نظام على شريحة

النظام على رقاقة أو النظام على رقاقة ( SoC / ˌ ˈ ɛ soʊ siː / ؛ الجمع SoCs / ˌ ˈ ɛ soʊ siː z / ) هو دائرة متكاملة تدمج معظم أو كل مكونات الكمبيوتر أو النظام الإلكتروني . تتضمن هذه المكونات عادةً وحدة معالجة مركزية (CPU) على الشريحة ، وواجهات ذاكرة ، وأجهزة وواجهات إدخال/إخراج ، وواجهات تخزين ثانوية ، غالبًا إلى جانب مكونات أخرى مثل أجهزة مودم الراديو ووحدة معالجة الرسومات (GPU) - كل ذلك على ركيزة واحدة أو رقاقة دقيقة. [1] قد تحتوي أنظمة SoC على وظائف معالجة رقمية وتناظرية، وإشارات مختلطة ^{وغالبًا} إشارات تردد لاسلكي ( وإلا فقد يتم اعتبارها على معالج تطبيق منفصل).

غالبًا ما يتم إقران أنظمة SoC عالية الأداء بذاكرة مخصصة ومنفصلة فعليًا وشرائح تخزين ثانوية (مثل LPDDR و eUFS أو eMMC ، على التوالي) يمكن وضعها فوق نظام SoC في ما يُعرف بتكوين الحزمة على الحزمة (PoP)، أو وضعها بالقرب من نظام SoC. بالإضافة إلى ذلك، قد تستخدم أنظمة SoC مودمات لاسلكية منفصلة (خاصة مودمات WWAN ). ^[2]

يدمج نظام SoC متحكمًا دقيقًا أو معالجًا دقيقًا أو ربما عدة نوى معالج مع أجهزة محيطية مثل وحدة معالجة الرسوميات أو شبكة Wi-Fi أو مودم راديو الشبكة الخلوية أو معالج مساعد واحد أو أكثر . وعلى غرار الطريقة التي يدمج بها المتحكم الدقيق معالجًا دقيقًا مع الدوائر الطرفية والذاكرة، يمكن اعتبار نظام SoC بمثابة دمج متحكم دقيق مع أجهزة محيطية أكثر تقدمًا .

بالمقارنة مع بنية متعددة الشرائح، فإن نظام SoC مع وظائف مكافئة سيكون له استهلاك أقل للطاقة بالإضافة إلى مساحة أصغر لشريحة أشباه الموصلات . يأتي هذا على حساب تقليل إمكانية استبدال المكونات. بحكم التعريف، يتم دمج تصميمات نظام SoC بشكل كامل أو شبه كامل عبر وحدات مكونات مختلفة . ولهذه الأسباب، كان هناك اتجاه عام نحو تكامل أكثر وثوقًا للمكونات في صناعة أجهزة الكمبيوتر ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تأثير أنظمة SoC والدروس المستفادة من أسواق الحوسبة المحمولة والمدمجة.

تعد أنظمة SoC شائعة جدًا في الحوسبة المتنقلة (كما هو الحال في الأجهزة الذكية مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر اللوحية ) وأسواق الحوسبة الحافة . ^{​​[3] [4]}

بشكل عام، هناك ثلاثة أنواع مميزة من أنظمة SoC:

• أنظمة SoC مبنية حول متحكم دقيق ،
• أنظمة SoC المبنية حول المعالج الدقيق ، والتي توجد غالبًا في الهواتف المحمولة؛
• دوائر متكاملة متخصصة بتطبيقات محددة مصممة لتطبيقات محددة لا تندرج ضمن الفئتين المذكورتين أعلاه.

يمكن تطبيق أنظمة SoC على أي مهمة حوسبة. ومع ذلك، تُستخدم عادةً في الحوسبة المتنقلة مثل الأجهزة اللوحية والهواتف الذكية والساعات الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة، فضلاً عن الأنظمة المضمنة وفي التطبيقات التي كانت تستخدم فيها وحدات التحكم الدقيقة سابقًا.

في حين كان من الممكن في السابق استخدام وحدات التحكم الدقيقة فقط، فإن أنظمة SoC تكتسب أهمية كبيرة في سوق الأنظمة المضمنة. يوفر تكامل النظام الأكثر إحكامًا موثوقية أفضل ومتوسط ​​وقت بين الفشل ، وتوفر أنظمة SoC وظائف وقوة حوسبة أكثر تقدمًا من وحدات التحكم الدقيقة. ^[5] تشمل التطبيقات تسريع الذكاء الاصطناعي ، والرؤية الآلية المضمنة ، ^[6] وجمع البيانات ، والقياس عن بعد ، ومعالجة المتجهات والذكاء المحيط . غالبًا ما تستهدف أنظمة SoC المضمنة إنترنت الأشياء والوسائط المتعددة والشبكات والاتصالات والحوسبة الحافة . ​​تتضمن بعض أمثلة أنظمة SoC للتطبيقات المضمنة ما يلي:

• أيه إم دي
  • معالج زينك 7000
  • Zynq UltraScale+ MPSoC
  • Zynq UltraScale+ RFSoC
  • نظام SoC التكيفي Versal

تجمع أنظمة SoC القائمة على الحوسبة المتنقلة دائمًا بين المعالجات والذاكرات وذاكرة التخزين المؤقت على الشريحة وقدرات الشبكات اللاسلكية وغالبًا أجهزة الكاميرا الرقمية والبرامج الثابتة. مع زيادة أحجام الذاكرة، غالبًا ما لا تحتوي أنظمة SoC المتطورة على ذاكرة أو وحدة تخزين فلاش وبدلاً من ذلك، سيتم وضع الذاكرة وذاكرة الفلاش بجوار أو أعلى ( حزمة على حزمة ) نظام SoC. ^[7] تتضمن بعض أمثلة أنظمة SoC للحوسبة المتنقلة ما يلي:

• سامسونج للإلكترونيات : القائمة ، تعتمد عادةً على ARM
  • Exynos ، يستخدم بشكل أساسي في سلسلة هواتف Galaxy الذكية من Samsung
• كوالكوم :
  • Snapdragon ( القائمة )، المستخدم في العديد من الهواتف الذكية. في عام 2018، تم استخدام Snapdragon SoCs باعتبارها العمود الفقري لأجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تعمل بنظام Windows 10 ، والتي تم تسويقها باسم "أجهزة الكمبيوتر المتصلة دائمًا". ^{[8] [9]}
• MediaTek ، تعتمد عادةً على ARM
  • سلسلة Dimensity وKompanio. معالجات مستقلة للتطبيقات والأجهزة اللوحية التي تعمل على تشغيل أجهزة مثل Amazon Echo Show

في عام 1992، أنتجت شركة Acorn Computers مجموعة A3010 وA3020 وA4000 من أجهزة الكمبيوتر الشخصية بنظام ARM250. وقد جمعت بين معالج Acorn ARM2 الأصلي ووحدة تحكم في الذاكرة (MEMC) ووحدة تحكم في الفيديو (VIDC) ووحدة تحكم في الإدخال/الإخراج (IOC). في أجهزة الكمبيوتر السابقة التي تعمل بنظام Acorn ARM ، كانت هذه أربع شرائح منفصلة. كانت شريحة ARM7500 هي الجيل الثاني من نظام SoC، استنادًا إلى وحدات التحكم ARM700 وVIDC20 وIOMD، وتم ترخيصها على نطاق واسع في الأجهزة المضمنة مثل أجهزة فك التشفير، بالإضافة إلى أجهزة الكمبيوتر الشخصية Acorn اللاحقة.

لقد تعلم مصنعو الأجهزة اللوحية والكمبيوتر المحمول دروسًا من الأنظمة المضمنة وأسواق الهواتف الذكية حول تقليل استهلاك الطاقة وتحسين الأداء والموثوقية من خلال التكامل الوثيق بين وحدات الأجهزة والبرامج الثابتة ، وشبكات LTE وغيرها من اتصالات الشبكات اللاسلكية المدمجة على الشريحة ( وحدات تحكم واجهة الشبكة المتكاملة ). ^[10]

يتكون نظام SoC من وحدات وظيفية للأجهزة ، بما في ذلك المعالجات الدقيقة التي تقوم بتشغيل التعليمات البرمجية ، بالإضافة إلى نظام فرعي للاتصالات للتوصيل والتحكم والتوجيه والتفاعل بين هذه الوحدات الوظيفية.

يجب أن يحتوي نظام SoC على نواة معالج واحدة على الأقل ، ولكن عادةً ما يحتوي نظام SoC على أكثر من نواة. يمكن أن تكون نوى المعالج عبارة عن متحكم دقيق أو معالج دقيق (μP) أو ^[11] معالج إشارات رقمية (DSP) أو نواة معالج مجموعة تعليمات خاصة بالتطبيق (ASIP). ^[12] تحتوي ASIPs على مجموعات تعليمات مخصصة لمجال تطبيق ومصممة لتكون أكثر كفاءة من التعليمات العامة للأغراض العامة لنوع معين من عبء العمل. تحتوي أنظمة SoC متعددة المعالجات على أكثر من نواة معالج بحكم التعريف. تعد بنية ARM خيارًا شائعًا لنوى معالج SoC لأن بعض نوى بنية ARM عبارة عن معالجات ناعمة محددة كنوى IP . ^[11]

يجب أن تحتوي أنظمة SoC على كتل ذاكرة أشباه الموصلات لأداء حساباتها، كما هو الحال مع المتحكمات الدقيقة والأنظمة المضمنة الأخرى . اعتمادًا على التطبيق، قد تشكل ذاكرة SoC تسلسلًا هرميًا للذاكرة وتسلسلًا هرميًا للذاكرة المؤقتة . في سوق الحوسبة المتنقلة، يعد هذا أمرًا شائعًا، ولكن في العديد من المتحكمات الدقيقة المضمنة منخفضة الطاقة ، هذا ليس ضروريًا. تشمل تقنيات الذاكرة لأنظمة SoC ذاكرة القراءة فقط (ROM) وذاكرة الوصول العشوائي (RAM) وذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمحو كهربائيًا ( EEPROM ) وذاكرة الفلاش . ^[11] كما هو الحال في أنظمة الكمبيوتر الأخرى، يمكن تقسيم ذاكرة الوصول العشوائي إلى ذاكرة وصول عشوائي ثابتة أسرع نسبيًا ولكنها أكثر تكلفة وذاكرة وصول عشوائي ديناميكية أبطأ ولكنها أرخص (DRAM). عندما يكون لنظام SoC تسلسل هرمي للذاكرة المؤقتة ، فسيتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة عادةً لتنفيذ سجلات المعالج وذاكرات التخزين المؤقت المضمنة للنوى بينما سيتم استخدام ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية للذاكرة الرئيسية . قد تكون "الذاكرة الرئيسية" خاصة بمعالج واحد (يمكن أن يكون متعدد النواة ) عندما يكون لدى نظام SoC معالجات متعددة ، في هذه الحالة تكون ذاكرة موزعة ويجب إرسالها عبر § اتصال بين الوحدات على الشريحة للوصول إليها بواسطة معالج مختلف. ^[12] لمزيد من المناقشة حول مشكلات ذاكرة المعالجة المتعددة، راجع تماسك ذاكرة التخزين المؤقت وزمن انتقال الذاكرة .

تتضمن أنظمة SoC واجهات خارجية ، عادةً لبروتوكولات الاتصال . غالبًا ما تستند هذه الواجهات إلى معايير الصناعة مثل USB و Ethernet و USART و SPI و HDMI و I²C و CSI وما إلى ذلك. ستختلف هذه الواجهات وفقًا للتطبيق المقصود. قد تكون بروتوكولات الشبكات اللاسلكية مثل Wi-Fi و Bluetooth و 6LoWPAN والاتصالات القريبة المدى مدعومة أيضًا.

عند الحاجة، تتضمن أنظمة SoC واجهات تناظرية بما في ذلك المحولات التناظرية إلى الرقمية والرقمية إلى التناظرية ، غالبًا لمعالجة الإشارات . قد تكون قادرة على التفاعل مع أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار أو المحركات ، بما في ذلك المحولات الذكية . قد تتفاعل مع وحدات أو دروع خاصة بالتطبيق . ^{[nb 1]} أو قد تكون داخلية في نظام SoC، مثل إذا تم دمج مستشعر تناظري في نظام SoC ويجب تحويل قراءاته إلى إشارات رقمية للمعالجة الرياضية.

غالبًا ما يتم تضمين أنوية معالج الإشارة الرقمية (DSP) في أنظمة SoC. وهي تؤدي عمليات معالجة الإشارة في أنظمة SoC لأجهزة الاستشعار والمحركات وجمع البيانات وتحليل البيانات ومعالجة الوسائط المتعددة. تتميز أنوية معالج الإشارة الرقمية عادةً بكلمات تعليمات طويلة جدًا (VLIW) وتعليمة واحدة وبيانات متعددة (SIMD) وهندسة مجموعة تعليمات ، وبالتالي فهي قابلة بدرجة كبيرة لاستغلال التوازي على مستوى التعليمات من خلال المعالجة المتوازية والتنفيذ الفائق . ^{[12] : 4} تتميز أنوية SP غالبًا بتعليمات خاصة بالتطبيق، وبالتالي فهي عادةً معالجات لمجموعة تعليمات خاصة بالتطبيق (ASIP). تتوافق مثل هذه التعليمات الخاصة بالتطبيق مع وحدات وظيفية مخصصة للأجهزة تحسب هذه التعليمات.

تتضمن تعليمات DSP النموذجية الضرب والتراكم ، وتحويل فورييه السريع ، والجمع والضرب المندمج ، والالتواءات .

كما هو الحال مع أنظمة الكمبيوتر الأخرى، تتطلب أنظمة SoC مصادر توقيت لتوليد إشارات الساعة ، والتحكم في تنفيذ وظائف نظام SoC وتوفير سياق زمني لتطبيقات معالجة الإشارات لنظام SoC، إذا لزم الأمر. مصادر الوقت الشائعة هي المذبذبات البلورية والحلقات المقفولة الطور .

تتضمن الأجهزة الطرفية التي تعمل بنظام SoC أجهزة ضبط الوقت ومؤقتات الوقت الحقيقي ومولدات إعادة ضبط التشغيل . كما تتضمن أنظمة SoC أيضًا منظمات الجهد ودوائر إدارة الطاقة .

تتألف أنظمة SoC من العديد من وحدات التنفيذ . وغالبًا ما يتعين على هذه الوحدات إرسال 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، تم استخدام هياكل ناقل البيانات ، ولكن مؤخرًا اكتسبت التصميمات القائمة على شبكات الاتصال المتفرقة المعروفة باسم الشبكات على الشريحة (NoC) شهرة كبيرة ومن المتوقع أن تتفوق على هياكل الناقل لتصميم أنظمة SoC في المستقبل القريب. ^[13]

تاريخيًا، كان ناقل الكمبيوتر العالمي المشترك يربط عادةً المكونات المختلفة، والتي تسمى أيضًا "كتل" نظام على رقاقة (SoC). ^{[13] ناقل شائع جدًا لاتصالات نظام على رقاقة (SoC) هو معيار هندسة ناقل المتحكم المتقدم (} AMBA ) الخالي من حقوق الملكية من ARM .

تقوم وحدات التحكم في الوصول المباشر للذاكرة بتوجيه البيانات مباشرة بين الواجهات الخارجية وذاكرة SoC، متجاوزة وحدة المعالجة المركزية أو وحدة التحكم ، وبالتالي زيادة معدل نقل البيانات في SoC. وهذا مشابه لبعض برامج تشغيل الأجهزة الطرفية على بنيات الكمبيوتر الشخصي متعددة الشرائح القائمة على المكونات .

لا يمكن توسيع نطاق تأخير الأسلاك بسبب التصغير المستمر ، ولا يتناسب أداء النظام مع عدد النوى المرفقة، ويجب أن ينخفض ​​تردد تشغيل نظام SoC مع كل نواة إضافية مرفقة حتى تكون الطاقة مستدامة، وتستهلك الأسلاك الطويلة كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية. هذه التحديات تمنع دعم أنظمة متعددة النوى على الشريحة. ^{[13] : xiii}

في أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ظهر اتجاه نحو أنظمة SoC التي تنفذ أنظمة فرعية للاتصالات من حيث طوبولوجيا تشبه الشبكة بدلاً من البروتوكولات القائمة على الناقل . أدى الاتجاه نحو المزيد من نوى المعالجات على أنظمة SoC إلى أن تصبح كفاءة الاتصال على الشريحة أحد العوامل الرئيسية في تحديد الأداء العام للنظام والتكلفة. ^{[13] : xiii} وقد أدى هذا إلى ظهور شبكات الربط مع التبديل بالحزم القائم على جهاز التوجيه والمعروف باسم " الشبكات على الشريحة " (NoCs) للتغلب على الاختناقات في الشبكات القائمة على الناقل. ^{[13] : xiii}

تتمتع الشبكات على الشريحة بمزايا تشمل التوجيه الخاص بالوجهة والتطبيق ، وكفاءة طاقة أكبر واحتمالية أقل لتنازع الناقل . تستلهم هياكل الشبكات على الشريحة إلهامها من بروتوكولات الاتصال مثل TCP ومجموعة بروتوكولات الإنترنت للاتصالات على الشريحة، ^[13] على الرغم من أنها تحتوي عادةً على طبقات شبكة أقل. تعد هياكل الشبكات على الشريحة المثلى مجالًا مستمرًا لاهتمام بحثي كبير. تتراوح هياكل NoC من طوبولوجيات شبكات الحوسبة الموزعة التقليدية مثل الطور والمكعب الفائق والشبكات الشبكية وشبكات الأشجار إلى جدولة الخوارزمية الجينية إلى الخوارزميات العشوائية مثل المشي العشوائي مع التفرع والوقت العشوائي للبقاء (TTL).

يعتبر العديد من الباحثين في أنظمة SoC أن بنيات NoC هي مستقبل تصميم أنظمة SoC لأنها أثبتت أنها تلبي بكفاءة احتياجات الطاقة والإنتاجية لتصميمات أنظمة SoC. بنيات NoC الحالية ثنائية الأبعاد. تصميم الدوائر المتكاملة ثنائية الأبعاد له خيارات تخطيط أرضية محدودة مع زيادة عدد النوى في أنظمة SoC، لذلك مع ظهور الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3DICs)، يتطلع مصممو أنظمة SoC إلى بناء شبكات ثلاثية الأبعاد على الشريحة تُعرف باسم 3DNoCs. ^[13]

يحتاج هذا القسم إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة في هذا القسم. قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ( مارس 2017 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

يتكون النظام الموجود على الشريحة من كل من الأجهزة ، كما هو موضح في § البنية، والبرمجيات التي تتحكم في نوى المتحكم الدقيق أو المعالج الدقيق أو معالج الإشارة الرقمية والأجهزة الطرفية والواجهات. يهدف تدفق التصميم لنظام SoC إلى تطوير هذه الأجهزة والبرامج في نفس الوقت، والمعروف أيضًا باسم التصميم المعماري المشترك. يجب أن يأخذ تدفق التصميم أيضًا في الاعتبار التحسينات (§ أهداف التحسين) والقيود.

يتم تطوير معظم أنظمة SoC من مواصفات IP الأساسية لمكونات الأجهزة المؤهلة مسبقًا لعناصر الأجهزة ووحدات التنفيذ ، والتي يطلق عليها بشكل جماعي "الكتل"، الموصوفة أعلاه، جنبًا إلى جنب مع برامج تشغيل الأجهزة البرمجية التي قد تتحكم في تشغيلها. وتكتسب مجموعات البروتوكولات التي تعمل على تشغيل واجهات معيارية في الصناعة مثل USB أهمية خاصة . يتم تجميع الكتل المادية باستخدام أدوات التصميم بمساعدة الكمبيوتر ، وخاصة أدوات أتمتة التصميم الإلكتروني ؛ ويتم دمج وحدات البرامج باستخدام بيئة تطوير متكاملة بالبرمجيات .

غالبًا ما يتم تصميم مكونات SoCs أيضًا بلغات برمجة عالية المستوى مثل C++ أو MATLAB أو SystemC وتحويلها إلى تصميمات RTL من خلال أدوات التوليف عالية المستوى (HLS) مثل C إلى HDL أو التدفق إلى HDL . ^[14] تسمح منتجات HLS المسماة "التوليف الخوارزمي" للمصممين باستخدام C++ لنمذجة وتوليف مستويات النظام والدائرة والبرمجيات والتحقق كلها في لغة واحدة عالية المستوى معروفة لدى مهندسي الكمبيوتر بطريقة مستقلة عن المقاييس الزمنية، والتي يتم تحديدها عادةً في HDL. ^[15] يمكن أن تظل المكونات الأخرى برمجية ويتم تجميعها وتضمينها في معالجات أساسية ناعمة متضمنة في SoC كوحدات نمطية في HDL كنوى IP .

بمجرد تحديد بنية SoC، تتم كتابة أي عناصر أجهزة جديدة بلغة وصف أجهزة مجردة تسمى مستوى نقل السجل (RTL) والتي تحدد سلوك الدائرة، أو يتم توليفها في RTL من لغة عالية المستوى من خلال توليف عالي المستوى. يتم ربط هذه العناصر معًا في لغة وصف الأجهزة لإنشاء تصميم SoC الكامل. يسمى المنطق المحدد لتوصيل هذه المكونات والتحويل بين واجهات مختلفة محتملة يوفرها بائعون مختلفون بمنطق الغراء .

يتم التحقق من صحة الرقائق قبل إرسالها إلى مصنع أشباه الموصلات . تسمى هذه العملية بالتحقق الوظيفي وهي تمثل جزءًا كبيرًا من الوقت والطاقة المنفقة في دورة حياة تصميم الشريحة ، وغالبًا ما يُقال عنها 70٪. ^{[16] [17]} مع التعقيد المتزايد للرقائق، يتم استخدام لغات التحقق من الأجهزة مثل SystemVerilog و SystemC و e و OpenVera. يتم الإبلاغ عن الأخطاء الموجودة في مرحلة التحقق إلى المصمم.

تقليديًا، استخدم المهندسون تسريع المحاكاة أو المحاكاة أو النماذج الأولية على الأجهزة القابلة لإعادة البرمجة للتحقق من الأجهزة والبرامج وتصحيح أخطائها لتصميمات SoC قبل الانتهاء من التصميم، والمعروف باسم tape-out . تُفضل صفائف البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGAs) للنماذج الأولية لـ SoCs لأن نماذج FPGA الأولية قابلة لإعادة البرمجة وتسمح بالتصحيح وهي أكثر مرونة من الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASICs). ^{[18] [19]}

بفضل السعة العالية ووقت التجميع السريع، تعد تقنيات تسريع المحاكاة والمحاكاة تقنيات قوية توفر رؤية واسعة للأنظمة. ومع ذلك، تعمل كلتا التقنيتين ببطء، في حدود ميغاهيرتز، والتي قد تكون أبطأ بشكل ملحوظ - حتى 100 مرة أبطأ - من تردد تشغيل نظام SoC. كما أن صناديق التسريع والمحاكاة كبيرة جدًا ومكلفة حيث تتجاوز مليون دولار أمريكي. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

على النقيض من ذلك، تستخدم نماذج FPGA الأولية وحدات FPGA بشكل مباشر لتمكين المهندسين من التحقق من صحة واختبار التردد التشغيلي الكامل للنظام أو بالقرب منه باستخدام محفزات العالم الحقيقي. تُستخدم أدوات مثل Certus ^[20] لإدخال مجسات في FPGA RTL التي تجعل الإشارات متاحة للمراقبة. يُستخدم هذا لتصحيح أخطاء تفاعلات الأجهزة والبرامج الثابتة والبرامج عبر وحدات FPGA المتعددة ذات القدرات المماثلة لمحلل المنطق.

بالتوازي، يتم تجميع عناصر الأجهزة وتمريرها عبر عملية توليف منطقي ، يتم خلالها تطبيق قيود الأداء، مثل التردد التشغيلي وتأخيرات الإشارة المتوقعة. يؤدي هذا إلى توليد إخراج يُعرف باسم قائمة الشبكة التي تصف التصميم كدائرة مادية وترابطاتها. يتم دمج قوائم الشبكة هذه مع منطق الغراء الذي يربط المكونات لإنتاج الوصف التخطيطي لنظام SoC كدائرة يمكن طباعتها على شريحة. تُعرف هذه العملية باسم المكان والمسار وتسبق إخراج الشريط في حالة إنتاج أنظمة SoC كدوائر متكاملة خاصة بالتطبيق (ASIC).

يجب على أنظمة SoC تحسين استخدام الطاقة والمساحة على الشريحة والاتصالات وتحديد المواقع بين الوحدات المعيارية وعوامل أخرى. يعد التحسين بالضرورة هدفًا تصميميًا لأنظمة SoC. إذا لم يكن التحسين ضروريًا، فسيستخدم المهندسون بنية وحدة متعددة الشرائح دون مراعاة استخدام المساحة أو استهلاك الطاقة أو أداء النظام بنفس القدر.

فيما يلي أهداف تحسين شائعة لتصميمات SoC، مع توضيحات لكل منها. بشكل عام، قد يكون تحسين أي من هذه الكميات مشكلة تحسين تركيبية صعبة ، ويمكن أن يكون في الواقع صعبًا للغاية بسهولة. لذلك، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى خوارزميات تحسين متطورة وقد يكون من العملي استخدام خوارزميات التقريب أو الاستدلالات في بعض الحالات. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي معظم تصميمات SoC على متغيرات متعددة للتحسين في وقت واحد ، لذلك يتم البحث عن حلول فعالة وفقًا لباريتو في تصميم SoC. غالبًا ما تكون أهداف تحسين بعض هذه الكميات متعارضة بشكل مباشر، مما يزيد من التعقيد في تحسين تصميم SoCs ويقدم مقايضات في تصميم النظام.

للحصول على تغطية أوسع للمقايضات وتحليل المتطلبات ، راجع هندسة المتطلبات .

تم تحسين أنظمة SoC لتقليل الطاقة الكهربائية المستخدمة لأداء وظائف نظام SoC. يجب أن تستخدم معظم أنظمة SoC طاقة منخفضة. غالبًا ما تتطلب أنظمة SoC عمر بطارية طويل (مثل الهواتف الذكية )، ويمكن أن تقضي شهورًا أو سنوات بدون مصدر طاقة أثناء الحاجة إلى الحفاظ على وظيفة مستقلة، وغالبًا ما تكون محدودة في استخدام الطاقة بسبب عدد كبير من أنظمة SoC المضمنة التي يتم ربطها معًا في منطقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون تكاليف الطاقة مرتفعة وسيؤدي الحفاظ على الطاقة إلى تقليل التكلفة الإجمالية لامتلاك نظام SoC. أخيرًا، يمكن للحرارة المهدرة من استهلاك الطاقة العالي أن تلحق الضرر بمكونات الدائرة الأخرى إذا تم تبديد الكثير من الحرارة، مما يعطي سببًا عمليًا آخر للحفاظ على الطاقة. كمية الطاقة المستخدمة في الدائرة هي تكامل الطاقة المستهلكة فيما يتعلق بالوقت، ومتوسط ​​معدل استهلاك الطاقة هو حاصل ضرب التيار في الجهد . على نحو مكافئ، وفقًا لقانون أوم ، فإن الطاقة هي مربع التيار مضروبًا في المقاومة أو مربع الجهد مقسومًا على المقاومة :

$${\displaystyle P=IV={\frac {V^{2}}{R}}={I^{2}}{R}}$$غالبًا ما يتم تضمين أنظمة SoC في الأجهزة المحمولة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الملاحة GPS والساعات الرقمية (بما في ذلك الساعات الذكية ) وأجهزة الكمبيوتر المحمولة الصغيرة . يريد العملاء عمر بطارية طويل لأجهزة الحوسبة المحمولة ، وهو سبب آخر لضرورة تقليل استهلاك الطاقة في أنظمة SoC. غالبًا ما يتم تنفيذ تطبيقات الوسائط المتعددة على هذه الأجهزة، بما في ذلك ألعاب الفيديو وبث الفيديو ومعالجة الصور ؛ والتي نمت جميعها في التعقيد الحسابي في السنوات الأخيرة مع مطالب المستخدمين وتوقعاتهم للوسائط المتعددة ذات الجودة الأعلى . أصبحت الحوسبة أكثر تطلبًا مع تحرك التوقعات نحو الفيديو ثلاثي الأبعاد بدقة عالية مع معايير متعددة ، لذلك يجب أن تكون أنظمة SoC التي تؤدي مهام الوسائط المتعددة منصة قادرة على الحوسبة مع انخفاض استهلاك الطاقة لتشغيلها باستخدام بطارية محمولة قياسية. ^{[12] : 3}

تم تحسين أنظمة SoC لتحقيق أقصى قدر من كفاءة الطاقة في الأداء لكل واط: قم بتعظيم أداء نظام SoC مع مراعاة ميزانية استخدام الطاقة. تتطلب العديد من التطبيقات مثل الحوسبة الحافة والمعالجة الموزعة والذكاء المحيط مستوى معينًا من الأداء الحسابي ، ولكن الطاقة محدودة في معظم بيئات أنظمة SoC.

تم تحسين تصميمات SoC لتقليل ناتج الحرارة المهدرة على الشريحة. كما هو الحال مع الدوائر المتكاملة الأخرى ، فإن الحرارة الناتجة عن كثافة الطاقة العالية هي عنق الزجاجة لمزيد من تصغير المكونات. ^{[21] : 1} أصبحت كثافات الطاقة للدوائر المتكاملة عالية السرعة، وخاصة المعالجات الدقيقة بما في ذلك SoCs، غير متساوية للغاية. يمكن أن يؤدي الكثير من الحرارة المهدرة إلى إتلاف الدوائر وتآكل موثوقية الدائرة بمرور الوقت. تؤثر درجات الحرارة المرتفعة والإجهاد الحراري سلبًا على الموثوقية، وهجرة الإجهاد ، وانخفاض متوسط ​​الوقت بين الأعطال ، والهجرة الكهربية ، وترابط الأسلاك ، وعدم الاستقرار ، وتدهور أداء SoC بمرور الوقت. ^{[21] : 2-9}

على وجه الخصوص، توجد أغلب أنظمة SoC في مساحة أو حجم مادي صغير وبالتالي فإن تأثيرات الحرارة المهدرة تتضاعف لأن هناك مساحة صغيرة لانتشارها خارج النظام. وبسبب عدد الترانزستورات الكبير في الأجهزة الحديثة، غالبًا ما يكون من الممكن تحقيق مخطط للإنتاجية الكافية وكثافة الترانزستور العالية من عمليات التصنيع ولكن من شأنه أن يؤدي إلى كميات عالية غير مقبولة من الحرارة في حجم الدائرة. ^{[21] : 1}

تجبر هذه التأثيرات الحرارية مصممي نظام على رقاقة ومصممي الرقائق الآخرين على تطبيق هوامش تصميم متحفظة ، مما يخلق أجهزة أقل أداءً للتخفيف من خطر الفشل الكارثي . ونظرًا لزيادة كثافة الترانزستورات مع صغر مقاييس الطول، فإن كل جيل من العمليات ينتج ناتجًا حراريًا أكثر من الجيل السابق. ومما يزيد من تعقيد هذه المشكلة أن بنيات نظام على رقاقة غير متجانسة عادةً، مما يخلق تدفقات حرارية غير متجانسة مكانيًا ، والتي لا يمكن التخفيف منها بشكل فعال عن طريق التبريد السلبي المنتظم . ^{[21] : 1}

هذا القسم يحتاج إلى التوسعة ، يمكنك المساعدة بإضافة المزيد إليه. ( أكتوبر 2018 )

تم تحسين أنظمة SoC لتحقيق أقصى قدر من الإنتاجية الحسابية والاتصالات .

هذا القسم يحتاج إلى التوسعة ، يمكنك المساعدة بإضافة المزيد إليه. ( أكتوبر 2018 )

يتم تحسين أنظمة SoC لتقليل زمن الوصول لبعض أو كل وظائفها. ويمكن تحقيق ذلك من خلال وضع العناصر بالقرب من بعضها البعض وموقعها المناسب لتقليل تأخيرات الترابط وتعظيم السرعة التي يتم بها توصيل البيانات بين الوحدات والوحدات الوظيفية والذاكرة. بشكل عام، يعد التحسين لتقليل زمن الوصول مشكلة NP-complete تعادل مشكلة الإرضاء المنطقية .

بالنسبة للمهام التي يتم تشغيلها على نوى المعالج، يمكن تحسين زمن الوصول والإنتاجية من خلال جدولة المهام . ومع ذلك، يتم تشغيل بعض المهام في وحدات أجهزة خاصة بالتطبيق، وحتى جدولة المهام قد لا تكون كافية لتحسين جميع المهام المستندة إلى البرامج لتلبية قيود التوقيت والإنتاجية.

هذا القسم يحتاج إلى التوسعة ، يمكنك المساعدة بإضافة المزيد إليه. ( أكتوبر 2018 )

يتم تصميم الأنظمة على الشريحة 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 على أهداف التحسين المذكورة أعلاه.

يعد جدولة المهام نشاطًا مهمًا في أي نظام كمبيوتر به عمليات أو خيوط متعددة تشترك في نواة معالج واحدة. من المهم تقليل § زمن الوصول وزيادة § الإنتاجية للبرامج المضمنة التي تعمل على نوى المعالج في نظام على رقاقة. لا يتم تنفيذ كل نشاط حوسبة مهم في نظام على رقاقة في برامج تعمل على معالجات على الشريحة، ولكن الجدولة يمكن أن تحسن بشكل كبير من أداء المهام القائمة على البرامج والمهام الأخرى التي تنطوي على موارد مشتركة .

غالبًا ما تقوم البرامج التي تعمل على أنظمة SoC بجدولة المهام وفقًا لجدولة الشبكة وخوارزميات الجدولة العشوائية .

غالبًا ما يتم تنفيذ مهام الأجهزة والبرامج في تصميم المعالج . يعد التخطيط المتسلسل مبدأً مهمًا لتسريع بنية الكمبيوتر . تُستخدم هذه المبادئ بشكل متكرر في وحدات معالجة الرسوميات ( خط أنابيب الرسومات ) ومعالجات RISC (تطورات خط أنابيب RISC الكلاسيكي )، ولكنها تُطبق أيضًا على المهام الخاصة بالتطبيق مثل معالجة الإشارات الرقمية والتلاعب بالوسائط المتعددة في سياق أنظمة SoC. ^[12]

غالبًا ما يتم تحليل أنظمة SoC من خلال النماذج الاحتمالية وشبكات الانتظار وسلاسل ماركوف . على سبيل المثال، يسمح قانون ليتل بنمذجة حالات أنظمة SoC ومخازن NoC كعمليات وصول وتحليلها من خلال متغيرات بواسون العشوائية وعمليات بواسون .

غالبًا ما يتم تصميم أنظمة SoC باستخدام سلاسل ماركوف ، سواء كانت متغيرات زمنية منفصلة أو مستمرة . تسمح نمذجة سلسلة ماركوف بالتحليل المقارب لتوزيع الحالة الثابتة للطاقة والحرارة والزمن الكامن وعوامل أخرى في أنظمة SoC للسماح بتحسين قرارات التصميم للحالة الشائعة.

يحتاج هذا القسم إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة في هذا القسم. قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ( مارس 2017 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

يتم تصنيع شرائح SoC عادةً باستخدام تقنية أشباه الموصلات المعدنية والأكسيدية (MOS). ^[22] تُستخدم قوائم الشبكة الموضحة أعلاه كأساس لتدفق التصميم المادي ( المكان والمسار ) لتحويل نية المصممين إلى تصميم SoC. طوال عملية التحويل هذه، يتم تحليل التصميم باستخدام نمذجة التوقيت الثابت والمحاكاة وأدوات أخرى لضمان أنه يلبي المعلمات التشغيلية المحددة مثل التردد واستهلاك الطاقة وتبديدها والسلامة الوظيفية (كما هو موضح في رمز مستوى نقل السجل) والسلامة الكهربائية.

عندما يتم تصحيح جميع الأخطاء المعروفة وإعادة التحقق منها وإجراء جميع فحوصات التصميم المادي، يتم إرسال ملفات التصميم المادي التي تصف كل طبقة من الشريحة إلى ورشة أقنعة المسبك حيث يتم نقش مجموعة كاملة من أقنعة الطباعة الحجرية الزجاجية. يتم إرسالها إلى مصنع تصنيع الرقائق لإنشاء مكعب SoC قبل التعبئة والاختبار.

يمكن تصنيع أنظمة SoC باستخدام العديد من التقنيات، بما في ذلك:

• ASIC مخصصة بالكامل
• ASIC خلية قياسية
• مصفوفة البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA)

تستهلك ASICs طاقة أقل وهي أسرع من FPGAs ولكن لا يمكن إعادة برمجتها وهي مكلفة في التصنيع. تعتبر تصميمات FPGA أكثر ملاءمة للتصميمات ذات الحجم الأقل، ولكن بعد إنتاج وحدات كافية، تقلل ASICs من التكلفة الإجمالية للملكية. ^[23]

تستهلك تصميمات SoC طاقة أقل وتتمتع بتكلفة أقل وموثوقية أعلى من أنظمة الشرائح المتعددة التي تحل محلها. ومع وجود عدد أقل من الحزم في النظام، يتم تقليل تكاليف التجميع أيضًا.

ومع ذلك، كما هو الحال مع معظم تصميمات التكامل واسع النطاق للغاية (VLSI)، فإن التكلفة الإجمالية ^{[ بحاجة لتوضيح ]} أعلى لشريحة واحدة كبيرة مقارنة بنفس الوظيفة الموزعة على عدة شرائح أصغر، بسبب العائدات المنخفضة ^{[ بحاجة لتوضيح ] وتكاليف} الهندسة غير المتكررة الأعلى .

عندما لا يكون من الممكن إنشاء نظام على رقاقة لتطبيق معين، فإن البديل هو نظام في حزمة (SiP) يتألف من عدد من الرقائق في حزمة واحدة . عند إنتاجه بكميات كبيرة، يكون نظام على رقاقة أكثر فعالية من حيث التكلفة من نظام على رقاقة لأن تغليفه أبسط. ^[24] سبب آخر قد يجعل نظام على رقاقة مفضلًا هو أن الحرارة المهدرة قد تكون عالية جدًا في نظام على رقاقة لغرض معين لأن المكونات الوظيفية قريبة جدًا من بعضها البعض، وفي نظام على رقاقة ستتبدد الحرارة بشكل أفضل من الوحدات الوظيفية المختلفة لأنها أبعد ماديًا.

بعض الأمثلة على الأنظمة الموجودة على الشريحة هي:

• سلسلة ابل A
• معالج الخلية
• هندسة عيد الغطاس لأدابتيفا
• زيلينكس زينك الترا سكيل
• كوالكوم سناب دراجون

هذا القسم يحتاج إلى التوسعة ، يمكنك المساعدة بإضافة المزيد إليه. ( أكتوبر 2018 )

غالبًا ما يقارن البحث والتطوير في مجال SoC بين العديد من الخيارات. يتم تطوير معايير مثل COSMIC، ^[25] للمساعدة في مثل هذه التقييمات.

• تشيبلت
• قائمة موردي النظام على الشريحة
• التحقق بعد السيليكون
• عائلة معمارية ARM
• ريسك-V
• حاسوب أحادي اللوحة
• النظام في حزمة
• شبكة على شريحة
• مركز خدمات البترول في السرو
• معالج مجموعة التعليمات الخاصة بالتطبيق (ASIP)
• التصميم القائم على المنصة
• مختبر على رقاقة
• الأعضاء على رقاقة في التكنولوجيا الطبية الحيوية
• وحدة متعددة الشرائح
• الحوسبة المتوازية
• ARM big.LITTLE الهندسة المعمارية المشتركة
• تسريع الأجهزة

• بدوي، وائل؛ جوليان، جراهام أ.، محرران (2003). نظام على شريحة لتطبيقات الوقت الحقيقي. سلسلة كلوير الدولية في الهندسة وعلوم الكمبيوتر، SECS 711. بوسطن: دار نشر كلوير الأكاديمية . رقم ISBN 978-1-4020-7254-3. OCLC  50478525.465 صفحة.
• فوربر، ستيفن ب. (2000). بنية نظام ARM على الشريحة . بوسطن: أديسون ويسلي. ISBN 0-201-67519-6.
• كوندو، سانتانو؛ تشاتوبادياي، سانتانو (2014). الشبكة على الشريحة: الجيل التالي من تكامل النظام على الشريحة (الطبعة الأولى). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 978-1-4665-6527-2. OCLC  895661009.

• مؤتمر IEEE الدولي السنوي لـ SoC
• أداة Baya المجانية لتجميع منصة SoC ودمج IP
• أنظمة على شريحة للتطبيقات المضمنة، ندوة جامعة أوبورن في VLSI
• SoC الفوري SoC لـ FPGAs المحددة بواسطة C++
• MPSoC – المؤتمر السنوي حول MPSoC
• الندوة السنوية