Was ist System-on-a-Chip (SoC)?

Bei so viel Gerede über Apples M1- und Smartphone-Chipsätze hört man vielleicht von den darin verwendeten "System on a Chip" (SoC)-Designs. Aber was sind SoCs und wie unterscheiden sie sich von CPUs und Mikroprozessoren? Wir werden es erklären.

System on a Chip: Schnelle Identifikation

Ein System-on-a-Chip ist ein integrierter Schaltkreis, der viele Elemente eines Computersystems in einem einzigen Chip vereint. SoC umfasst fast immer die Central Processing Unit (CPU), kann aber auch Systemspeicher, Peripheriecontroller (für USB, Speicher) und fortschrittlichere Peripheriegeräte wie Grafikprozessoren (GPUs), spezielle neuronale Netzwerkschaltungen, Funkmodems (für Bluetooth oder Wi-Fi) und mehr umfassen.

Ein auf einem Chip-Ansatz basierendes System steht im Gegensatz zu einem herkömmlichen Computer mit einem CPU-Chip, separaten Konsolenchips, GPU und RAM, die nach Bedarf ersetzt, aufgerüstet oder ausgetauscht werden können. Durch die Verwendung von SoCs werden Computer kleiner, schneller, billiger und weniger energieintensiv.

Eine kurze Geschichte der Elektronikintegration

Seit dem frühen 1958. Jahrhundert folgt die Entwicklung der Elektronik einem vorhersehbaren Weg in Bezug auf zwei Hauptrichtungen: Miniaturisierung und Integration. Durch die Miniaturisierung wurden einzelne elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Widerstände und Transistoren im Laufe der Zeit kleiner. Mit der Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC) im Jahr XNUMX kombinierte die Integration mehrere elektronische Komponenten in einem einzigen Stück Silizium, was eine weitere Miniaturisierung ermöglichte.

 

Mit dieser Miniaturisierung der Elektronik im 1972. Jahrhundert wurden auch Computer kleiner. Die ersten digitalen Computer bestanden aus großen diskreten Komponenten wie Relais oder Vakuumröhren. Später verwendeten sie separate Transistoren und dann Gruppen integrierter Schaltungen. XNUMX kombinierte Intel die Elemente einer Computer-Zentraleinheit (CPU) in einer einzigen integrierten Schaltung, und der erste kommerzielle Ein-Chip-Mikroprozessor war geboren. Mit einem Mikroprozessor könnten Computer kleiner sein und weniger Strom verbrauchen als je zuvor.

Fügen Sie den Mikrocontroller und das System auf einem Chip ein

Im Jahr 1974 brachte Texas Instruments den ersten Mikrocontroller auf den Markt, eine Art Mikroprozessor mit Arbeitsspeicher und Eingabe-/Ausgabegeräten kombiniert mit der CPU auf einem einzigen Chip. Anstatt separate integrierte Schaltkreise für CPU, RAM, Speichercontroller, seriellen Controller usw. zu benötigen, kann für kleine eingebettete Anwendungen wie Taschenrechner und elektronische Spiele alles auf einem einzigen Chip untergebracht werden.

Während des größten Teils der PC-Ära führte die Verwendung eines Mikroprozessors mit diskreten Steuerchips, RAM und Grafikhardware zu den flexibelsten und leistungsstärksten Personalcomputern. Mikrocontroller waren im Allgemeinen zu begrenzt, um für allgemeine Rechenaufgaben gut zu sein, daher hat die traditionelle Methode der Verwendung von Mikroprozessoren mit separaten unterstützenden Chips überlebt.

In letzter Zeit hat der Trend zu Smartphones und Tablets die Integration über Mikroprozessoren oder Mikrocontroller hinaus vorangetrieben. Das Ergebnis ist ein System on a Chip, das viele Elemente eines modernen Computersystems (Grafikprozessor, Zellenmodem, KI-Beschleuniger, USB-Controller, Netzwerkschnittstelle) zusammen mit CPU und Systemspeicher in einem Paket vereinen kann. Es ist ein weiterer Schritt in der kontinuierlichen Integration und Miniaturisierung der Elektronik, der wahrscheinlich noch lange andauern wird.

Warum sollte ein System auf einem Chip verwendet werden?

Die Unterbringung mehrerer Computersystemelemente auf einem einzigen Stück Silizium reduziert den Strombedarf, senkt die Kosten, erhöht die Leistung und verringert die physische Größe. Das alles hilft enorm, wenn man versucht, immer leistungsfähigere Smartphones, Tablets und Laptops zu entwickeln, die weniger Akkulaufzeit verbrauchen.

Apple ist beispielsweise stolz darauf, kompakte und leistungsfähige Computergeräte herzustellen. In den letzten 14 Jahren verwendet Apple SoCs in seinen iPhone- und iPad-Linien. Anfangs verwendeten sie ARM-basierte SoCs, die von anderen Unternehmen entwickelt wurden. Im Jahr 2010 stellte Apple erstmals den A4-SoC vor, den ersten von Apple entwickelten iPhone-SoC. Seitdem hat Apple die A-Serie von Chips mit großem Erfolg nachgebildet. SoCs helfen iPhones, weniger Strom zu verbrauchen, während sie sie klein halten und die ganze Zeit maximieren. Auch andere Smartphone-Hersteller verwenden SoCs.

Bis vor Kurzem kamen SoCs nur selten in Desktop-Computern vor. Im Jahr 2020 stellte Apple mit dem M1 seinen ersten SoC für Desktop- und mobile Macs vor. Der M1 vereint CPU, GPU, Speicher und mehr in einem einzigen Stück Silizium. Im Jahr 2021 hat Apple das M1 mit dem M1 Pro und M1 Max verbessert. Alle drei dieser Chips verleihen Macs eine unglaubliche Leistung und verbrauchen gleichzeitig Strom im Vergleich zur herkömmlichen Mikroprozessorarchitektur, die in den meisten Computern zu finden ist.

Der Raspberry Pi 4, ein beliebter Bastlercomputer, verwendet für seine Grundfunktionen ebenfalls ein System-on-Chip (Broadcom BCM2711), wodurch die Gerätekosten niedrig gehalten werden (ca. 35 US-Dollar) und gleichzeitig viel Strom gespart wird. Die Zukunft sieht rosig aus für SoCs, die die Tradition der Elektronikintegration und Miniaturisierung fortsetzen, die vor über einem Jahrhundert begann. Spaßige Zeiten stehen bevor!