Что такое однокристальный процессор

Обновлено: 07.07.2024

Как устроен процессор. Почему за ARM будущее?Современного потребителя электроники очень сложно удивить. Мы уже привыкли к тому, что наш карман законно занимает смартфон, в сумке лежит ноутбук, на руке послушно отсчитывают шаги «умные» часы, а слух ласкают наушники с активной системой шумоподавления.

Забавная штука, но мы привыкли носить с собой не один, а сразу два, три и более компьютеров. Ведь именно так можно назвать устройство, у которого есть процессор. И вовсе неважно, как выглядит конкретный девайс. За его работу отвечает миниатюрный чип, преодолевший бурный и стремительный путь развития.

Почему мы подняли тему процессоров? Все просто. За последние десять лет произошла настоящая революция в мире мобильных устройств.

Между этими устройствами всего 10 лет разницы. Но Nokia N95 тогда нам казалась космическим девайсом, а на ARKit сегодня мы смотрим с определенным недоверием

А ведь все могло бы сложиться иначе и потрепанный Pentium IV так бы и остался пределом мечтаний рядового покупателя.

Мы постарались обойтись без сложных технических терминов и рассказать, как работает процессор, и выяснить, за какой архитектурой будущее.

1. С чего все началось

Первые процессоры были абсолютно не похожи на то, что вы можете видеть, приоткрыв крышку системного блока вашего ПК.

Вместо микросхем в 40-е годы XX века использовались электромеханические реле, дополненные вакуумными лампами. Лампы выполняли роль диода, регулировать состояние которого можно было за счет понижения или повышения напряжения в цепи. Выглядели такие конструкции так:

Для работы одного исполинского компьютера нужны были сотни, иногда тысячи процессоров. Но, при этом, вы не смогли бы запустить на таком компьютере даже простенький редактор, как NotePad или TestEdit из штатного набора Windows и macOS. Компьютеру банально не хватило бы мощности.

2. Появление транзисторов

Первые полевые транзисторы появились еще в 1928 году. Но мир изменился лишь после появления так называемых биполярных транзисторов, открытых в 1947-м.

В конце 40-х физик-экспериментатор Уолтер Браттейн и теоретик Джон Бардин разработали первый точечный транзистор. В 1950 его заменил первый плоскостной транзистор, а в 1954 году небезизвестный производитель Texas Instruments анонсировал уже кремниевый транзистор.

Но настоящая революция наступила в 1959 году, когда ученый Жан Энри разработал первый кремниевый планарный (плоский) транзистор, который стал основой для монолитных интегральных схем.

Да, это немного сложно, поэтому давайте копнем немного глубже и разберемся с теоретической частью.

3. Как работает транзистор

Итак, задача такого электрического компонента как транзистор заключается в управлении током. Проще говоря, этот немного хитрый переключатель, контролирует подачу электричества.

Основное преимущество транзистора перед обычным переключателем в том, что он не требует присутствия человека. Т.е. управлять током такой элемент способен самостоятельно. К тому же, он работает намного быстрее, чем вы бы самостоятельно включали или отключали электрическую цепь.

Из школьного курса информатики вы, наверняка, помните, что компьютер «понимает» человеческий язык за счет комбинаций всего двух состояний: «включено» и «выключено». В понимании машины это состояние "0" или "1".

Задача компьютера заключается в том, чтобы представить электрический ток в виде чисел.

И если раньше задачу переключения состояний выполняли неповоротливые, громоздкие и малоэффективные электрические реле, то теперь эту рутинную работу взял на себя транзистор.

С начала 60-х транзисторы стали изготавливать из кремния, что позволило не только делать процессоры компактнее, но и существенно повысить их надежность.

Но сначала разберемся с диодом

Кремний (он же Si – "silicium" в таблице Менделеева) относится к категории полупроводников, а значит он, с одной стороны, пропускает ток лучше диэлектрика, с другой, – делает это хуже, чем металл.

Хочется нам того или нет, но для понимания работы и дальнейшей история развития процессоров придется окунуться в строение одного атома кремния. Не бойтесь, сделаем это кратко и очень понятно.

Задача транзистора заключается в усилении слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

У атома кремния есть четыре электрона, благодаря которым он образует связи (а если быть точным – ковалентные связи) с такими же близлежащими тремя атомами, формируя кристаллическую решетку. Пока большинство электронов находятся в связи, незначительная их часть способна двигаться через кристаллическую решетку. Именно из-за такого частичного перехода электронов кремний отнесли к полупроводникам.

Но столь слабое движение электронов не позволило бы использовать транзистор на практике, поэтому ученые решили повысить производительность транзисторов за счет легирования, а проще говоря – дополнения кристаллической решетки кремния атомами элементов с характерным размещением электронов.

Так стали использовать 5-валентную примесь фосфора, за счет чего получили транзисторы n-типа. Наличие дополнительного электрона позволило ускорить их движение, повысив пропуск тока.

При легировании транзисторов p-типа таким катализатором стал бор, в который входят три электрона. Из-за отсутствия одного электрона, в кристаллической решетке возникают дырки (выполняют роль положительного заряда), но за счет того, что электроны способны заполнять эти дырки, проводимость кремния повышается в разы.

Предположим, мы взяли кремниевую пластину и легировали одну ее часть при помощи примеси p-типа, а другую – при помощи n-типа. Так мы получили диод – базовый элемент транзистора.

Теперь электроны, находящиеся в n-части, будут стремится перейти в дырки, расположенные в p-части. При этом n-сторона будет иметь незначительный отрицательный, а p-сторона – положительный заряды. Образованное в результате этого «тяготения» электрическое поле –барьер, будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов.

Если к диоду подключить источник питания таким образом, чтобы "–" касался p-стороны пластины, а "+" – n-стороны, протекание тока будет невозможно из-за того, что дырки притянутся в минусовому контакту источника питания, а электроны – к плюсовому, и связь между электронами p и n стороны будет утеряна за счет расширения объединенного слоя.

Но если подключить питание с достаточным напряжением наоборот, т.е. "+" от источника к p-стороне, а "–" – к n-стороне, размещенные на n-стороне электроны будут отталкиваться отрицательным полюсом и выталкиваться на p-сторону, занимая дырки в p-области.

Но теперь электроны притягивает к положительному полюсу источника питания и они продолжаются перемещаться по p-дыркам. Это явление назвали прямым смещением диода.

Диод + диод = транзистор

Сам по себе транзистор можно представить как два, состыкованных друг к другу диода. При этом p-область (та, где размещены дырки) у них становится общей и именуется «базой».

У N-P-N транзистора две n-области с дополнительными электронами – они же «эмиттер» и «коллектор» и одна, слабая область с дырками – p-область, именуемая «базой».

Если подключить источник питания (назовем его V1) к n-областям транзистора (независимо от полюса), один диод получит обратное смещение и транзистор будет находиться в закрытом состоянии.

Но, как только мы подключим еще один источник питания (назовем его V2), установив "+" контакт на «центральную» p-область (базу), а "–" контакт на n-область (эмиттер), часть электронов потечет по вновь образованной цепи (V2), а часть будет притягиваться положительной n-областью. В результате, электроны потекут в область коллектора, а слабый электрический ток будет усилен.

4. Так как все-таки работает компьютер?

Как автор данного материала, я хочу сразу извиниться за утомительное объяснение несколькими абзацами выше. Но именно понимание принципа работы транзистора даст вам понимание того, как работает компьютер.

А теперь самое главное.

В зависимости от подаваемого напряжения, транзистор может быть либо открыт, либо закрыт. Если напряжение недостаточное для преодоления потенциального барьера (того самого на стыке p и n пластин) – транзистор будет находится в закрытом состоянии – в состоянии «выключен» или, говоря языком двоичной системы – "0".

При достаточно напряжении транзистор открывается, а мы получаем значение «включен» или "1" в двоичной системе.

Такое состояние, 0 или 1, в компьютерной индустрии назвали «битом».

Т.е. мы получаем главное свойство того самого переключателя, который открыл человечеству путь к компьютерам!

В первом электронном цифровом вычислителе ЭНИАК, а проще говоря – первом компьютере, использовалось около 18 тысяч ламп-триодов. Размер компьютера был сопоставим с теннисным кортом, а его вес составлял 30 тонн.

Для понимания работы процессора нужно понять еще два ключевых момента.

Момент 1. Итак, мы определились с тем, что такое бит. Но с его помощью мы можем лишь получить две характеристики чего-либо: или «да» или «нет». Для того, чтобы компьютер научился понимать нас лучше, придумали комбинацию из 8 битов (0 или 1), которую прозвали байтом.

Используя байт можно закодировать число от нуля до 255. Используя эти 255 чисел – комбинаций нулей и единиц, можно закодировать все что угодно.

Момент 2. Наличие чисел и букв без какой-либо логики нам бы ничего не дало. Именно поэтому появилось понятие логических операторов.

Подключив всего два транзистора определенным образом, можно добиться выполнения сразу нескольких логических действий: «и», «или». Комбинация величины напряжения на каждом транзисторе и тип их подключения позволяет получить разные комбинации нулей и единиц.

Стараниями программистов значения нулей и единиц, двоичной системы, стали переводить в десятичную для того, чтобы мы могли понять, что именно «говорит» компьютер. А для ввода команд привычные нами действия, вроде ввода букв с клавиатуры, представлять в виде двоичной цепи команд.

Проще говоря, представьте, что есть таблица соответствия, скажем, ASCII, в которой каждой букве соответствует комбинация 0 и 1. Вы нажали кнопку на клавиатуре, и в этот момент на процессоре, благодаря программе, транзисторы переключились таким образом, чтобы на экране появилась та самая, написанная на клавише буква.

Это довольно примитивное объяснение принципа работы процессора и компьютера, но именно понимание этого позволяет нам двигаться дальше.

5. И началась транзисторная гонка

После того, как в 1952 году британский радиотехник Джеффри Дамер предложил размещать простейшие электронные компоненты в монолитном кристалле полупроводника, компьютерная индустрия сделал семимильный шаг вперед.

От интегральных схем, предложенных Дамером, инженеры быстро перешли на микрочипы, в основе которых использовались транзисторы. В свою очередь, нескольких таких чипов уже образовывали сам процессор.

Разумеется, что размеры таких процессоров мало чем схожи с современными. К тому же, вплоть до 1964 года у всех процессоров была одна проблема. Они требовали индивидуального подхода – свой язык программирования для каждого процессора.

А дальше началась гонка техпроцессов. Задачей чипмейкеров стало в производственных масштабах как можно плотнее разместить транзисторы друг возле друга, добившись уменьшенного технологического процесса.

1964 год IBM System/360. Компьютер, совместимый с универсальным программным кодом. Набор инструкций для одной модели процессора мог использоваться и для другой.

70-e годы. Появление первых микропроцессоров. Однокристальный процессор от Intel. Intel 4004 – 10 мкм ТП, 2 300 транзисторов, 740 КГц.

1973 год Intel 4040 и Intel 8008. 3 000 транзисторов, 740 КГц у Intel 4040 и 3 500 транзисторов при 500 кГц у Intel 8008.

1974 год Intel 8080. 6 мкм ТП и 6000 транзисторов. Тактовая частота около 5 000 кГц. Именно этот процессор использовался в компьютере Altair-8800. Отечетсвенная копия Intel 8080 – процессор КР580ВМ80А, разработанный Киевским НИИ микроприборов. 8 бит.

1976 год Intel 8080. 3 мкм ТП и 6500 транзисторов. Тактовая частота 6 МГц. 8 бит.

1976 год Zilog Z80. 3 мкм ТП и 8500 транзисторов. Тактовая частота до 8 МГц. 8 бит.

1978 год Intel 8086. 3 мкм ТП и 29 000 транзисторов. Тактовая частота около 25 МГц. Система команд x86, которая используется и сегодня. 16 бит.

1980 год Intel 80186. 3 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Тактовая частота – до 25 МГц. 16 бит.

1982 год Intel 80286. 1,5 мкм ТП и 134 000 транзисторов. Частота – до 12,5 МГц. 16 бит.

1982 год Motorola 68000. 3 мкм и 84 000 транзисторов. Этот процессор использовался в компьютере Apple Lisa.

1985 год Intel 80386. 1,5 мкм тп и 275 000 транзисторов.Частота – до 33 МГц в версии 386SX.

Казалось бы, продолжать список можно было бы до бесконечности, но тут инженеры Intel столкнулись с серьезной проблемой.

6. Закон Мура или как чипмейкерам жить дальше

На дворе конец 80-х. Еще в начале 60-х один из основателей компании Intel Гордон Мур формулировал так называемый «Закон Мура». Звучит он так:

Каждые 24 месяца количество транзисторов, размещенных на кристалле интегральной схемы, удваивается.

Назвать этот закон законом сложно. Вернее будет окрестить его эмпирическим наблюдением. Сопоставив темпы развития технологий, Мур сделал вывод, что может сформироваться подобная тенденция.

Но уже во время разработки четвертого поколения процессоров Intel i486 инженеры столкнулись с тем, что уже достигли потолка производительности и больше не могут разместить большее количество процессоров на той же площади. На тот момент технологии не позволяли этого.

В качестве решения был найден вариант с использованием рядом дополнительных элементов:

Часть вычислительной нагрузки ложилась на плечи этих четырех узлов. В результате, появление кэш-памяти с одной стороны усложнило конструкцию процессора, с другой – он стал значительно мощнее.

Процессор Intel i486 состоял уже из 1,2 млн транзисторов, а максимальная частота его работы достигла 50 МГц.

В 1995 году к разработке присоединяется компания AMD и выпускает самый быстрый на тот момент i486-совместимый процессор Am5x86 на 32-битной архитектуре. Изготавливался он уже по 350 нанометровому техпроцессу, а количество установленных процессоров достигло 1,6 млн штук. Тактовая частота повысилась до 133 МГц.

Но гнаться за дальнейшим наращиванием количества установленных на кристалле процессоров и развитии уже утопической архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computing) чипмейкеры не решились. Вместо этого американский инженер Дэвид Паттерсон предложил оптимизировать работу процессоров, оставив лишь самые необходимые вычислительные инструкции.

Так производители процессоров перешли на платформу RISC (Reduced Instruction Set Computing]. Но и этого оказалось мало.

В 1991 году выходит 64-битный процессор R4000, работающий на частоте 100 МГц. Через три года появляется процессор R8000, а еще через два года – R10000 с тактовой частотой вплоть до 195 МГц. Параллельно развивался рынок SPARC-процессоров, особенностью архитектуры которых стало отсутствие инструкций умножения и деления.

Вместо борьбы за количество транзисторов, производители чипов стали пересматривать архитектуру их работы. Отказ от «ненужных» команд, выполнение инструкций в один такт, наличие регистров общего значения и конвейеризация позволили оперативно наращивать тактовую частоту и мощность процессоров, не извращаясь с количеством транзисторов.

Вот лишь некоторые из появившихся с период с 1980 по 1995 год архитектур:

Система на кристалле представляет собой небольшой чип со всеми необходимыми электронными компонентами и схемами. В англоязычной литературе употребляется термин SoC (system-on-a-chip). Система в устройстве обнаружения звука может включать в себя АЦП, аудиоприемник, память, микропроцессор и логическое управление ввода-вывода пользователя на одном чипе.

В медицине система SoC, основанная на nano-роботах, может выступать в качестве программируемых антител для отсрочки ранних недугов. Видеоустройства на основе чипа могут помочь слепым людям, позволяя им получать изображение, а аудиоустройства SoC могут сделать глухих людей слышащими. Система на кристалле развивается вместе с другими технологиями, такими как SOI (кремний на изоляторе).

Определения терминов

Система SoC объединяет требуемые электронные схемы различных компьютерных компонентов на одном интегрированном чипе (IC). SoC - это полная электронная система подложки, которая может содержать аналоговые, цифровые, смешанные или радиочастотные функции. Ее компоненты обычно включают графический процессор (GPU), центральный процессор (CPU), который может быть многоядерным, и системную память (ОЗУ).

Поскольку система на кристалле включает в себя как аппаратное, так и программное обеспечение, она потребляет меньше энергии, имеет лучшую производительность, требует меньше места и более надежна, чем многочиповые системы. Большинство системных чипов сегодня входят в мобильные устройства, такие как смартфоны и планшеты.

Система на кристалле специально разработана для соответствия стандартам включения требуемых электронных схем многочисленных компьютерных компонентов на один интегрированный чип. Вместо системы, которая собирает несколько микросхем и компонентов на печатную плату, SoC создает все необходимые схемы в одном устройстве.

Задачи SoC включают более высокие затраты на прототипирование, архитектуру и более сложную отладку. IC не являются экономически эффективными. Однако это может измениться по мере развития технологии.

Необходимые параметры микрочипирования

System on Chip SoC - очень сложные устройства. Например, система Snapdragon 600 от Qualcomm на чипе - это SoC, которая использовалась на старом смартфоне Samsung Galaxy.

Люди хотят иметь возможность использовать свои смартфоны для пользования Интернетом, прослушивания музыки, просмотра видео, использования GPS-навигации, съемки фотографий и видеороликов, игр, доступа к социальным сетям. Все эти функции обеспечиваются не только хорошим процессором, но и мощным графическим чипом System on Chip SoC, быстрым беспроводным чипсетом Bluetooth, поддержкой подключения к сетям 4G. Все это должно работать с наименьшим потреблением энергии.

Решение заключается в миниатюризации всего, что может быть установлено. Устройства должны быть максимально сжаты и размещены компактно на меньшей поверхности. Следствием этого является более высокая вычислительная мощность и более низкое энергопотребление. Это именно то, что предлагает SoC.

Проектирование систем на кристалле

Концептуально существует три уровня стратегии проектирования для функциональных кристаллов. Первый уровень - это симметрия точечной группы. Она диктует наличие или отсутствие определенного физического отклика и анизотропии кристалла. Следовательно, его можно использовать для поиска и экранирования новых функциональных кристаллов.

Симметрия точечной группы является необходимым требованием, но недостаточным условием для функционального кристалла. Чтобы система на кристалле СНК проявляла конкретное свойство, он должен быть дополнен вторым уровнем стратегии проектирования - структурой или симметрией пространственной группы.

Наконец, чтобы повысить или оптимизировать ответ, существует третий уровень стратегии проектирования молекулярной инженерии, который включает в себя тонкую настройку электронных или магнитных структур строительных блоков атомов, молекул и кластеров кристалла.

Компоненты мобильных устройств

Система на кристалле SoC может иметь различные элементы, что зависит от его назначения. Поскольку подавляющее большинство SoC используются на смартфонах, предлагаем список наиболее распространенных компонентов таких устройств:

CPU - ядро внутри SoC. Это часть, которая отвечает за принятие большинства расчетов и решений. Она получает входные данные от других аппаратных компонентов и программного обеспечения и обеспечивает соответствующие выходные ответы. Без CPU не было бы SoC. Большинство процессоров сегодня имеют два, четыре или восемь ядер внутри.
Графический процессор - сокращен для модуля графической обработки. Он также называется видеочипом. GPU отвечает за 3D-игры, а также за аккуратные визуальные переходы, которые видны в интерфейсе любого устройства, использующего однокристальную систему.
RAM Memory - все вычислительные устройства нуждаются в работе памяти. Чтобы иметь возможность запускать приложения и данные программного обеспечения, необходимо их использовать. Чтобы это сделать, система на чипе должна иметь оперативную память.
ROM - любое устройство должно иметь память ПЗУ для хранения программного обеспечения, такого как прошивка или операционная система, в которой он работает.
Модем - смартфон не будет телефоном, если он не сможет подключиться к радиосетям. Модемы заботятся о сетевом или сотовом подключении.

Помимо процессора и памяти, другие SoC могут включать интерфейсы PCIe, предназначенные для подключения радиоприемопередатчиков, интерфейсов SATA или USB-устройств.

Конструкция чипов

Системы на кристалле должны иметь полупроводниковые блоки памяти для выполнения своих вычислений. В зависимости от применения SoC память может образовывать иерархию памяти и кэша. На рынке мобильных компьютеров это обычное явление, но во многих маломощных встроенных микроконтроллерах этого не требуется.

Технологии памяти для SoC включают в себя постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), электрически стираемое программируемое ПЗУ (EEPROM) и флэш-память. Как и в других компьютерных системах, ОЗУ можно подразделить на относительно более быструю, но более дорогостоящую статическую RAM (SRAM) и более медленную, но более дешевую динамическую RAM (DRAM), как в системе на кристалле, фото которого представлено в нашей статье.

Внешние интерфейсы

SoCs включают внешние интерфейсы, как правило, для протоколов связи. Они часто основаны на отраслевых стандартах, таких как USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI, HDMI, I2C и других. Также могут поддерживаться протоколы беспроводной сети, такие как Wi-Fi, Bluetooth, 6LoWPAN и связь с ближним полем.

При необходимости SoCs включают в себя аналоговые интерфейсы для обработки сигналов. Они могут взаимодействовать с различными типами датчиков или исполнительными механизмами, включая интеллектуальные преобразователи. Также они могут контактировать с конкретными приложениями модулей или быть внутренними для SoC, например, если аналоговый датчик встроен в SoC, а его показания должны быть преобразованы в цифровые сигналы для математической обработки.

Цифровые процессоры сигналов

Процессоры цифрового сигнала (DSP) часто включаются в системы на кристалле. Они выполняют обработку сигналов операции для датчиков, приводов, сбор данных, анализ данных и обработку мультимедиа. DSP-ядра обычно имеют очень длинное командное слово (VLIW) и однонаправленную архитектуру наборов инструкций, поэтому поддаются использованию параллелизма.

4DSP-ядра чаще всего содержат инструкции для конкретных приложений и являются процессорами набора руководств для конкретных приложений ASIP. Такие инструкции соответствуют специализированным функциональным устройствам.

Типичные инструкции DSP включают в себя многократное накопление, быстрое преобразование Фурье, плавное умножение и свертку. Как и в других компьютерных системах, SoCs требуют источники синхронизации для генерации тактовых сигналов, управления выполнением функций и предоставления временного контекста приложениям обработки сигналов, если это необходимо.

Популярными источниками времени являются кварцевые генераторы и петли с фазовой синхронизацией. SoC также включают регуляторы напряжения и схемы управления питанием.

Отличие SoC и CPU

Когда-то давно многие думали, что ЦП полностью изолирован от монитора. Теперь многие понимают, что CPU - это только крошечная часть, а компьютер состоит из множества частей.

Система на чипе представляет собой электронную печатную плату, которая объединяет все необходимые компоненты в компьютере и других электронных системах. Они включают в себя графический процессор, центральный процессор, память, схемы управления питанием, контроллер USB, беспроводные радиоприемники и многое другое. Эти компоненты паяны на материнской плате, чем отличаются от обычных компьютеров, части которых могут быть заменены в любой момент времени.

Можно сказать, что система на чипе (SoC) - это то, что происходит, когда Vector from Despicable Me использует «сжатие луча» на полноценном компьютере. Благодаря силе миниатюризации система на чипе представляет собой функциональный компьютер, который был сжат для установки на одном кремниевом чипе.

Где используются чипы

SoC, как правило, крошечный, не занимает много места внутри электронного устройства, что делает его идеальным решением для небольших устройств. Он объединяет множество разных частей на одном чипе, это означает, что его производителю не нужно тратить время, деньги и ресурсы на прокладку значительных физических частей и создание длинных цепей, что, в свою очередь, означает более низкое производство и расходы. Системы на чипе намного эффективнее, чем с выделенными отдельными компонентами, такими как настольный ПК или ноутбук. SoC может работать от батарей в течение более длительного времени.

Традиционные подходы к электронике касались создания систем, работающих на отдельных независимых частях. Такими примерами являются компьютеры и ноутбуки. Однако постоянная миниатюризация всех вещей вокруг означает, что они все больше полагаются на более мелкие, более энергоэффективные системы на чипах. Смартфоны, планшеты и даже устройства IoT (Internet of Things) доказывают, что системы на чипах являются важной частью будущего всей электроники.

Устройство Intel Pentium N3710

Pentium N3710 является 64-разрядной четырехъядерной системой на чипе, разработанном корпорацией Intel и введенном в эксплуатацию в начале 2015 года под номером 3710. Производятся на основе Airmont микроархитектуры. Этот чип работает на частоте 1,6 ГГц с режимом до 2,57 ГГц. SoC включает графический процессор HD Graphics 405, который имеет 16 исполнительных блоков и работает на частоте 400 МГц

Подробности архитектуры системы на кристалле n3710:

Дизайнер – Intel.
Производитель – Intel.
Номер модели - N3710.
Номер части - FH8066501715927
Область применения – мобильный.
Выпуск - март 2015 г.
"Пентиум" серии N3000.
Частота - 1600 МГц.
Частота вращения - 2567 МГц (1 ядро).
Тип шины - IDI CPUID 406C4.
Микроархитектура – Airmont.
Основное имя - Braswell.
Технология - CMOS.
Размер слова - 64-битный.
Максимальные процессоры - однопроцессорный.
Максимальная память - 8 G.
Температура ПП 0 C - 90 C.
Интегрированная графическая информация GPU - HD Graphics 405.
Максимальная частота - 700 МГц.

Преимущества чипованных систем

Основная цель использования SOC в дизайне включает этапы, которые формируют преимущества устройства:

Размер SOC небольшой, но включает в себя множество функций.
Гибкость. С точки зрения размера чипа, мощности и форм-фактора, такие системы очень сложно превзойти другим устройствам.
Эффективность затрат, особенно для конкретных приложений SoC, таких как видеокод.
Система на чипах бесчисленна. Для продуктов большой емкости они упрощают защиту ресурсов и стоимость инженерных решений.

Однако у столь превосходного устройства имеются и недостатки:

Большие временные затраты. Процесс проектирования SoC может занять от 6 до 12 месяцев.
Ограниченность ресурсов.
Если разрабатывается продукт с низким уровнем громкости, потребуется высококлассное оборудование. Возможно, лучше будет использовать аппаратное обеспечение другого производителя, потратить время и ресурсы для прикладного программного обеспечения.

Системы на чипах имеют большой недостаток в том, что они вообще не могут быть адаптируемыми. Другими словами, они не могут быть модернизированы. Система на чипе, как правило, умирает такой же, какой она была создана. В ней ничего не меняется в течение всего срока службы. Если в приборе что-то ломается внутри, нельзя отремонтировать или изменить только эту часть. Приходится заменить весь SoC.

Крупнейшие производители мобильных чипов

Предлагаем краткий обзор систем на кристалле от крупнейших производителей: Qualcomm, Samsung, MediaTek, Huawei, NVIDIA и Broadcom. Qualcomm, NVIDIA и MediaTek производят и продают в основном мобильные SoC для аппаратных компаний, которые используют их в производимых ими устройствах. Broadcom выпускает SoC, которые используются в маршрутизаторах и сетевых устройствах, а Samsung и Huawei не только создают SoC, но и являются двумя крупнейшими компаниями в мире по их использованию.

Нельзя сказать, какая система на чипе лучшая. Проектирование и развитие систем на кристалле продвигается настолько быстро, что ко времени сравнения вариант уже будет устаревшим. Однако нужно помнить, что лучший SoC, возможно, не самый хороший для процессоров или самых быстрых беспроводных передач.

Система на кристалле — в микроэлектронике — электронная схема, выполняющая функции целого устройства (например, компьютера) и размещенная на одной интегральной схеме.

В англоязычной литературе называется System-on-a-Chip, SoC.

В зависимости от назначения она может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналоговыми, аналого-цифровыми, а также частотами радиодиапазона. Как правило, применяются в портативных и встраиваемых системах.

Если разместить все необходимые цепи на одном полупроводниковом кристалле не удается, применяется схема из нескольких кристаллов, помещенных в единый корпус (System in a package, SiP). SoC считается более выгодной конструкцией, так как позволяет увеличить процент годных устройств при изготовлении и упростить конструкцию корпуса.

Устройство

Типичная SoC содержит:

один или несколько микроконтроллеров, микропроцессоров или ядер цифровой обработки сигналов (ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ или Flash.
источники опорной частоты, например, кварцевые резонаторы и фильтр умножителя частоты (phase-locked loops), , счетчики, цепи задержки после включения,
стандартные интерфейсы для внешних устройств: FireWire, SPI.
входы и выходы цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
регуляторы напряжения и стабилизаторы питания.

Блоки могут быть соединены с помощью шины собственной разработки или стандартной конструкции, например AMBA в чипах компании DMA), то с его помощью можно заносить данные с большой скоростью из внешних устройств напрямую в память чипа, минуя процессорное ядро.

Разработка систем-на-кристалле

Для функционирования системы программное обеспечение не менее важно, чем аппаратное. Разработка, как правило, ведётся параллельно. Аппаратная часть собирается из стандартных отлаженных блоков, для сборки программной части используются готовые драйверы. Применяются средства разработки CAD и интегрированные программные оболочки.

Для того, чтобы удостовериться в правильной работе созданной комбинации блоков, драйверы и программу загружают в эмулятор аппаратной части (микросхему с программируемыми цепями, FPGA). Также требуется задать расположение блоков и разработать межблочные связи.

Перед сдачей в производство аппаратная часть тестируется на корректность с использованием языков VHDL, а для более сложных схем — SystemVerilog, e и OpenVera. До 70 % общих усилий на разработку затрачивается именно на этом этапе.

Системы на кристалле потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью. Меньшее количество корпусов упрощает монтаж. Тем не менее, создание одной слишком большой и сложной системы на кристалле может оказаться более дорогим процессом, чем серии из маленьких из-за сложности разработки и отладки и снижения процента годных изделий.

Относительно недавно тема процессоров, их производителей и сроков выхода новых моделей была интересна узкой группе гиков. Сейчас гораздо большее количество людей знает, чем Qualcomm лучше MediaTek, какой конкретно чип подходит для тех или иных задач и когда не стоит смотреть на количество ядер или частоту.

Это же сопровождается большим количеством мифов, неточностей и недосказанностей. В этом материале мы расскажем все, что вам нужно знать о системах-на-кристалле, которые большая часть пользователей привыкла называть просто «процессорами»; научим определять их возможности точнее чем «Qualcomm лучше MediaTek»; и рассмотрим на примерах самые популярные чипы.

Развеивая мифы

Qualcomm Snapdragon 845 – это процессор? A Apple A11? Нет, это микросхемы, состоящие из нескольких элементов, включая тот самый микрочип, о которым мы привыкли говорить, рассуждая о компьютерных процессорах, таких как Intel i7-7700 и других.

Названные выше чипы и другие известные вам названия (Kirin 970 или Helio P60) – это системы на кристалле, однокристальные системы или системы на чипе (от англ. system on a chip). В английском используется аббревиатура SoC.

Тем не менее понятие «процессор» так плотно вошло в употребление, что даже специализированные СМИ, точно знающие значения этих терминов, используют их, ведь так понятнее потребителям. Правильнее же говорить чип или система с дальнейшим указанием ее названия.

Состав чипа

Профессиональный инженер видит в типичном чипе сотни элементов, но нам важно разбирать лишь основные его составляющие, особенно, если мы говорим о мобильной системе:

Процессорный модуль , состоящий из нескольких ядер. Их тип и производительность во многом определяют возможности системы. Именно этот единственный элемент стоит называть процессором

Графический модуль , определяющий возможности устройства в играх и других задачах с обработкой графики. Можно встретить сокращения GPU (Graphical Processing Unit) или VPS (Visual Processing Sybsystem)

Сотовый модем влияет на возможности устройства в вопросах связи: интернета и телефонии

Аудиочип отвечает за качество звучания устройства

Условная схема типичной системы на кристалле на примере Qualcomm Snapdragon 801 Условная схема типичной системы на кристалле на примере Qualcomm Snapdragon 801

Здесь можно было бы затронуть модуль DSP (digital signal processor), обрабатывающий цифровые сигналы, процессор данных изображений (ISP) и процессор безопасности (secure processing unit), контроллеры памяти, регулятор напряжения и еще более мелкие элементы, но чаще всего производители даже не упоминают их в «материалах для всех»,а знание таких подробностей не сделает ваш выбор конкретного чипа осознаннее.

Характеристики чипа

Мы добрались до самого интересного раздела — как научиться определять возможности системы и сравнивать ее с остальными. Вам нужно хотя бы в основе разбирать типы комплектующих, чтобы корректно их сопоставлять между собой. Хотя игроков на рынке систем на кристалле не так уж и много, так что если вы заинтересуетесь, разберетесь за один присест.

В процессе написания этого материала мы столкнулись с тем, что определение архитектуры отличается и при этом довольно спокойно принимается в самых разных значениях.

Условно говоря, архитектура — это способность чипа исполнять определенный машинный код . Это методы взаимодействия аппаратных составляющих и софта. На рынке компьютеров преобладает архитектура x86 авторства Intel, а в мобильном мире — ARM.

ARM – это и архитектура, построенная на платформе RISC, и название компании , которая ее лицензирует . Последняя предоставляет сторонним производителям возможность самостоятельно создавать чипы.

На ARM работают, грубо говоря, все современные смартфоны или планшеты.

Актуальной версией архитектуры считается ARMv8.4-A. Этот факт вряд ли будет упоминаться в описаниях чипов, но запомнить его стоит.

Напоследок стоит отметить, что переход с ARMv7 на ARMv8 обозначил смену архитектуры с 32-битной на 64-битную. Говоря простым языком, с того момента как произошла смена, чипы смартфонов научились работать с числами, имеющими не 32, а 64 разряда. Это не только увеличило их производительность, но и позволило использовать в связке с ними бóльшие объемы оперативной памяти.

2. Количество ядер

Все-таки об архитектурах речь заходит не так часто, как о ядрах. В эпоху компьютеров многие судили по их количеству о том, насколько мощный ПК. Теперь почти все знают, что это не главное.

10-ядерная система на примере чипа MediaTek: 2 ядра Cortex-A72 для самых сложных задач, 4 Cortex-A53 с частотой 2.0 ГГц для оптимального соотношения производительность/энергоэффективность и 4 энергоэффективных Cortext-A53 10-ядерная система на примере чипа MediaTek: 2 ядра Cortex-A72 для самых сложных задач, 4 Cortex-A53 с частотой 2.0 ГГц для оптимального соотношения производительность/энергоэффективность и 4 энергоэффективных Cortext-A53

В случае с SoC значение имеет тип каждого отдельного ядра. Производители часто объединяют в одном модуле несколько производительных ядер, которые будут использоваться для производительных задач, в частности, ресурсоемких игр, и некое число энергоэффективных ядер. Последние уменьшат энергопотребление в тех ситуациях, когда пользователь работает с простыми программами. Такой принцип называется big.LITTLE.

3. Тактовая частота

Этот пункт также часто вызывает недоразумения. Частота всегда указывается в герцах. Средний показатель современного чипа: 1.5-2.2 ГГц.

ГГц — расшифровывается как «гигагерц». Гига — миллиард, герц — один цикл в секунду. Частота чипа — это то, сколько операций (или тактов) он способен выполнить в секунду.

Но стоит понимать, что более высокая частота (2,4 ГГц) среднепроизводительного чипа хуже чем средняя частота (1,8 ГГц) производительной системы, если речь идет о сложных задачах.

4. Кэш (сверхоперативная память)

Это миниатюрный модуль, предоставляющий процессору некий объем памяти. Он дает возможность не обращаться каждый раз к оперативной памяти (которая работает медленнее, чем чип) и таким образом увеличить скорость исполнения простых программ.

5. Технологический процесс

Технологический процесс полупроводникового производства определяется разрешающей способностью оборудования для производства. Проще объяснить будет довольно сложно, но если упростить - это разрешение электронного пучка, используемого в литографии.

Флагманские чипы 2018 года выполнены по 10нм процессу, однако уже в конца года ожидается ряд чипов, построенных по 7нм.

Индустрия слегка отстает от некогда заданного графика, но будущее сулит невероятные прорывы Индустрия слегка отстает от некогда заданного графика, но будущее сулит невероятные прорывы

Уменьшение разрешающей способности дает возможность уместить ту же систему на физическом кристалле меньшего размера или, соответственно, большую систему на кристалле такого же размера.

Топовые производители

Как мы уже знаем, почти все процессоры построены на архитектуре ARM. Но компания абсолютно лояльно относится ко всем остальным и предлагает им широкие возможности в плане создания собственных решений. Те же Apple и Samsung не просто создают на базе ARM собственные чипы, но даже уникальные версии ядер.

В лидерах по производству однокристальных систем такие компании как Apple (серия Apple A), Qualcomm (Snapdragon), MediaTek (Helio), Samsung (Exynos), Huawei (Kirin).

Некоторое время назад в мобильных устройствах можно было встретить чипы Intel. Этот тот редкий случай, когда вместо архитектуры ARM использовалась x86. Правда, подобное положение вещей создавало проблемы для производителей смартфонов, ведь другая архитектура предусматривает иные принципы работы с софтом, и поэтому часто даже очень оптимизированные игры и программы хуже работали на таких системах. В свое время в пользу Intel свой выбор сделала компания Asus, представившая линейку из трех смартфонов Asus Zenfone 4, 5 и 6, а потом и Zenfone 2 на Intel Atom. На этом эксперимент был окончен, а сейчас Zenfone комплектуется чипами Snapdragon.

Отдельно стоит отметить компанию Nvidia, которая лишь экспериментирует на мобильном рынке, но не пытается с кем-то конкурировать. Nvidia Tegra использовался в минимальном количестве устройств, а сейчас на нем работает портативная консоль Nintendo Switch, и неизвестно, есть ли у компании дальнейшие планы в этом направлении.

Кое-какие шаги в этом направлении предпринимает и китайская Xiaomi. Зимой прошлого года она показала первое поколение Surge S1. Многие ждали продолжения в этом году и ожидали, что он предстанет в Xiaomi Mi A2, но компания пока хранит молчание.

Если Xiaomi не бросит начатое, то нас ждет еще один конкурентоспособный игрок на рынке Если Xiaomi не бросит начатое, то нас ждет еще один конкурентоспособный игрок на рынке

О составляющих на примерах

Теперь, когда мы разобрали, что из себя представляет типичная система на кристалле, из чего она состоит и чем характеризуется, можем рассказать о тех же вещах, но уже называя конкретные имена.

Первым делом речь всегда заходит о ядрах. В случае с процессорами ARM это почти всегда Cortex. Например, в топовом на 2018 год Kirin 970 используются самые производительные ядра ARM Cortex-73. Всего их 4, несмотря на то что система восьмиядерная. Еще 4 ядра — это Cortex-A53, более энергоэффективные. Это тот самый принцип big.LITTLE, когда система включает в себя несколько ядер для разных задач.

Хоть ARM и является повсеместной архитектурой, компания дает возможность сторонним производителям максимально кастомизировать свои чипы. Так, Qualcomm в топовых чипах предлагает собственные решения (основанные на тех же Cortex) — Kryo. У флагманского Snapdragon 845, например, стоит 8 ядер Kryo 385. В данном случае используются одни и те же ядра с разной частотой: для требовательных задач до 2,8 ГГц, а в простых — до 1,8 ГГц.

Со следующими названиями графических ускорителей вы также наверняка знакомы. Qualcomm использует собственную разработку Adreno, у Apple стоят решения от PowerVR, а у всех остальных ARM Mali – разработка той же компании, которой принадлежит архитектура. Возможности каждого ускорителя можно определить количеством ядер, но намного важнее смотреть на поддерживаемые технологии: OpenGL ES 3.2, DirectX 12 и так далее.

В скобочках с уточнением техпроцесса часто указывается название компании, которая производит чипы (Samsung или TSMC).

Названия сетевых модемов вам вряд ли что-то скажут, поэтому всегда смотрите на максимальные показатели скорости, достижимые при их использовании в устройствах.

Тенденции

Тик-так

Большинству интересующихся сферой информационных технологий известно понятие «Тик-так». Это стратегия производства микропроцессоров компании Intel, которая распределена на 2 стадии: «Тик» - уменьшение технологического процесса; «Так» - оптимизация текущего поколения. У топовых производителей мобильных чипов есть аналогичные подходы, которые не так давно были нарушены. Это связано с тем, что изначально каждая стадия должна занимать год, но из-за физических ограничений, связанных с невозможностью так быстро уменьшать техпроцесс, компании работают с одной технологией чуть дольше. К слову, первые 7нм чипы должны показать в конце 2018 года, а вот когда ждать следующего обновления неизвестно.

Давным давно, ещё в 1958 году, некто Джон Маккарти написал язык обработки списков под названием LISP. Написал он его потому, что увлекался созданием искусственного интеллекта, и ему нужен был подходящий язык.

С тех пор прогресс, конечно, есть, а вот искусственного интеллекта по-прежнему нет. Я вообще не понимаю, как можно спроектировать и создать такую сложную систему, как мозг и моё самомнение успокаивает только то, что не я один такой: пока никто не придумал, как сделать этот величайший куайн в истории человечества. Но ведь сделают и создадут уже, наконец-то, киборгов.

При создании исккуственного интеллекта одним лиспом не обойдёшься: нужно его на чём-то запускать и железо тоже не стоит на месте. Причём, именно тут, на мой взгляд, прогресс куда более заметен. Оно всегда так, когда пытаешься сравнить прогресс в практической и теоретической части.

С железом люди придумали умную штуку под названием система на кристалле (System On a Chip, SoC). Казалось бы, процессор себе и процессор, ну на кристалле и на кристалле, а ведь по принципу работы — это почти мозг. Он (мозг) — это биологическая система на кристалле: в нашем мозге находится и центральный процессор, и графический процессор, и модуль управления памятью, и сама память как кратковременная, так и долгосрочная, и система ввода-вывода.

Как всем нам известно, прорыв в схемотехнике случился благодаря транзистору, но новый этап наступил в 1978 году, когда Intel выпустила в свет процессор 8086, прародителя нашего счастливого настоящего (изначально, кстати, считалось, что он способен на управление светофором, но никак не компьютером). Но гораздо интереснее, что за два года до этого в Intel создали первую систему на кристалле. Это были «всего лишь» электронные часы Microma LCD watch (ссылка с фотографиями). И внутри у них была система на кристалле под названием Intel 5810 CMOS chip.

Прогресс на часах не остановился, техпроцессы всё улучшались и улучшались, а транзисторы становились меньше и меньше. На место больших вакуумных ламп пришли транзисторы, изготовленные по 1.5-1 микрометровой технологии (если положить в ряд штук 200, то они как раз займут миллиметр на линейке). По этой технологи в Intel в 1985 году сделали процессор третьего поколения 80386 (кстати, а вы знали, что 80386 выпускала не только Intel, но и AMD? :)). Примечательна также и модель 386SL 1990 года, объединяющая на одном кристалле процессор, контроллер шины, контроллер оперативной и внешней кеш-памяти. А в 1995 появился 386EX, в кристалл которого поместили ещё контроллер прерываний, таймеры, счётчики и логику тестирования JTAG, которая используется и по сей день для прошивки и контроля качества микросхем. Несмотря на свои незначительные, по сегодняшним меркам, 25Мгц, процессор 386EX встраивали в спутники. Такая вот система на кристалле на орбите получилась.

В 2007 году Intel анонсировала своё следущее SoC решение Intel EP80579 с кодовым названием Tolapai. На одном кристалле объединили процессор с частотой от 600 Мгц до 1200 Мгц, контроллер памяти и I/O контроллеры, а в качестве killer feature в некоторых вариациях на чипе был расположен QuickAssist для аппаратного шифрования, и его использовали, например, в vpn-решениях. На сайте Intel есть отличная презентация, которая мне очень понравилась (ну, насколько вообще нормальному человеку может понравиться презентация).

Самая современная система на кристалле от Intel выполнена по 32нм технологии и называется Atom Z2460 с кодовым именем Medfield. Уже сегодня на Medfield есть прототип смартфона про который недавно был написан хороший пост и совсем скоро он должен поступить в продажу.

Системы на кристалле — это совсем непросто, да и видов их уже больше одного. Например, бывают мультипроцессорные системы на кристалле. Есть частный случай SoC под названием сеть на кристалле — с текущим техпроцессом уже совсем не обязательно делать сетевую PCI-карту, достаточно небольшого чипа на материнской плате. И радио на кристалле, которое объединяет на одном чипе и приёмник, и передатчик и занимает совсем немного места, по сравнению с предыдущими решениями.

С точки зрения пользователя, ничего особенного в SoC нет. Подумаешь, раньше была большая плата с кучей разноцветных штук, а теперь этих разноцветных штук мало. Велика разница. Но выгода налицо: из-за того, что все распологается внутри одного кристалла значительно уменьшается энергопотребление (это особенно важно для мобильных и автономных решений) и тепловыделение, а значит, можно обойтись либо пассивным охлаждением, либо слабеньким куллером. Ну и цена будет со временем всё ниже и ниже, что тоже всегда приятно.

У производителя всё обстоит не так просто. Чем сложнее устроено нечто, тем сложнее это нечто делать. Если это нечто ещё и маленькое, то делать это совсем непросто. SoC объединяет в себе много совершенно разных вещей, которые традиционно принято разносить по всей материнской плате, и поэтому нужен оригинальный подход к проектированию, позволяющий располагать большое колличество разнотипных компонентов в маленьком корпусе, причем, так, чтобы при работе они не мешали друг другу.

К сложностям проектирования добавляется и увеличивающийся процент брака, неизбежно возникающий при переходе на более высокий уровень техпроцесса. Впрочем, компания Intel уже строит завод Fab42, который будет изготавливать процессоры не по «допотопному» 32нм техроцессу, а по 14нм! Тогда в SoC можно будет разместить ещё больше транзисторов и тем самым увеличить их производительность. Что тогда произойдёт с обычными микропроцессорами, подумать страшно. Берегись, закон Мура!

Конечно же, Intel не единственный производитель систем на кристалле: их достаточно большое колличество, и среди них такие известные бренды как Atheros, ARM Holdings, Broadcom, Marvell Technology Group, Nokia, NVIDIA, Qualcomm, Sharp и другие.

Системы на кристалле заменят современные микропроцессоры так же, как микропроцессоры заменили вакуумные лампы — это просто вопрос времени. А там, глядишь, и Терминатора соберут.

Уже сейчас SoC можно встретить везде, например, в наручных часах. Хотя, кто сейчас носит наручные часы? Посмотрите, лучше, на свой смартфон. Если он работает на Android, Meego или iOS, там внутри система на кристалле. Посмотрите на свой роутер или adsl-модем — и там внутри SoC. Плеер? И в нём тоже. Да любой микроконтроллер (и даже всеми нами любимая ардуинка) — это система на кристалле.

SoC уже везде. Пока они занимают нишу устройств, не требующих высокой производительности, но это всего лишь вопрос времени. С нетерпением жду того дня, когда мне больше не нужно будет носить с собой тяжеленный ноутбук (нет, я не хочу компьютер в облаке), а будет хватать телефона, клавиатуру к которому я буду подключать по блутузу, а монитор через WiDi, и производительности этого телефона мне будет хватать для всего.

Читайте также: