小されたテクノロジは私たちにとって恩恵となりました.
しかし、小型化は主に急速な進歩によって可能になりました.それらで使用されるプロセッサで。マイクロプロセッサとして知られる現在の CPU は、小さなスペースで 1 つの IC を使用することにより、主な処理能力または頭脳で構成されています。
次の革命は、マイクロプロセッサ、RAM、および入出力インターフェイスを 1 つのチップに統合したマイクロコントローラの製造によってもたらされました。これらのマイクロコントローラは、メモリやその他の周辺機器用のハードウェア モジュールを追加することなく、特定のアプリケーションやプログラムを実行できます。
現在、 システム オン チップ。マイクロコントローラに似ていますが、マイクロコントローラが持つ以上の機能を備えています。
CPU、メモリ、I/O コントローラ、および高度なバス、グラフィック ユニット、ワイヤレス コントローラー、GPS などを追加します。マイクロコントローラによって動作する特定のプログラムと比較して、通常のコンピュータのように多数のアプリケーションを実行できるオペレーティング システムで構成されています。
出典: Google (Tensor SoC)
SoC を構成するデバイスの 1 つがモバイル電話。写真の撮影、通話、インターネットの使用、ゲームの操作など、電話で行うすべてのタスクは、単一の SoC チップによって制御されます。電話のチップとは別に、シャツのボタンのサイズの SoC もウェアラブル デバイスに搭載されており、電話でできることのほとんどすべてを行うことができます。
Apple の M1 チップなどの SoC の進歩、完全な機能を備えたコンピューターでの使用が容易になりました。
デスクトップ CPU との違いは?
SoC と CPU はどちらも同じタスクを持っています。コンピューティングシステムで処理操作を実行する。ただし、SoC は、必要なすべてのコンポーネントを単一のシリコン ベースに組み込むという点で、従来の CPU とは異なります。通常の作業には CPU を使用しますが、SoC はプラットフォームまたは地域固有のものです。
さらに、SoC は常に CPU を備えている必要はなく、マイクロコントローラーまたは任意のデバイスを使用できます。その代わりにアプリケーション固有のユニット。ただし、デスクトップ CPU は従来の PC の不可欠な部分であり、ほとんどすべてがデスクトップ CPU を中心に展開しています。
これとは別に、これら 2 つのチップには次の機能に基づくいくつかの違いがあります。
サイズ
すべてのコンポーネントが 1 つのチップ上にあるため、サイズが大幅に縮小されます。はい、CPU も比較的小さいですが、計算能力が高いため、サイズははるかに大きくなっています。
SoC はシャツのボタンのサイズでも見つけることができます。ウェアラブルで見られます。したがって、SoC は、薄型で小型のコンピューティング デバイスや、余分なスペースを他の補完的な部品でカバーする必要がある場合に価値があります。
処理能力とレイテンシ
ほとんどの SoC はドメインです。デスクトップ CPU の一般的なコンピューティングとは異なります。これにより、SoC の処理能力と効率が特定のアプリケーションで大幅に向上します。
さらに、SoC には、すべてのコンポーネントと通信する統合バスとキャッシュ メモリがあります。これにより、SoC でのデータ フローと取得がはるかに高速になり、デスクトップ CPU を搭載した PC に外部バスが組み込まれている場合と比べてレイテンシが短縮されます。
消費電力
SoC は、処理とドメイン固有の機能を実行するために必要な電力がはるかに少なくなります。これは主に、集積回路と短い配線と接続によるものです。
したがって、通常の CPU を搭載したラップトップよりもSoC を搭載した携帯電話が長持ちする理由の 1 つは、電力が低いことです。消費。また、これにより、必要な電力あたりの処理の値が高くなり、効率的なチップにつながりました。
とはいえ、SoC は最新の強力な CPU の一部よりもパフォーマンスが優れているとは言えません。
柔軟性
SoC にはコンポーネントが組み込まれているため、個々のパーツを取り外したり交換したりして、別のパーツを使用することはできません。また、SoC全体を新しいものに置き換えることもかなり困難です。たとえば、スマートフォンのチップが損傷した場合、ほとんどの場合、新しいスマートフォンを入手する必要があります。
ただし、動作しなくなったデスクトップ CPU を変更するオプションがあります。 >。または、システムをアップグレードしたいときに、PC 用により強力なプロセッサを入手することもできます。
アップグレードについて言えば、CPU を GPU などの他のハイエンド コンポーネントと手動で統合することもできます。 、システムの全体的な効率を向上させます。ただし、SoC の場合、統合は自動的に行われ、アップグレードに使用するコンポーネントを選択することはできません。
それにもかかわらず、機能追加のハードウェアを必要とせず、比較的小さな領域で SoC を使用することは、さまざまな種類のコンピューティング デバイスで柔軟に利用できます。デスクトップ CPU に関しては、他のコンポーネントがないとまったく役に立ちません。
コスト
オールインワン テクノロジであるため、システム オン ア-のコストはチップはデスクトップ CPU よりはるかに高い。しかし、ドメインあたりの設計コストと処理能力あたりのコストを調べると、はるかに安価です。さらに、特定の分野向けに SoC を大量生産することもできるため、その特定のアプリケーション向けの価格を下げることができます。
それでも、SoC を汎用に使用したい場合
SoC の違い、できれば優位性について話しましたが、SoC がどのように設計されているかについて好奇心をそそられることは間違いありません。とその種類。以下でそれらを見てみましょう。
システム オン チップのタイプ
システム オン チップは通常、それを構成するコンポーネントの性質に基づいて 3 つのタイプに分類されます。
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マイクロプロセッサベースの SoC
これらのシステム オン チップは、マイクロプロセッサを中心に設計されています。まず、CPU が含まれ、メモリ、GPU、WiFi などの他の部品がチップに組み込まれます。
マイクロプロセッサ ベースの SoC の一例は、携帯電話で使用される Snapdragon チップです。. Kryo CPU で構成され、3G/LTE、WiFi、カメラ モジュール、USB コントローラー、GPU などで拡張されます。さらに、Apple の M1 チップもその 1 つです。
マイクロコントローラー ベースの SoC
これらの SoC は、マイクロコントローラーをメイン処理ユニットとして使用して構築されます。その他の必要な機能はすべて、で動作するように追加されています。
テキサス インスツルメンツによって構築された CC2540 SoC は、8051 マイクロコントローラーとコンポーネントを使用して設計されています。 Bluetooth モジュール、バッテリーおよび温度モニター、USB インターフェイスなどが追加されています。
特定用途向け SoC
特定用途向けシステムオンチップは、一般的なコンピューティング タスクではなく、特定のドメイン。ここでは、処理ユニットは特定のタスクのみを実行し、チップは特定の領域で必要な追加コンポーネントのみを組み込みます。
たとえば、ウェアラブルの駆動に使用されるチップ フィットネス モニター、時間、一部のセル ネットワークを実行するための特定のコンポーネントとソフトウェアで構成されています。同様に、ビデオ処理用の SoC には、画像圧縮、色再現など専用のコントローラーが含まれる場合があります。
これとは別に、防衛エレクトロニクス、自動車内の通信、IoT などは、いくつかの特定のアプリケーションです。
そのアーキテクチャはどのように設計されていますか?
システムオンチップは特にエリア固有のコンピューティング向けであるため、そのアーキテクチャとコンポーネントはそれぞれ異なります。それにもかかわらず、基本的なプラットフォームと構成は同じままで、制御、通信、処理、およびメモリという 4 つの主要な機能に焦点を当てています。
SoC 内のすべてのコンポーネントは、単一のユニットには、論理演算と信号の流れを制御する主要なハードウェアが必要です。この役割は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラに与えられます。これにより、多数の計算が並行して継続され、プロセスが競合することなくスムーズに行われることが保証されます。
ただし、マイクロプロセッサのキャッシュは集中管理されており、他のコンポーネントでは機能しません。そのため、そのアーキテクチャは、専用の通信用に複数のシステム バス、シリアル接続、ポイント ツー ポイント接続などで設計されています。これらの通信手段は、同期信号、データまたはアドレス転送、および制御信号の転送を担当します。
その目的のために、バス マスターによって制御される高速バスがあり、バス ブリッジによって結合されて、
次のアーキテクチャ設計パラメータは、処理機能の要件です。中央処理は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラによって行われます。 その他の計算単位はドメイン固有です。たとえば、ヘルス モニタリング用の SoC は、人体から受信した信号を処理するための特殊なユニットで構成されています。
これらすべてのユニットを統合した後、SoC はキャッシュ ストレージ用の分散メモリ システムを必要とします。一時データと永続ファイル。このために、メモリにはいくつかの主要なタイプがあります。高速メモリ検索用のレジスタまたは DRAM、プログラムの読み取り専用データを永続的に保存するための不揮発性 ROM、およびデータ保存用の NVRAM です。
最後に、カスタム要件に従って追加のハードウェアが必要な場合、これらは統合されてメインプロセッサによって制御され、バスを介して通信されます。また、特にそれに適した処理ユニットとメモリを利用できます。