SoC – System on Chip (System na układzie scalonym)
SoC, czyli System on Chip, to kompletny system elektroniczny zintegrowany w jednym układzie scalonym. Oznacza to, że w jednym fizycznym chipie znajdują się wszystkie kluczowe komponenty, które normalnie byłyby rozproszone na wielu elementach na płycie PCB – procesor, pamięć RAM, kontrolery wejścia/wyjścia, jednostki przetwarzania grafiki, a często także moduły komunikacyjne jak Wi-Fi czy Bluetooth. Takie podejście radykalnie zmniejsza rozmiar układu, poprawia wydajność energetyczną i upraszcza projektowanie urządzeń. W technice cyfrowej to jedno z najważniejszych rozwiązań ostatnich dekad i dziś pokażę ci, dlaczego SoC stało się fundamentem nowoczesnych urządzeń elektronicznych.
Główne komponenty układu SoC
W zależności od przeznaczenia, SoC może zawierać różne jednostki funkcjonalne. W typowym układzie spotkamy:
- CPU (Central Processing Unit) – główny procesor wykonujący instrukcje programu, często oparty na architekturze ARM w urządzeniach mobilnych.
- GPU (Graphics Processing Unit) – procesor graficzny odpowiedzialny za przetwarzanie obrazu i grafiki 2D/3D.
- RAM – pamięć operacyjna dla danych i programów w czasie działania.
- ROM / Flash – pamięć trwała zawierająca firmware lub system operacyjny.
- Kontrolery peryferyjne – obsługujące USB, UART, SPI, I2C i inne interfejsy komunikacyjne.
- Moduły komunikacyjne – Wi-Fi, LTE, Bluetooth, NFC – wszystko na jednym chipie.
Zastosowanie SoC w nowoczesnych urządzeniach
Najbardziej znanym przykładem SoC są smartfony, gdzie potrzebna jest maksymalna miniaturyzacja przy dużej mocy obliczeniowej. Układy takie jak Apple A17 Bionic, Snapdragon 8 Gen lub Samsung Exynos integrują dziesiątki elementów w jednym kawałku krzemu. Ale to nie tylko telefony – SoC spotykamy także w telewizorach Smart TV, routerach, systemach IoT, dronach, konsolach do gier, a nawet w samochodowych systemach infotainment. Podobnie jak AF wyznaczał podstawy przetwarzania dźwięku, tak SoC stał się bazą całych systemów komputerowych zamkniętych w pojedynczym układzie.
Proces produkcji i technologie stosowane w SoC
Tworzenie SoC to zaawansowany proces technologiczny. Wymaga użycia litografii krzemowej na poziomie nanometrów – obecnie dominują procesy 5 nm, 4 nm, a w laboratoriach testuje się już 3 nm. Miniaturyzacja umożliwia umieszczenie większej liczby tranzystorów, co przekłada się na wydajność i energooszczędność. Stosowane są także układy typu heterogeneous computing, gdzie w jednym SoC znajdują się różne typy rdzeni – wysokowydajne i energooszczędne – znane z architektury big.LITTLE. Widać więc, że podobnie jak w przypadku FPGA, o których mówiliśmy wcześniej, SoC daje olbrzymią elastyczność projektową i funkcjonalną.
SoC vs. tradycyjne systemy wieloukładowe
Przed erą SoC systemy elektroniczne budowano z wielu oddzielnych układów – CPU, GPU, RAM, Flash i kontrolerów znajdowały się na jednej płycie, komunikując się przez magistrale zewnętrzne. Takie rozwiązanie zajmowało dużo miejsca, zużywało więcej energii i było trudniejsze w produkcji masowej. SoC wszystko upraszcza – wewnętrzne magistrale są krótsze, straty sygnału mniejsze, a opóźnienia komunikacyjne minimalne. Dzięki temu możliwe było powstanie ultramobilnych komputerów, takich jak Raspberry Pi, które również bazują na SoC (np. Broadcom BCM2711 w modelu Pi 4).
Systemy czasu rzeczywistego i SoC
W urządzeniach wbudowanych, gdzie istotna jest precyzja czasowa działania (RTOS – Real Time Operating System), SoC także znajduje szerokie zastosowanie. Dzięki integracji procesora, pamięci i kontrolerów na jednym chipie, czas reakcji na zdarzenia jest znacznie krótszy. W automatyce przemysłowej, robotyce i sterownikach PLC coraz częściej stosuje się SoC ze względu na ich niezawodność i kompaktowość. Tak jak wczoraj omawialiśmy mikrokontrolery i ich podstawowe funkcje, dziś widzisz, że SoC to kolejny krok w integracji i specjalizacji układów wbudowanych.
Bezpieczeństwo i zarządzanie energią
Współczesne SoC zawierają też specjalne bloki sprzętowe odpowiedzialne za bezpieczeństwo – moduły TPM, Secure Boot, oraz szyfrowanie sprzętowe AES. Zarządzanie energią odbywa się poprzez dynamiczne skalowanie częstotliwości i napięcia (DVFS), co pozwala dopasować wydajność do bieżących potrzeb aplikacji. Dzięki temu urządzenia mobilne mogą działać dłużej na baterii bez utraty płynności działania.
W kolejnych dniach przyjrzymy się bliżej temu, jak projektuje się PCB z wykorzystaniem SoC oraz jak od strony praktycznej podchodzić do uruchamiania systemów wbudowanych opartych na tego typu układach. Warto też będzie zahaczyć o temat ASIC – czyli układów scalonych projektowanych pod jedno konkretne zastosowanie – bo choć różnią się od SoC, często współwystępują w większych systemach cyfrowych.