نظام على شريحة

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

معالج Exynos 4 Quad (4412)، على لوحة الدوائر الخاصة بهاتف سامسونج جالاكسي إس 3 الذكي

النظام على شريحة ( SoC ) هو دائرة متكاملة تجمع معظم أو جميع المكونات الرئيسية للحاسوب أو النظام الإلكتروني على شريحة دقيقة واحدة . [ 1 ] عادةً، يتضمن النظام على شريحة وحدة معالجة مركزية (CPU) مع ذاكرة ، ووظائف إدخال/إخراج ، ووحدات تحكم في تخزين البيانات ، بالإضافة إلى ميزات اختيارية مثل وحدة معالجة الرسومات (GPU)، واتصال Wi-Fi ، ومعالجة الترددات الراديوية. يقلل هذا المستوى العالي من التكامل من الحاجة إلى مكونات منفصلة، ​​مما يعزز كفاءة استهلاك الطاقة ويبسط تصميم الجهاز.

غالبًا ما تُقترن أنظمة SoC عالية الأداء بذاكرة مخصصة، مثل LPDDR ، وشرائح تخزين فلاش، مثل eUFS أو eMMC ، والتي قد تُركّب مباشرةً فوق نظام SoC في تكوين حزمة فوق حزمة (PoP) أو توضع بالقرب منه على اللوحة الأم. كما تعمل بعض أنظمة SoC جنبًا إلى جنب مع شرائح متخصصة، مثل مودمات الاتصالات الخلوية . [ 2 ]

تُدمج أنظمة SoC بشكل أساسي نواة معالجة واحدة أو أكثر مع وحدات طرفية حيوية. هذا التكامل الشامل يُشبه من حيث المبدأ تصميم المتحكمات الدقيقة ، ولكنه يوفر قدرة حسابية أكبر بكثير. يُحقق هذا التصميم الموحد استهلاكًا أقل للطاقة ومساحة أصغر لرقاقة أشباه الموصلات مقارنةً بالبنى التقليدية متعددة الرقاقات، وإن كان ذلك على حساب تقليل قابلية التعديل والاستبدال.

تُعدّ أنظمة SoC شائعة الاستخدام في الحوسبة المتنقلة، حيث تُعتبر التصاميم المدمجة والموفرة للطاقة بالغة الأهمية. فهي تُشغّل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والساعات الذكية ، وتزداد أهميتها في الحوسبة الطرفية ، حيث تتم معالجة البيانات في الوقت الفعلي بالقرب من مصدر البيانات. [ 3 ] [ 4 ]

الأنواع

مخطط كتلي لنظام على شريحة مبني حول متحكم دقيق

بشكل عام، هناك ثلاثة أنواع متميزة من أنظمة SoC:

  • أنظمة على رقاقة مبنية حول متحكم دقيق ،
  • أنظمة على رقاقة مبنية حول معالج دقيق ، وغالبًا ما توجد في الهواتف المحمولة؛
  • دوائر متكاملة خاصة بتطبيقات محددة مصممة لتطبيقات معينة لا تندرج ضمن الفئتين المذكورتين أعلاه.

التطبيقات

يمكن تطبيق أنظمة SoC على أي مهمة حاسوبية. ومع ذلك، فهي تُستخدم عادةً في الحوسبة المتنقلة مثل الأجهزة اللوحية والهواتف الذكية والساعات الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة، بالإضافة إلى الأنظمة المدمجة والتطبيقات التي كانت تستخدم فيها سابقًا وحدات التحكم الدقيقة .

الأنظمة المدمجة

بعد أن كانت المتحكمات الدقيقة هي الخيار الوحيد المتاح سابقًا، باتت أنظمة SoCs تبرز بقوة في سوق الأنظمة المدمجة. يوفر التكامل المُحكم للأنظمة موثوقية أفضل ومتوسط ​​وقت أطول بين الأعطال ، كما تتميز أنظمة SoCs بوظائف متقدمة وقدرة حاسوبية أعلى من المتحكمات الدقيقة. [ 5 ] تشمل تطبيقاتها تسريع الذكاء الاصطناعي ، ورؤية الآلة المدمجة ، [ 6 ] وجمع البيانات ، والقياس عن بُعد ، ومعالجة المتجهات، والذكاء المحيطي . غالبًا ما تستهدف أنظمة SoCs المدمجة أسواق إنترنت الأشياء ، والوسائط المتعددة، والشبكات، والاتصالات، والحوسبة الطرفية . من أمثلة أنظمة SoCs للتطبيقات المدمجة: STMicroelectronics STM32 ، و Raspberry Pi Ltd RP2040 ، و AMD Zynq 7000 .

الحوسبة المتنقلة

نظام على شريحة AMD Élan SC450 في جهاز نوكيا 9110 كوميونيكيتور

تتضمن أنظمة SoC القائمة على الحوسبة المتنقلة دائمًا معالجات، وذاكرة، وذاكرة تخزين مؤقتة مدمجة ، وإمكانيات شبكات لاسلكية ، وغالبًا ما تتضمن مكونات وبرامج ثابتة للكاميرات الرقمية . مع ازدياد أحجام الذاكرة، غالبًا ما تخلو أنظمة SoC المتطورة من الذاكرة وذاكرة الفلاش، وبدلاً من ذلك، توضع الذاكرة وذاكرة الفلاش بجوار نظام SoC مباشرةً أو فوقه ( حزمة فوق حزمة ). [ 7 ] من أمثلة أنظمة SoC للحوسبة المتنقلة ما يلي:

أجهزة الكمبيوتر الشخصية

في عام ١٩٩٢، أنتجت شركة Acorn Computers سلسلة الحواسيب الشخصية A3010 وA3020 وA4000 المزودة بمعالج ARM250 SoC. جمع هذا المعالج بين معالج Acorn ARM2 الأصلي ووحدة تحكم الذاكرة (MEMC) ووحدة تحكم الفيديو (VIDC) ووحدة تحكم الإدخال/الإخراج (IOC). في الحواسيب السابقة التي تعمل بمعالجات Acorn ARM ، كانت هذه المكونات عبارة عن أربع رقائق منفصلة. أما شريحة ARM7500 فكانت الجيل الثاني من معالجات SoC، وهي مبنية على معالجات ARM700 وVIDC20 وIOMD، وقد تم ترخيصها على نطاق واسع في الأجهزة المدمجة مثل أجهزة الاستقبال الرقمية، بالإضافة إلى حواسيب Acorn الشخصية اللاحقة.

استفاد مصنعو الأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة من دروس الأنظمة المدمجة وأسواق الهواتف الذكية فيما يتعلق بتقليل استهلاك الطاقة، وتحسين الأداء والموثوقية من خلال التكامل المحكم بين وحدات الأجهزة والبرامج الثابتة ، ودمج تقنية LTE وغيرها من اتصالات الشبكات اللاسلكية على الشريحة ( وحدات تحكم واجهة الشبكة المتكاملة ). [ 10 ]

في أجهزة الكمبيوتر المحمولة الحديثة وأجهزة الكمبيوتر الصغيرة، تستخدم معالجات AMD Ryzen و Intel Core منخفضة الطاقة تصميم SoC الذي يدمج وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات المدمجة ومجموعة الشرائح وغيرها من المعالجات في حزمة واحدة. ومع ذلك، لا تزال هذه المعالجات x86 تتطلب ذاكرة خارجية وشرائح تخزين.

بناء

تتكون وحدة النظام على شريحة (SoC) من وحدات وظيفية للأجهزة ، بما في ذلك المعالجات الدقيقة التي تشغل التعليمات البرمجية ، بالإضافة إلى نظام فرعي للاتصالات للاتصال والتحكم والتوجيه والتفاعل بين هذه الوحدات الوظيفية.

المكونات الوظيفية

أنوية المعالج

يجب أن تحتوي وحدة النظام على شريحة (SoC) على نواة معالجة واحدة على الأقل ، ولكنها عادةً ما تحتوي على أكثر من نواة. يمكن أن تكون نوى المعالجة عبارة عن متحكم دقيق ، أو معالج دقيق (μP)، [ 11 ] أو معالج إشارات رقمية (DSP)، أو معالج مجموعة تعليمات خاصة بالتطبيقات (ASIP). [ 12 ] تتميز معالجات ASIP بمجموعات تعليمات مُخصصة لمجال تطبيق معين ، ومصممة لتكون أكثر كفاءة من التعليمات العامة لنوع محدد من أحمال العمل. تحتوي وحدات النظام على شريحة متعددة المعالجات على أكثر من نواة معالجة بحكم تعريفها. تُعد بنية Arm خيارًا شائعًا لنوى معالجات وحدات النظام على شريحة، لأن بعض نوى بنية Arm هي معالجات برمجية مُحددة كنوى IP . [ 11 ]

ذاكرة

يجب أن تحتوي أنظمة SoC على وحدات ذاكرة شبه موصلة لإجراء عملياتها الحسابية، تمامًا كما هو الحال في المتحكمات الدقيقة والأنظمة المدمجة الأخرى . وبحسب التطبيق، قد تُشكل ذاكرة SoC تسلسلًا هرميًا للذاكرة وتسلسلًا هرميًا للذاكرة المخبئية . يُعد هذا شائعًا في سوق الحوسبة المتنقلة، ولكنه غير ضروري في العديد من المتحكمات الدقيقة المدمجة منخفضة الطاقة . تشمل تقنيات الذاكرة لأنظمة SoC ذاكرة القراءة فقط (ROM)، وذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وذاكرة القراءة فقط القابلة للمسح والبرمجة كهربائيًا ( EEPROM )، وذاكرة الفلاش . [ 11 ] وكما هو الحال في أنظمة الحاسوب الأخرى، يمكن تقسيم ذاكرة الوصول العشوائي إلى ذاكرة وصول عشوائي ثابتة (SRAM) أسرع نسبيًا ولكنها أغلى ثمنًا، وذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM) أبطأ ولكنها أرخص . عندما تحتوي SoC على تسلسل هرمي للذاكرة المخبئية ، تُستخدم ذاكرة SRAM عادةً لتنفيذ سجلات المعالج والذاكرة المخبئية المدمجة في النوى، بينما تُستخدم ذاكرة DRAM للذاكرة الرئيسية . قد تكون "الذاكرة الرئيسية" خاصة بمعالج واحد (والذي قد يكون متعدد النوى )، بينما في حالة احتواء النظام على عدة معالجات ، تكون الذاكرة موزعة ويجب إرسالها عبر اتصال بين الوحدات على  الشريحة ليتم الوصول إليها بواسطة معالج آخر. [ 12 ] لمزيد من المناقشة حول مشكلات الذاكرة في المعالجة المتعددة، انظر تماسك ذاكرة التخزين المؤقت وزمن استجابة الذاكرة .

واجهات

تتضمن أنظمة SoC واجهات خارجية ، عادةً لبروتوكولات الاتصال . وتعتمد هذه الواجهات غالبًا على معايير صناعية مثل USB و Ethernet و USART و SPI و HDMI و I²C و CSI وغيرها. وتختلف هذه الواجهات باختلاف التطبيق المقصود. كما قد تدعم هذه الأنظمة بروتوكولات الشبكات اللاسلكية مثل Wi-Fi و Bluetooth و 6LoWPAN وتقنية الاتصال قريب المدى (NFC) .

عند الحاجة، تتضمن أنظمة SoC واجهات تناظرية ، بما في ذلك محولات تناظرية-رقمية ورقمية -تناظرية ، تُستخدم غالبًا لمعالجة الإشارات . ويمكن لهذه الواجهات التفاعل مع أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار أو المشغلات ، بما في ذلك المحولات الذكية . كما يمكن أن تتفاعل مع وحدات أو دروع خاصة بالتطبيقات . [ ملاحظة 1 ] أو قد تكون هذه الواجهات داخلية في نظام SoC، كما هو الحال عند دمج مستشعر تناظري في نظام SoC، حيث يجب تحويل قراءاته إلى إشارات رقمية للمعالجة الرياضية.

معالجات الإشارات الرقمية

تُدمج معالجات الإشارات الرقمية (DSP) عادةً في أنظمة على رقاقة (SoCs). وتُجري هذه المعالجات عمليات معالجة الإشارات في أنظمة على رقاقة لأجهزة الاستشعار ، والمشغلات ، وجمع البيانات ، وتحليلها ، ومعالجة الوسائط المتعددة. تتميز معالجات الإشارات الرقمية عادةً ببنية مجموعة تعليمات ذات كلمة تعليمات طويلة جدًا (VLIW) ومجموعة تعليمات ذات تعليمات واحدة وبيانات متعددة (SIMD) ، ولذلك فهي قابلة للاستخدام بشكل كبير لاستغلال التوازي على مستوى التعليمات من خلال المعالجة المتوازية والتنفيذ فائق القياس . [ 12 ] : 4 غالبًا ما تتميز معالجات SP بتعليمات خاصة بالتطبيقات، وبالتالي فهي عادةً ما تكون معالجات مجموعة تعليمات خاصة بالتطبيقات (ASIP). تتوافق هذه التعليمات الخاصة بالتطبيقات مع وحدات وظيفية مخصصة للأجهزة تقوم بمعالجة هذه التعليمات.

تتضمن تعليمات معالجة الإشارات الرقمية النموذجية الضرب والتجميع ، وتحويل فورييه السريع ، والضرب والجمع المدمج ، والالتفافات .

آخر

كما هو الحال مع أنظمة الحاسوب الأخرى، تتطلب أنظمة SoC مصادر توقيت لتوليد إشارات الساعة ، والتحكم في تنفيذ وظائفها، وتوفير سياق زمني لتطبيقات معالجة الإشارات الخاصة بها، عند الحاجة. ومن مصادر التوقيت الشائعة مذبذبات الكريستال وحلقات التزامن الطوري .

تشمل ملحقات النظام على شريحة (SoC) عدادات المؤقتات ، ومؤقتات الوقت الحقيقي، ومولدات إعادة الضبط عند التشغيل . كما تشمل منظمات الجهد ودوائر إدارة الطاقة .

التواصل بين الوحدات

تتألف أنظمة SoC من العديد من وحدات التنفيذ . غالبًا ما يتعين على هذه الوحدات تبادل البيانات والتعليمات ذهابًا وإيابًا. ولهذا السبب، تتطلب جميع أنظمة SoC، باستثناء أبسطها، أنظمة فرعية للاتصالات . في الأصل، كما هو الحال مع تقنيات الحواسيب الصغيرة الأخرى ، استُخدمت بنى ناقل البيانات ، ولكن في الآونة الأخيرة ، برزت التصاميم القائمة على شبكات الاتصال البيني المتفرقة، والمعروفة باسم الشبكات على الشريحة (NoC)، ومن المتوقع أن تتفوق على بنى ناقل البيانات في تصميم أنظمة SoC في المستقبل القريب. [ 13 ]

الاتصالات عبر الحافلات

تاريخياً، كانت ناقلة حاسوب عالمية مشتركة تربط عادةً المكونات المختلفة، والتي تسمى أيضاً "وحدات" نظام على شريحة (SoC). [ 13 ] وتُعد ناقلة AMBA (بنية ناقلة المتحكم الدقيق المتقدمة) من Arm، وهي ناقلة شائعة جداً لاتصالات نظام على شريحة ( SoC ) وهي متاحة مجاناً .

تقوم وحدات التحكم في الوصول المباشر للذاكرة بتوجيه البيانات مباشرةً بين الواجهات الخارجية وذاكرة النظام على شريحة واحدة (SoC)، متجاوزةً وحدة المعالجة المركزية أو وحدة التحكم ، مما يزيد من معدل نقل البيانات في النظام على شريحة واحدة. وهذا مشابه لبعض برامج تشغيل الأجهزة الطرفية في بنى الحواسيب الشخصية متعددة الشرائح القائمة على المكونات .

لا يمكن تقليل تأخير الأسلاك بسبب استمرار تصغير حجم المعالجات ، كما أن أداء النظام لا يتناسب طرديًا مع عدد النوى المتصلة، ويجب أن ينخفض ​​تردد تشغيل النظام على شريحة واحدة مع كل نواة إضافية متصلة لضمان استدامة استهلاك الطاقة، وتستهلك الأسلاك الطويلة كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية. هذه التحديات تحول دون دعم أنظمة متعددة النوى على شريحة واحدة. [ 13 ] : xiii

شبكة على شريحة

في أواخر العقد الثاني من الألفية الثانية، برز اتجاهٌ نحو استخدام أنظمة على رقاقة (SoCs) لتنفيذ أنظمة فرعية للاتصالات وفقًا لبنية شبكية بدلًا من البروتوكولات القائمة على ناقل البيانات . وقد أدى هذا الاتجاه نحو زيادة عدد أنوية المعالجات في أنظمة SoCs إلى جعل كفاءة الاتصال على الرقاقة أحد العوامل الرئيسية في تحديد أداء النظام وتكلفته الإجمالية. [ 13 ] : xiii وقد أدى ذلك إلى ظهور شبكات الربط البيني المزودة بتقنية تبديل الحزم القائمة على الموجهات ، والمعروفة باسم " الشبكات على رقاقة " (NoCs)، للتغلب على اختناقات الشبكات القائمة على ناقل البيانات. [ 13 ] : xiii

تتميز الشبكات على رقاقة (NoC) بمزايا عديدة، منها توجيه البيانات حسب الوجهة والتطبيق ، وكفاءة أعلى في استهلاك الطاقة، وتقليل احتمالية ازدحام ناقل البيانات . تستوحي بنى الشبكات على رقاقة تصميمها من بروتوكولات الاتصال مثل TCP ومجموعة بروتوكولات الإنترنت للاتصال على الرقاقة [ 13 ]، على الرغم من أنها عادةً ما تحتوي على عدد أقل من طبقات الشبكة . وتُعدّ بنى الشبكات المثلى على رقاقة مجالًا بحثيًا متناميًا يحظى باهتمام كبير. تتراوح بنى الشبكات على رقاقة من طوبولوجيات شبكات الحوسبة الموزعة التقليدية ، مثل الشبكات الحلقية ، والمكعبات الفائقة ، والشبكات الشبكية ، وشبكات الأشجار، إلى جدولة الخوارزميات الجينية، وصولًا إلى الخوارزميات العشوائية ، مثل المشي العشوائي مع التفرع، ووقت البقاء العشوائي (TTL).

يعتبر العديد من الباحثين في مجال أنظمة SoC أن بنى شبكات NoC هي مستقبل تصميم أنظمة SoC، نظرًا لقدرتها على تلبية احتياجات الطاقة والإنتاجية بكفاءة عالية. تعتمد بنى NoC الحالية على بُعدين. ومع ازدياد عدد النوى في أنظمة SoC، يواجه تصميم الدوائر المتكاملة ثنائية الأبعاد خيارات محدودة في تخطيط الدوائر، لذا مع ظهور الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3DICs)، يتجه مصممو أنظمة SoC نحو بناء شبكات ثلاثية الأبعاد على الشريحة تُعرف باسم 3DNoCs. [ 13 ]

مخطط التصميم

مخطط تصميم نظام على شريحة

يتألف النظام على شريحة من كلٍّ من المكونات المادية ، الموضحة في قسم "  البنية" ، والبرمجيات التي تتحكم في نوى المتحكم الدقيق أو المعالج الدقيق أو معالج الإشارات الرقمية، بالإضافة إلى الأجهزة الطرفية والواجهات. يهدف مسار تصميم النظام على شريحة إلى تطوير هذه المكونات المادية والبرمجيات في آنٍ واحد، وهو ما يُعرف أيضًا بالتصميم المعماري المشترك . كما يجب أن يراعي مسار التصميم التحسينات ( انظر قسم "  أهداف التحسين" ) والقيود.

تُطوَّر معظم أنظمة SoC من مواصفات IP أساسية لمكونات الأجهزة المؤهلة مسبقًا ، والتي تشمل عناصر الأجهزة ووحدات التنفيذ ، والتي تُعرف مجتمعةً باسم "الكتل"، كما هو موضح أعلاه، بالإضافة إلى برامج تشغيل الأجهزة التي قد تتحكم في تشغيلها. وتكتسب حزم البروتوكولات التي تدعم واجهات قياسية في الصناعة مثل USB أهمية خاصة . تُجمَّع كتل الأجهزة باستخدام أدوات التصميم بمساعدة الحاسوب ، وتحديدًا أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني ؛ بينما تُدمج وحدات البرمجيات باستخدام بيئة تطوير برمجيات متكاملة .

غالبًا ما تُصمَّم مكونات أنظمة SoC باستخدام لغات برمجة عالية المستوى مثل C++ و MATLAB و SystemC ، ثم تُحوَّل إلى تصميمات RTL باستخدام أدوات توليف عالية المستوى (HLS) مثل C to HDL أو flow to HDL . [ 14 ] تُمكِّن منتجات HLS، التي تُسمى "التوليف الخوارزمي"، المصممين من استخدام C++ لنمذجة وتوليف مستويات النظام والدائرة والبرمجيات والتحقق، كل ذلك بلغة عالية المستوى واحدة شائعة الاستخدام بين مهندسي الحاسوب، بطريقة مستقلة عن الأطر الزمنية التي تُحدَّد عادةً بلغة HDL. [ 15 ] يمكن أن تظل مكونات أخرى برمجيات، ويتم تجميعها وتضمينها في معالجات ذات نوى برمجية مُضمَّنة في نظام SoC كوحدات نمطية بلغة HDL أو كوحدات IP .

بعد تحديد بنية النظام على شريحة (SoC)، تُكتب أي عناصر عتادية جديدة بلغة وصف عتادية مجردة تُسمى مستوى نقل السجلات (RTL)، والتي تُحدد سلوك الدائرة، أو تُصاغ إلى RTL من لغة عالية المستوى عبر توليف عالي المستوى. تُربط هذه العناصر معًا بلغة وصف عتادية لإنشاء تصميم النظام على شريحة (SoC) الكامل. يُطلق على المنطق المُحدد لربط هذه المكونات والتحويل بين الواجهات المختلفة التي قد تُقدمها جهات تصنيع مختلفة اسم منطق الربط .

التحقق من التصميم

تُفحص الرقائق الإلكترونية للتأكد من صحتها قبل إرسالها إلى مصنع أشباه الموصلات . تُعرف هذه العملية بالتحقق الوظيفي ، وهي تستغرق جزءًا كبيرًا من الوقت والجهد المبذولين في دورة حياة تصميم الرقائق ، وغالبًا ما تُذكر بنسبة 70%. [ 16 ] [ 17 ] مع تزايد تعقيد الرقائق، تُستخدم لغات التحقق من الأجهزة مثل SystemVerilog و SystemC و e وOpenVera. ويتم إبلاغ المصمم بأي أخطاء يتم اكتشافها في مرحلة التحقق.

تقليديًا، يستخدم المهندسون تقنيات تسريع المحاكاة أو المحاكاة أو النماذج الأولية على أجهزة قابلة لإعادة البرمجة للتحقق من صحة مكونات الأجهزة والبرامج وتصحيح أخطائها في تصميمات أنظمة على رقاقة (SoC) قبل إتمام التصميم، وهي عملية تُعرف باسم " التصنيع النهائي" . وتُفضّل مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs) لإنشاء نماذج أولية لأنظمة على رقاقة (SoCs) نظرًا لإمكانية إعادة برمجتها، وسهولة تصحيح أخطائها ، ومرونتها العالية مقارنةً بالدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs). [ 18 ] [ 19 ]

بفضل سعتها العالية وسرعة تجميعها، تُعدّ تقنيات تسريع المحاكاة والمحاكاة تقنيات فعّالة توفر رؤية شاملة للأنظمة. مع ذلك، تعمل كلتا التقنيتين ببطء، بترددات تصل إلى ميغاهرتز، وهو ما قد يكون أبطأ بكثير - يصل إلى 100 ضعف - من تردد تشغيل النظام على شريحة واحدة (SoC). كما أن أجهزة التسريع والمحاكاة كبيرة الحجم ومكلفة للغاية، إذ يتجاوز سعرها مليون دولار أمريكي  .

على النقيض من ذلك، تستخدم نماذج FPGA الأولية هذه الدوائر مباشرةً لتمكين المهندسين من التحقق من صحة النظام واختباره عند تردد التشغيل الكامل أو بالقرب منه باستخدام محفزات واقعية. وتُستخدم أدوات مثل Certus [ 20 ] لإدخال مجسات في RTL الخاص بـ FPGA، مما يتيح مراقبة الإشارات. ويُستخدم هذا لتصحيح أخطاء تفاعلات الأجهزة والبرامج الثابتة والبرامج عبر دوائر FPGA متعددة، بقدرات مشابهة لمحلل المنطق.

بالتوازي، تُجمّع عناصر الأجهزة وتُمرّر عبر عملية توليف منطقي ، تُطبّق خلالها قيود الأداء، مثل تردد التشغيل وتأخيرات الإشارة المتوقعة. ينتج عن ذلك مُخرَج يُعرف بقائمة الشبكة، يصف التصميم كدائرة مادية ووصلاتها البينية. تُدمج قوائم الشبكة هذه مع منطق الربط الذي يربط المكونات لإنتاج الوصف التخطيطي لنظام على شريحة (SoC) كدائرة قابلة للطباعة على شريحة. تُعرف هذه العملية بالتخطيط والتوجيه ، وتسبق عملية تصنيع الشرائح في حال إنتاج أنظمة على شريحة (SoC) كدوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC).

أهداف التحسين

يجب أن تُحسّن أنظمة SoC استهلاك الطاقة ، ومساحة الشريحة ، والاتصالات، وتحديد المواقع بين الوحدات النمطية، وعوامل أخرى. يُعدّ التحسين هدفًا أساسيًا في تصميم أنظمة SoC. فلو لم يكن التحسين ضروريًا، لاستخدم المهندسون بنية وحدات متعددة الشرائح دون مراعاة استخدام المساحة، أو استهلاك الطاقة، أو أداء النظام بنفس القدر.

فيما يلي أهداف التحسين الشائعة لتصميمات أنظمة على رقاقة (SoC)، مع شرح لكل منها. بشكل عام، قد يُمثل تحسين أي من هذه الكميات مشكلة تحسين توافقي معقدة ، وقد يكون من الصعب جدًا إيجاد حلول لها (NP-hard) . لذلك، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى خوارزميات تحسين متطورة ، وقد يكون من العملي استخدام خوارزميات تقريبية أو طرق استدلالية في بعض الحالات. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي معظم تصميمات أنظمة على رقاقة على متغيرات متعددة يجب تحسينها في آنٍ واحد ، لذا يُسعى إلى إيجاد حلول فعالة وفقًا لمبدأ باريتو في تصميم هذه الأنظمة. في كثير من الأحيان، تتعارض أهداف تحسين بعض هذه الكميات بشكل مباشر، مما يزيد من تعقيد عملية تحسين تصميم أنظمة على رقاقة ويُدخل مفاضلات في تصميم النظام.

للحصول على تغطية أوسع للمفاضلات وتحليل المتطلبات ، انظر هندسة المتطلبات .

الأهداف

استهلاك الطاقة

تُصمَّم أنظمة SoC لتقليل استهلاك الطاقة الكهربائية اللازمة لأداء وظائفها. يجب أن تستهلك معظم أنظمة SoC طاقة منخفضة. غالبًا ما تتطلب أنظمة SoC عمر بطارية طويلًا (مثل الهواتف الذكية )، ويمكنها العمل لأشهر أو سنوات دون مصدر طاقة مع الحفاظ على وظائفها المستقلة، وغالبًا ما يكون استهلاكها للطاقة محدودًا بسبب العدد الكبير من أنظمة SoC المدمجة المتصلة بشبكة في منطقة ما. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون تكاليف الطاقة مرتفعة، وسيؤدي ترشيد استهلاك الطاقة إلى تقليل التكلفة الإجمالية لامتلاك نظام SoC. أخيرًا، يمكن أن تتسبب الحرارة المهدرة الناتجة عن استهلاك الطاقة العالي في تلف مكونات الدائرة الأخرى إذا تم تبديد كمية كبيرة من الحرارة، مما يُعطي سببًا عمليًا آخر لترشيد استهلاك الطاقة. كمية الطاقة المستخدمة في الدائرة هي تكامل الطاقة المستهلكة بالنسبة للزمن، ومتوسط ​​معدل استهلاك الطاقة هو حاصل ضرب التيار في الجهد . وبصورة مكافئة، وفقًا لقانون أوم ، فإن الطاقة تساوي مربع التيار مضروبًا في المقاومة أو مربع الجهد مقسومًا على المقاومة .

P=أناV=V2R=أنا2R{\displaystyle P=IV={\frac {V^{2}}{R}}={I^{2}}{R}}تُستخدم أنظمة SoC بشكل شائع في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية ، وأجهزة الملاحة GPS ، والساعات الرقمية (بما في ذلك الساعات الذكية )، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة . يرغب المستخدمون في عمر بطارية طويل لأجهزة الحوسبة المحمولة ، وهذا سبب آخر لضرورة تقليل استهلاك الطاقة في أنظمة SoC. غالبًا ما تُشغَّل تطبيقات الوسائط المتعددة على هذه الأجهزة، بما في ذلك ألعاب الفيديو، وبث الفيديو ، ومعالجة الصور ؛ وقد ازدادت تعقيدًا من الناحية الحسابية في السنوات الأخيرة مع تزايد طلبات المستخدمين وتوقعاتهم لجودة وسائط متعددة أعلى. تزداد متطلبات الحوسبة مع تزايد التوقعات نحو فيديو ثلاثي الأبعاد عالي الدقة بمعايير متعددة ، لذا يجب أن تكون أنظمة SoC التي تؤدي مهام الوسائط المتعددة منصة ذات قدرة حسابية عالية مع استهلاك منخفض للطاقة لتشغيلها ببطارية هاتف محمول قياسية. [ 12 ] : 3

الأداء لكل واط

تُصمَّم أنظمة SoC لتحقيق أقصى كفاءة في استهلاك الطاقة لكل واط: أي زيادة أداء النظام ضمن حدود استهلاك الطاقة المتاحة. تتطلب العديد من التطبيقات، مثل الحوسبة الطرفية والمعالجة الموزعة والذكاء المحيطي، مستوىً معينًا من الأداء الحسابي ، إلا أن الطاقة محدودة في معظم بيئات أنظمة SoC.

الحرارة المهدرة

تُصمَّم أنظمة SoC لتقليل الحرارة المهدرة على الشريحة. وكما هو الحال مع الدوائر المتكاملة الأخرى، تُعدّ الحرارة المتولدة نتيجة كثافة الطاقة العالية عائقًا أمام المزيد من تصغير المكونات. [ 21 ] : 1 أصبحت كثافة الطاقة في الدوائر المتكاملة عالية السرعة، وخاصة المعالجات الدقيقة، بما في ذلك أنظمة SoC، غير متساوية بشكل كبير. يمكن أن تؤدي الحرارة المهدرة الزائدة إلى تلف الدوائر وتآكل موثوقيتها بمرور الوقت. تؤثر درجات الحرارة المرتفعة والإجهاد الحراري سلبًا على الموثوقية، وانتقال الإجهاد ، وانخفاض متوسط ​​الوقت بين الأعطال ، والهجرة الكهربائية ، وتوصيل الأسلاك ، وعدم الاستقرار ، وغيرها من أوجه تدهور أداء نظام SoC بمرور الوقت. [ 21 ] : 2-9

على وجه الخصوص، تقع معظم أنظمة SoC في مساحة أو حجم مادي صغير، وبالتالي تتفاقم آثار الحرارة المهدرة نظرًا لقلة المساحة المتاحة لتشتيتها خارج النظام. وبسبب العدد الكبير من الترانزستورات في الأجهزة الحديثة، غالبًا ما يكون من الممكن تحقيق تصميم ذي إنتاجية كافية وكثافة ترانزستور عالية من خلال عمليات التصنيع ، ولكنه سيؤدي إلى كميات كبيرة غير مقبولة من الحرارة في حجم الدائرة. [ 21 ] : 1

تُجبر هذه التأثيرات الحرارية مصممي أنظمة SoC وغيرها من الرقائق على تطبيق هوامش تصميم متحفظة ، مما يؤدي إلى إنتاج أجهزة أقل كفاءة للتخفيف من مخاطر الفشل الكارثي . ونظرًا لزيادة كثافة الترانزستورات مع تصغير الأبعاد، ينتج عن كل جيل من عمليات التصنيع كمية حرارة أكبر من سابقه. ومما يزيد الأمر تعقيدًا، أن بنى أنظمة SoC عادةً ما تكون غير متجانسة، مما يُنشئ تدفقات حرارية غير متجانسة مكانيًا ، لا يمكن التخفيف منها بفعالية عن طريق التبريد السلبي المنتظم . [ 21 ] : 1

الإنتاجية

تم تحسين أنظمة SoC لزيادة الإنتاجية الحسابية والاتصالات إلى أقصى حد .

كمون

تُصمَّم أنظمة SoC لتقليل زمن الاستجابة لبعض وظائفها أو جميعها. ويتحقق ذلك من خلال ترتيب العناصر بتقارب وتجاور مناسبين لتقليل تأخيرات الربط البيني وزيادة سرعة نقل البيانات بين الوحدات النمطية والوحدات الوظيفية والذاكرة. وبشكل عام، يُعدّ تحسين تقليل زمن الاستجابة مسألةً من مسائل NP-complete ، وهي مكافئة لمسألة الإرضاء المنطقي .

بالنسبة للمهام التي تُنفذ على أنوية المعالج، يمكن تحسين زمن الاستجابة والإنتاجية من خلال جدولة المهام . مع ذلك، تُنفذ بعض المهام في وحدات أجهزة خاصة بالتطبيق، وحتى جدولة المهام قد لا تكون كافية لتحسين جميع المهام البرمجية لتلبية قيود التوقيت والإنتاجية.

المنهجيات

يتم تصميم الأنظمة على رقاقة باستخدام تقنيات التحقق والتحقق القياسية للأجهزة ، ولكن يتم استخدام تقنيات إضافية لنمذجة وتحسين بدائل تصميم SoC لجعل النظام مثاليًا فيما يتعلق بتحليل القرار متعدد المعايير بشأن أهداف التحسين المذكورة أعلاه.

جدولة المهام

يُعدّ جدولة المهام نشاطًا بالغ الأهمية في أي نظام حاسوبي يتضمن عمليات أو خيوط معالجة متعددة تتشارك في نواة معالج واحدة. ومن المهم تقليل زمن  الاستجابة وزيادة الإنتاجية  للبرامج المدمجة التي تعمل على نوى معالجات النظام على شريحة واحدة (  SoC) . لا تُنفَّذ جميع أنشطة الحوسبة المهمة في النظام على شريحة واحدة (SoC) بواسطة برامج تعمل على معالجات مدمجة، ولكن يمكن للجدولة أن تُحسِّن بشكل كبير أداء المهام البرمجية وغيرها من المهام التي تتضمن موارد مشتركة .

غالباً ما تقوم البرامج التي تعمل على أنظمة SoC بجدولة المهام وفقاً لخوارزميات جدولة الشبكة والجدولة العشوائية .

خطوط الأنابيب

غالبًا ما تُنفذ مهام الأجهزة والبرامج بتقنية خطوط الأنابيب في تصميم المعالجات . تُعد خطوط الأنابيب مبدأً هامًا لتسريع بنية الحاسوب . وهي تُستخدم بكثرة في وحدات المعالجة المركزية (على سبيل المثال، خط أنابيب RISC الكلاسيكي ) ووحدات معالجة الرسومات ( خط أنابيب الرسومات )، ولكنها تُطبق أيضًا على مهام خاصة بالتطبيقات مثل معالجة الإشارات الرقمية ومعالجة الوسائط المتعددة في سياق أنظمة على رقاقة (SoCs). [ 12 ]

النمذجة الاحتمالية

غالبًا ما يتم تحليل أنظمة التحكم (SoCs) من خلال النماذج الاحتمالية ، وشبكات الانتظار ، وسلاسل ماركوف . على سبيل المثال، يسمح قانون ليتل بنمذجة حالات أنظمة التحكم (SoCs) ومخازن الشبكة (NoCs) كعمليات وصول، وتحليلها من خلال متغيرات بواسون العشوائية وعمليات بواسون .

سلاسل ماركوف

غالبًا ما تُنمذج أنظمة SoC باستخدام سلاسل ماركوف ، بنوعيها المتقطع والمستمر . يتيح نمذجة سلاسل ماركوف التحليل التقاربي لتوزيع الطاقة والحرارة وزمن الاستجابة وعوامل أخرى في حالة الاستقرار لنظام SoC، مما يسمح بتحسين قرارات التصميم للحالة العامة.

التصنيع

تُصنع رقائق النظام على شريحة (SoC) عادةً باستخدام تقنية أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS). [ 22 ] تُستخدم قوائم الشبكة الموضحة أعلاه كأساس لعملية التصميم المادي ( التخطيط والتوجيه ) لتحويل رؤية المصممين إلى تصميم النظام على شريحة. خلال عملية التحويل هذه، يُحلل التصميم باستخدام نمذجة التوقيت الثابت والمحاكاة وأدوات أخرى لضمان استيفائه لمعايير التشغيل المحددة، مثل التردد واستهلاك الطاقة وتبديدها، والسلامة الوظيفية (كما هو موضح في كود مستوى نقل السجلات)، والسلامة الكهربائية.

بعد تصحيح جميع الأخطاء المعروفة وإعادة التحقق منها، وإجراء جميع فحوصات التصميم المادي، تُرسل ملفات التصميم المادي التي تصف كل طبقة من طبقات الشريحة إلى ورشة تصنيع الأقنعة في المصنع، حيث تُحفر مجموعة كاملة من أقنعة الطباعة الحجرية الزجاجية. تُرسل هذه الأقنعة إلى مصنع تصنيع الرقاقات لإنتاج رقائق النظام على رقاقة (SoC) قبل تغليفها واختبارها.

يمكن تصنيع أنظمة على رقاقة (SoCs) باستخدام العديد من التقنيات، بما في ذلك:

تستهلك الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs) طاقة أقل وتتميز بسرعة أكبر من الدوائر المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs)، ولكن لا يمكن إعادة برمجتها وتكلفتها التصنيعية مرتفعة. تُعد تصميمات FPGAs أكثر ملاءمة للتصميمات ذات الإنتاج المنخفض، ولكن بعد إنتاج عدد كافٍ من وحدات ASICs، تنخفض التكلفة الإجمالية للملكية. [ 23 ]

تستهلك تصميمات النظام على رقاقة (SoC) طاقة أقل، وتتميز بتكلفة أقل وموثوقية أعلى مقارنةً بالأنظمة متعددة الرقاقات التي تحل محلها. ومع تقليل عدد الحزم في النظام، تنخفض تكاليف التجميع أيضًا.

ومع ذلك، وكما هو الحال في معظم تصميمات التكامل واسع النطاق للغاية (VLSI)، فإن التكلفة الإجمالية تكون أعلى بالنسبة لشريحة كبيرة واحدة مقارنة بنفس الوظائف الموزعة على عدة شرائح أصغر، وذلك بسبب انخفاض الإنتاجية وارتفاع تكاليف الهندسة غير المتكررة .

عندما يتعذر تصميم نظام على شريحة (SoC) لتطبيق معين، يُعدّ النظام المدمج في حزمة (SiP) بديلاً مناسباً، إذ يتألف من عدد من الرقائق في حزمة واحدة . عند إنتاجه بكميات كبيرة، يكون نظام SoC أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بنظام SiP نظراً لبساطة تغليفه. [ 24 ] سبب آخر لتفضيل نظام SiP هو احتمال ارتفاع الحرارة المهدرة في نظام SoC لغرض معين، نظراً لتقارب المكونات الوظيفية، بينما في نظام SiP، تتبدد الحرارة بشكل أفضل من الوحدات الوظيفية المختلفة نظراً لتباعدها المكاني.

أمثلة

من أمثلة الأنظمة على الشريحة ما يلي:

المعايير

غالباً ما تقارن أبحاث وتطوير أنظمة على رقاقة (SoC) بين العديد من الخيارات. وقد تم تطوير معايير قياسية، مثل COSMIC، [ 25 ] للمساعدة في هذه التقييمات.

انظر أيضاً

ملحوظات

مراجع

  1. ↑ شاه، أغام (3 يناير 2017). "7 تحسينات مذهلة على الهواتف الذكية بفضل شريحة سنابدراغون 835 من كوالكوم" . عالم الشبكات .
  2. ↑ أماديو، ر. (18 فبراير 2020). "معالج سنابدراغون X60 من كوالكوم يعد بمودمات 5G أصغر حجمًا في عام 2021" . آرس تكنيكا . كوندي ناست . تم الاطلاع عليه في 17 ديسمبر 2023 .
  3. ↑ بيت بينيت (2 ديسمبر 2004). "لماذا وأين وماذا يتعلق بتصميم أنظمة على رقاقة منخفضة الطاقة " . مجلة EE Times . تم الاطلاع عليه في 28 يوليو 2015 .
  4. ↑ نولان، ستيفن م. "إدارة الطاقة لتطوير نظام إنترنت الأشياء (IoT) على شريحة واحدة (SoC)" . التصميم وإعادة الاستخدام . تم الاسترجاع في 25 سبتمبر 2018 .
  5. ↑ "هل معالج SOC أحادي الشريحة مناسب لمشروعك المدمج؟" . Embedded . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أكتوبر 2018 .
  6. ↑ "كوالكوم تطلق أنظمة على رقاقة (SoCs) للرؤية المدمجة | مؤتمر التصوير والرؤية الآلية في أوروبا" . www.imveurope.com . تاريخ الاطلاع: 13 أكتوبر 2018 .
  7. ↑ "تفكيك هاتفي سامسونج جالاكسي S10 و S10e" . iFixit . 6 مارس 2019.
  8. ↑ "شركة ARM تستهدف شركة Intel بخطة تطوير رقائق جديدة حتى عام 2020" . موقع Windows Central . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أكتوبر 2018 .
  9. ↑ "أجهزة كمبيوتر متصلة دائمًا، أجهزة كمبيوتر محمولة بتقنية 4G LTE ذات عمر بطارية ممتد | ويندوز" . www.microsoft.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 6 أكتوبر 2018 .
  10. ↑ "أجهزة مودم خلوية من فئة جيجابت LTE و4G LTE و5G | كوالكوم" . كوالكوم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 أكتوبر 2018 .
  11. 1 2 3 فوربر، ستيفن ب. (2000). بنية نظام ARM على شريحة . هارلو، إنجلترا: أديسون-ويسلي. ISBN 0-201-67519-6. OCLC 44267964 . 
  12. 1 2 3 4 5 هاريس جافيد؛ سري باراميسواران (2014). نظام معالج متعدد الأنابيب على شريحة للوسائط المتعددة . سبرينغر . ISBN 978-3-319-01113-4. OCLC 869378184 . 
  13. 1 2 3 4 5 6 7 كوندو، سانتانو؛ تشاتوبادياي، سانتانو (2014). الشبكة على رقاقة: الجيل التالي من تكامل النظام على رقاقة ( الطبعة الأولى). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. ISBN  978-1-4665-6527-2. OCLC 895661009 . 
  14. ↑ "أفضل الممارسات لنمذجة خوارزميات MATLAB وSimulink باستخدام FPGA" . مجلة EE . 25 أغسطس 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 أكتوبر 2018 .
  15. ↑ بوير، برايان (5 فبراير 2005). "لماذا وماذا عن التركيب الخوارزمي" . مجلة إي إي تايمز . تم الاطلاع عليه في 8 أكتوبر 2018 .
  16. ↑ "هل التحقق فعلاً بنسبة 70%؟" . إي إي تايمز . 14 يونيو 2004. تم الاطلاع عليه في 28 يوليو 2015 .
  17. ↑ " الفرق بين التحقق والتدقيق" . دورة اختبار البرمجيات . 26 أغسطس 2013. تم الاطلاع عليه في 30 أبريل 2018. في المقابلات، يطرح معظم القائمين على المقابلات أسئلة حول "ما الفرق بين التحقق والتدقيق؟" يستخدم الكثيرون مصطلحي التحقق والتدقيق بشكل متبادل، لكن لكل منهما معنى مختلف.
  18. ↑ ريتمان، داني (5 يناير 2006). "النمذجة النانومترية" (ملف PDF) . تايدن ديزاين . تم الاطلاع عليه في 7 أكتوبر 2018 .
  19. ↑ "النمذجة الأولية باستخدام FPGA لإنتاج ASIC المهيكل لتقليل التكلفة والمخاطر ووقت الوصول إلى السوق" . التصميم وإعادة الاستخدام . تم الاطلاع عليه في 7 أكتوبر 2018 .
  20. ↑ برايان بيلي (30 أكتوبر 2012). "تيكترونيكس تأمل في إحداث ثورة في تصميم نماذج الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات" . مجلة إي إي تايمز . تم الاطلاع عليه في 28 يوليو 2015 .
  21. 1 2 3 4 أوغرينسي-ميميك، سيدا (2015). إدارة الحرارة في الدوائر المتكاملة: المراقبة والتبريد على مستوى الشريحة وعلى مستوى النظام . لندن، المملكة المتحدة: مؤسسة الهندسة والتكنولوجيا. ISBN 978-1-84919-935-3. OCLC 934678500 . 
  22. ↑ لين، يون-لونغ ستيف (2007). قضايا أساسية في تصميم أنظمة على رقاقة: تصميم أنظمة معقدة على رقاقة . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا . ص 176. ISBN  978-1-4020-5352-8.
  23. ↑ "FPGA مقابل ASIC: ما هي الاختلافات بينهما وأيهما الأنسب للاستخدام؟ - مركز مساعدة Numato Lab" . numato.com . 17 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 17 أكتوبر 2018 .
  24. ↑ "النقاش الكبير: SOC مقابل SIP" . مجلة EE Times . 21 مارس 2005. تم الاطلاع عليه في 28 يوليو 2015 .
  25. ↑ "كوزميك" . www.ece.ust.hk. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 أكتوبر 2018 .

للمزيد من القراءة