Система на кристалле

Файл:OpenSPARC T2.jpg

OpenSPARC T2

Система на кристалле (однокристальная система) — 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 (DSP). SoC, содержащий несколько процессоров, называют многопроцессорной системой на кристалле (MPSoC).
• банк памяти, состоящий из модулей ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ или флеш.
• источники опорной частоты, например, кварцевые резонаторы и схемы ФАПЧ (фазовой автоподстройки частоты),
• таймеры, счетчики, цепи задержки после включения,
• блоки, реализующие стандартные интерфейсы для подключения внешних устройств: USB, FireWire, Ethernet, USART, SPI.
• блоки цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.
• регуляторы напряжения и стабилизаторы питания.

В программируемые SOC часто входят также блоки программируемых логических матриц - ПЛМ; а в программируемые аналого-цифровые SOC - еще и программируемые аналоговые блоки.

Блоки могут быть соединены с помощью шины собственной разработки или стандартной конструкции, например AMBA в чипах компании ARM. Если в составе чипа есть контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), 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 подпрограммы настройки соответствующих блоков, реализующие необходимые процедуры и функции, которые в англо-язычной литературе часто называются драйверами. Применяются средства автоматизации 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 Verilog и VHDL, а для более сложных схем — SystemVerilog, SystemC, 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 большой и сложной системы на кристалле оказывается более дорогим процессом, чем серии из маленьких, из-за сложности разработки и отладки и снижения процента выхода годных изделий.

Список компаний, разрабатывающих SoC

• Actions Semiconductor
• Advanced Micro Devices, Inc. (AMD)
• Altera
• Apple
• Applied Micro Circuits Corporation (AMCC)
• Analog Devices
• ARC International
• ARM Holdings
• ASIX Electronics
• Atmel
• Atheros
• Axis Communications
• Broadcom
• Cambridge Consultants
• Cirrus Logic
• Conexant
• Core Logic
• CPU Tech
• Cypress Semiconductor
• Infineon Technologies
• Ingenic Semiconductor
• Innova Card
• Intel
• FameG (Fulhua Microelectronics Corp.)
• Freescale Semiconductor
• Frontier Silicon Ltd
• Horizon Semiconductors
• Imagination Technologies
• Lattice Semiconductor
• LSI Logic
• Marvell Technology Group
• Melexis
• MediaTek
• Microchip
• MIPS Technologies
• Mistletoe Technologies
• MosChip Semiconductor Technology
• Naksha Technologies
• Nokia
• Nvidia Corporation
• NXP Semiconductors (формально Philips Semiconductors)
• NuCORE Technology
• Palmchip Corporation
• PMC-Sierra
• Qualcomm
• Renesas
• Rise Technology (x86 SoC)
• Samsung
• Sequence Design
• Sharp
• Sigma Designs Inc
• SigmaTel
• Skyworks Solutions Inc
• Silicon Integrated Systems
• Silicon Motion
• SoCrates Software India Private Limited
• SoC Technology
• STMicroelectronics
• Sun Microsystems (Oracle Corporation)
• Tensilica
• Teridian Semiconductor
• Texas Instruments
• TLSI
• Transmeta
• TranSwitch
• VIVOTEK Inc.
• Zoran Corporation
• Xilinx
• Миландр
• МЦСТ
• НИИМЭ и Микрон
• ОАО НПЦ "ЭЛВИС"
• ОАО ОНИИП
• Цифровые Решения

Литература

• Системы на кристалле. Проектирование и развитие. М. — Техносфера, 2004 ISBN 5-94836-029-6

Ссылки

• SOCC Annual IEEE International SOC Conference