Cały pecet w małym chipie

• Niższy koszt produkcji i cena Urządzenia z systemem wbudowanym bazującym na jednym układzie SoC są tańsze w produkcji nawet o 30 proc. niż urządzenia z kilkoma układami wbudowanymi albo o 60–75 proc. tańsze w stosunku do urządzeń z uniwersalnym komputerem, także przemysłowym, na pokładzie. Bez SoC takie urządzenia, jak nawigacja satelitarna czy odtwarzacze MP3 byłyby kilkakrotnie droższe.
• Większe możliwości urządzeń Dzięki układom SoC współczesne telewizory i odtwarzacze DVD czy blu-ray mogą również łączyć się z internetem oraz wyświetlać wprost z pamięci USB filmy czy zdjęcia. Bez układów SoC nie mielibyśmy też zaawansowanych smartfonów.

Układy SoC, bo o nich mowa, zajmują się sterowaniem pracą silników samochodowych, sprzętu medycznego, urządzeń AGD, elektroniki konsumenckiej itd. Dzięki nim producenci mogą sprawnie wprowadzać nowe funkcje w swoich urządzeniach, nie ponosząc zbyt dużych kosztów.

System-on-Chip (SoC) to układ scalony zawierający system elektroniczny wraz z procesorem, przystosowany do wykonywania powierzonych mu zadań. Można powiedzieć, że SoC w jednej kości mieści cały komputer lub inne funkcjonalne urządzenie, np. sterowanie smartfonu.

Podobną konstrukcję mają mikrokontrolery, ale w odróżnieniu od układów SoC są wyposażone w jednostki centralne o mniejszej mocy obliczeniowej i prostsze kontrolery wejścia-wyjścia, przeznaczone do wykonania ściśle określonych zadań. Na mikrokontrolerze nie da się z tego powodu uruchomić systemu operacyjnego, jak Linux czy Windows CE, na co zwykle pozwalają bardziej uniwersalne układy SoC.

Podgrupą układów SoC są kości SiP (System-in-Package). Wytwarza się je, gdy technicznie nie jest możliwe zintegrowanie wszystkich obwodów na jednym podłożu półprzewodnikowym. Wówczas poszczególne moduły umieszcza się na oddzielnych płytkach półprzewodnikowych, ale całość zamyka się w jednej obudowie. Kości SiP są nieco droższe w produkcji niż typowe układy SoC. Stosuje się je, gdy w układzie znajduje się nadajnik radiowy wymagający większej mocy zasilającej, gdyż wtedy resztę układu jest znacznie łatwiej zaekranować.

Większość układów SoC ma podobną budowę. W ich konstrukcji wykorzystuje się takie elementy, jak: mikroprocesor lub mikrokontroler bądź procesor strumieniowy DSP, pamięci RAM oraz flash, moduły zegara i liczników, kontrolery USB, ethernet, interfejs SPI zarządzający portami RS232, moduł UART, od którego zależy m.in. praca portów podczerwieni IrDA, kontrolery wykorzystywane w przemyśle, przetworniki analogowo-cyfrowe lub cyfrowo-analogowe oraz obwody do zarządzania zasilaniem.

Często w układy SoC jest wbudowany sterownik wyświetlacza LCD, a także układ graficzny, w tym układ 3D. Niektóre układy SoC zawierają kilka jednostek obliczeniowych, w tym procesory wielordzeniowe. Określa się je mianem MPSoC (Multiprocessor System-on-Chip).

Najczęściej układy SoC wykorzystuje się w tzw. systemach wbudowanych (embedded). Są to systemy komputerowe (lub mikrokontrolery), będące integralną częścią obsługiwanych przez nie urządzeń. Zostały zaprojektowane i zaprogramowane do wykonywania ściśle określonej i ograniczonej liczby zadań, a nawet jednego zadania, np. sterowania kuchenką mikrofalową.

Systemem wbudowanym steruje oprogramowanie napisane wyłącznie na urządzenie, w którym ten system się znajduje – jest to firmware, a czasem system operacyjny, na którym jest wykonywane specjalizowane oprogramowanie. Ten drugi przypadek ma miejsce np. w telefonach komórkowych. Im mniej złożone jest oprogramowanie, tym bardziej system jest niezawodny i szybciej może reagować na zdarzenia krytyczne.

Jedne z najnowszych układów SoC to kości Intel Atom Z6xx. Wraz z układami Intel Platform Controller Hub MP20 oraz specjalizowanymi układami cyfrowo-analogowymi Briertown są częścią mobilnej platformy Moorestown, skonstruowanej na potrzeby smartfonów. Procesory Z6xx to 45-nanometrowe dwurdzeniowe procesory o znanej z netbooków architekturze Atom. W kość wmontowano moduł graficzny 3D Intel GMA 600 400 MHz. Układ ten sprzętowo może dekodować strumienie wideo w formatach: MPEG-4, H.264, WMV i VC1 oraz wideo HD7. Co więcej, wbudowano w niego kontroler ekranów LCD o rozdzielczości 1366x768 lub 1024x600 pikseli oraz kontroler pamięci DDR/DDR2.
Układy serii Atom Z6xx z zegarem do 1,5 GHz mają być stosowane w smartfonach, a szybsze modele z zegarem do 1,9 GHz będą montowane m.in. w tabletach.

Większość nowoczesnych urządzeń działa dzięki systemom wbudowanym. Począwszy od układów sterujących pracą silników samochodowych i systemów ABS, poprzez sprzęt medyczny, bankomaty, klimatyzatory, sprzęt AGD, windy, sterowniki przemysłowe kierujące obrabiarkami i robotami, telefony komórkowe, aparaty cyfrowe, po routery, pamięci masowe NAS, telewizory, odtwarzacze, MP3, konsole do gier, nawigacje satelitarne.

Nie we wszystkich systemach wbudowanych znajdują się układy SoC, jednak ich użycie daje spore korzyści ekonomiczne. Zastosowanie jednego układu zamiast kilku kości scalonych zmniejsza jednostkowe koszty produkcji. Łatwiej też zaprojektować i oprogramować taki system wbudowany, co skraca czas niezbędny do opracowywania i przetestowania danego urządzenia. Co więcej, na bazie jednego systemu wbudowanego można też, zmieniając tylko oprogramowanie sterujące, produkować różnorodne modele danego urządzenia.

W produkcji kości SoC wykorzystuje się specjalizowane układy, m.in. ST Microelectronics, Texas Instruments, Motorola, Samsung, Qualcomm, NXP Semiconductors, ale też Intela czy Nvidii.

Intel CE3100 oraz 4100 są podstawą cyfrowych telewizorów, odtwarzaczy DVD i blu-ray oraz dekoderów telewizyjnych. Służą do przetwarzania dźwięku, strumieni wideo i grafiki 3D.

CE4100 jest o tyle ciekawy, że wykorzystuje architekturę Atom oraz znany z chipsetów Intela procesor grafiki 2D/3D Intel GMA 500. Kość, wykonana w technologii 45 nm, jest taktowana zegarem 1,2 GHz. CE4100 umożliwia sprzętowe dekodowanie strumienia wideo MPEG-4, DivX i potrafi dekodować dwa strumienie wideo 1080p. Układ zużywa niewiele energii 7–9 W.

Układy Nvidia Tegra i Tegra 2 są przeznaczone m.in. do budowy smartfonów i tabletów o wysokiej rozdzielczości, pozwalających wyświetlać zaawansowaną grafikę 3D. Najważniejszą cechą Tegra 2 jest zastosowanie dwurdzeniowego procesora ARM Cortex A9 z zeagrem 1 GHz (jest cztery razy szybszy od poprzedniej Tegry) oraz siedmiu specjalizowanych modułów umożliwiających przeglądanie internetu, kodowanie i dekodowanie strumieni wideo HD, audio oraz uruchomienie gier 3D – całość produkowana jest w technologii 40 nm.

Wszystkie procesory mogą być wykorzystywane niezależnie, dzięki czemu zoptymalizowano zużycie energii całego układu. Urządzenia zbudowane na bazie Tegra 2 mogą odtwarzać przez 16 godzin wideo HD lub przez 140 godzin muzykę bez doładowania.

• ARM, MIPS Najbardziej rozpowszechnionym CPU w układach SoC są procesory ARM – taki też jest w układach Nvidia Tegra czy A4 iPada. Popularnym procesorem w układach SoC jest też MIPS. ARM i MIPS to otwarte architektury, tzn. każdy producent może je wykorzystać i dostosować do swoich potrzeb. Są używane w smartfonach, odtwarzaczach, GPS-ach, komputerach pokładowych w samochodach, systemach przemysłowych.
• PowerPC, Cell Nieco rzadziej korzysta się z architektury procesorów PowerPC, ponieważ zużywa więcej energii niż procesory ARM i MIPS. Niektóre układy SoC buduje się na bazie znanego z konsoli Sony PS 3 procesora Cell, który wywodzi się z architektury PowerPC.
• x86, Pentium M, Atom Z kolei Intel w swoich układach SoC wykorzystuje jądra procesorów Atom oraz Pentium M. Ich przewagą nad konkurencyjnymi układami SoC jest to, że są zgodne programowo z kodem x86, a więc można na nich wykonywać programy napisane na pecety i korzystać z tych samych systemów operacyjnych. Architekturę zgodną z x86 wykorzystuje też ST Microelectronics, który wytwarza układy SoC głównie dla przemysłu samochodowego, bazujące na procesorach 386 i 486.