Системы на кристалле (SoC): что это такое, зачем используется и какое будущее у технологии

Система на кристалле (SoC, System on Chip) — это интегральная схема, объединяющая все функциональные элементы вычислительного устройства на одном полупроводниковом кристалле. В отличие от традиционного подхода, где различные компоненты, такие как центральный процессор (CPU), графический процессор (GPU), оперативная память и периферийные устройства, располагаются на отдельных микросхемах, SoC объединяет их в одном устройстве. SoC позволяет создать компактное, энергоэффективное и высокопроизводительное решение для мобильных устройств, встраиваемых систем и множества других ниш. В этой статье мы более подробно разберемся, как появились SoC-чипы, что они из себя представляют, где применяются и как будут эволюционировать такие системы в будущем.

Появление SoC стало естественным развитием микропроцессорных технологий. В 1970-х годах первые микропроцессоры, такие как Intel 4004, представляли собой отдельные интегральные схемы с ограниченными вычислительными возможностями. При этом, интеграция компонентов на одном кристалле с процессором полностью отсутствовала — все они распаивались отдельно на большой печатной плате, контроллер памяти интегрировался на отдельных северных и южных мостах. Также активно использовались вспомогательные процессоры, которые выполняли специализированные задачи, такие как управление вводом-выводом, выполнение математических операций и управление памятью, компенсируя ограниченные возможности основного CPU. Со временем инженеры начали разрабатывать более сложные процессоры и устройства, которые включали большее количество функций, но по-прежнему требовали внешних компонентов для выполнения определенных задач.

К 1990-м годам начался активный рост индустрии мобильных устройств, что потребовало создания более компактных и энергоэффективных решений. Одним из первых значимых шагов к концепции SoC стала разработка компании ARM, которая предложила архитектуру процессоров, способных работать в режиме низкого энергопотребления, при этом обеспечивая достаточную производительность для мобильных приложений.

Рост популярности смартфонов и планшетов привел к тому, что производители начали искать способы интеграции всех ключевых компонентов системы в одно устройство, что позволило бы сократить энергопотребление, уменьшить занимаемое пространство и улучшить производительность. Этот тренд стал основой для появления SoC, которая со временем стала ключевой технологией для множества устройств.

Как уже было упомянуто, SoC представляет собой интегральную схему, объединяющую на одном кристалле несколько компонентов вычислительной системы. Это позволяет уменьшить количество отдельных микросхем и сделать устройство более компактным и экономичным с точки зрения потребления энергии.

SoC может включать в себя следующие компоненты:

• Центральный процессор (CPU) — ядра, которые обрабатывают основную вычислительную нагрузку.
• Графический процессор (GPU) — отвечает за обработку графики и выполнение задач, связанных с графическими вычислениями;
• Нейронный процессор (NPU) — отвечает за ускорение выполнения операций, связанных с искусственным интеллектом;
• Модули управления памятью — контролируют доступ к оперативной памяти (RAM);
• Интерфейсы ввода-вывода (I/O) — для подключения периферийных устройств, таких как камеры, сенсоры, дисплеи, клавиатуры и т.д.;
• Цифровые сигнальные процессоры (DSP) — обрабатывают сигналы в реальном времени, такие как звук или изображение;
• Модули связи — обеспечивают работу с сетями (Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G);
• Системы управления питанием — оптимизируют потребление энергии;
• Структуры памяти (RAM) — память HBM может быть интегрирована прямо в SoC. 

Хотя системы на кристалле (SoC) и традиционные полупроводниковые интегральные схемы часто сопоставляют, между ними существует важное различие. SoC можно рассматривать как следующую ступень эволюции интегральных микросхем. Если обычные интегральные схемы представляют собой преимущественно набор компонентов, которые объединены друг с другом в одной схеме, то для SoC требуется интеграция всех аппаратных компонентов на одном кристалле, что делает такие чипы полностью самостоятельным устройством. Это увеличивает сложность разработки и тестирования готового продукта, требуя значительных ресурсов и времени.

Для создания конкурентоспособной системы на кристалле необходимо учитывать множество факторов: баланс между стоимостью, производительностью, размерами чипа и сроками вывода продукта на рынок. Однако с ростом сложности SoC задачи проектировщиков становятся все более трудоемкими, так как любая ошибка на этапе проектирования может привести к необходимости переделывать систему с нуля, что требует значительных затрат и ресурсов.

Архитектура ARM является самой популярной для создания SoC-чипов, поскольку ввиду сниженного энергопотребления при оптимальном уровне производительности. Чтобы создать SoC на архитектуре ARM, сначала разработчикам нужно приобрести лицензию у компании ARM Holdings. Разработчики могут получить лицензию на готовые процессорные ядра (например, Cortex-A или Cortex-M) и интегрировать их в свои чипы, или же приобрести архитектурную лицензию для создания своих кастомных процессоров на базе ARM-архитектуры, как это делают Apple или Qualcomm. 

Создание SoC на базе x86 архитектуры включает в себя работу с лицензированными процессорными ядрами от Intel или AMD, так как x86 архитектура является закрытой и лицензируется только этими двумя компаниями. Процесс разработки включает интеграцию процессорных ядер, контроллеров памяти, графических и периферийных интерфейсов. Такие SoC-чипы на базе x86 часто используют в ноутбуках, компактных серверах и устройствах, где производительности процессоров на архитектуре ARM будет недостаточно. 

SoC имеет несколько серьезных преимуществ, которые делают их предпочтительными для мобильных устройств и встраиваемых систем:

• Компактность. Одним из главных преимуществ SoC является его размер. За счет того, что все основные компоненты находятся на одном кристалле, размеры устройств могут быть значительно уменьшены. Это особенно важно для мобильных гаджетов, таких как смартфоны и умные часы, где каждый миллиметр пространства на вес золота;
• Энергоэффективность. Компактная архитектура SoC позволяет сократить энергопотребление, что является важным критерием для мобильных устройств. Использование общего кристалла для всех компонентов снижает потребление энергии, так как уменьшается количество компонентов, требующих дополнительного питания;
• Производительность. Интеграция всех компонентов на одном кристалле также способствует улучшению производительности. Передача данных между различными модулями внутри SoC происходит быстрее, чем между отдельными микросхемами, что уменьшает задержки и повышает скорость выполнения операций;
• Удешевление производства. Производство устройства на базе SoC дешевле, поскольку не требуется использование множества отдельных микросхем и межсоединений. Вдобавок к этому, интеграция компонентов на одном кристалле снижает количество брака на производстве;
• Снижение задержек. Так как все компоненты находятся на одном кристалле, взаимодействие между ними происходит быстрее, что уменьшает задержки при выполнении различных операций.

Несмотря на множество преимуществ, SoC также имеет свои недостатки:

• Ограниченные возможности модернизации. Одним из ключевых минусов SoC является то, что их невозможно конфигурировать или заменять компоненты. В отличие от традиционных систем, где можно заменить процессор, память или сетевой адаптер, SoC не позволяет выполнять подобные манипуляции. Это делает такие системы менее гибкими в плане улучшения их функционала и характеристик;
• Тепловыделение. При высокой нагрузке все компоненты SoC работают одновременно, что приводит к значительному тепловыделению. В небольших устройствах, таких как смартфоны или планшеты, это может стать проблемой, так как там отсутствуют эффективные системы охлаждения, как в серверах или ПК;
• Ограниченная производительность. Хотя SoC эффективны для мобильных и встраиваемых систем, они уступают по мощности традиционным десктопным и серверным системам с отдельными процессорами и графическими картами. Это делает SoC менее подходящими для задач, требующих высокой вычислительной мощности, таких как профессиональная работа с графикой, рендеринг видео и научные вычисления. Одной из причин является то, что максимальная интеграция компонентов ограничивает возможность размещения рекордного числа ядер или достижения высоких частот.
• Сложность разработки. Создание SoC требует высокой квалификации сотрудников и значительных финансовых затрат от производителей, поскольку необходимо разработать и интегрировать множество различных компонентов на одном кристалле.

Благодаря своей универсальности и компактности, SoC используется в различных областях, начиная от мобильных устройств и заканчивая серверами и даже автомобилями. Рассмотрим основные сферы применения SoC:

Смартфоны являются одной из самых популярных областей применения SoC. В современном телефоне каждый миллиметр пространства критически важен, а энергопотребление должно быть минимальным для увеличения времени работы аккумулятора. Благодаря SoC смартфоны способны выполнять широкий спектр задач: от игр и просмотра видео до сложных вычислительных операций и обработки изображений с камеры. Ведущие производители, такие как Apple, Qualcomm и Samsung, разрабатывают свои собственные SoC для мобильных устройств, что позволяет им создавать более эффективные и мощные решения.

Умные часы также используют SoC благодаря их небольшому размеру и потребности в энергоэффективности. В устройствах такого типа необходимо сочетание высокой производительности и минимального энергопотребления для обеспечения долгой работы на одном заряде. SoC позволяет реализовать в умных часах такие функции, как мониторинг здоровья, трекинг активности, работу с уведомлениями и интеграцию с другими устройствами.

Хотя традиционные настольные компьютеры и ноутбуки долгое время использовали раздельные процессоры и графические карты, SoC-чипы активно проникают и в эту область и все больше десктопных устройств создаются с использованием систем на кристалле. Например, Apple в своих новейших компьютерах использует SoC серии Apple Silicon M (M1, M2, M3, M4), которые интегрируют в себе процессор, графику и другие компоненты, что позволяет повысить их производительность и энергоэффективность. Десктопные SoC-чипы также выпускаются компаниями Intel и AMD, например, Intel Core Ultra 200V и AMD Ryzen AI 300.

Некоторые серверные решения также начали использовать SoC, особенно для задач, требующих высокой плотности вычислений и низкого энергопотребления. Например, процессоры на базе SoC, такие как Intel Xeon D, AMD EPYC Embedded и Ampere One находят применение в дата-центрах, где ключевыми требованиями являются энергоэффективность и возможность работы в условиях высокой нагрузки без чрезмерного тепловыделения. Также ARM SoC отлично прижились в секторе периферийных устройств, так как для такого оборудования важна максимальная энергоэффективность, надежность и компактность. Часто в таких системах используются системы SoC в дополнении с BGA-корпусом.

Одноплатные компьютеры

Помимо вышеперечисленных устройств, малые габариты и экономичное энергопотребление пригодились при использовании SoC-процессоров в одноплатных компьютерах, которые применяются в сфере IoT, домашних лабораториях и портативных серверах. Ярким примером SoC-чипа, используемого в одноплатных компьютерах, является четырехъядерный чип Broadcom BCM2712 на базе архитектуры ARM Cortex A76. 

SoC-процессор Broadcom BCM2712, интегрируемый в одноплатный компьютер Raspberry Pi 5. Источник: Raspberry Pi.

Перспективы развития SoC выглядят многообещающими. С развитием технологий и появлением все более сложных вычислительных задач, а также стремления к компактности, производители продолжают улучшать производительность и энергоэффективность своих решений, снижая их габариты. В ближайшие годы можно ожидать, что SoC продолжит захватывать рынок, расширяя список возможностей таких систем, а также количество сфер применения, в которых они могут эффективно задействоваться.

Система на кристалле (SoC) — это важное достижение в области полупроводниковых систем, которое позволило создать компактные, энергоэффективные и производительные решения для множества современных устройств. Несмотря на ряд недостатков, таких как невозможность апгрейда и проблемы с тепловыделением, SoC остается основным выбором для мобильных и встраиваемых систем. С развитием технологий и появлением новых задач, таких как углубленные вычисления, связанные с искусственным интеллектом и машинным обучением, можно ожидать, что роль SoC будет только возрастать, а их возможности будут становиться все более универсальными.