Trung tâm đào tạo thiết kế vi mạch Semicon

Login

Username: Password:

Forgot your password? Forgot your username?
ĐĂNG KÝ TÀI KHOẢN ĐỂ TRUY CẬP NHIỀU TÀI LIỆU HƠN!

Create an account

Skip to content

Tìm hiểu cơ bản về SoC

Sunday, 21 July 2019 19:11 Semicon Editor 01

Tìm hiểu cơ bản về SoC

1. SoC là gì?

SoC là chữ viết tắt cho System on a chip, hay System on Chip. Theo nghĩa đen, nó là "cả hệ thống trên một con chip". SoC là một mạch tích hợp (mà người ta thường gọi là IC), trong đó tất cả những thành phần quan trọng của một chiếc máy tính hay một thiết bị điện tử đều được đặt trên một con chip duy nhất. Hầu hết những con chip di động mà bạn nghe nói tới như Qualcomm Snapdragon, NVIDIA Tegra, Samsung Exynos, Texas Instrument, Huawei K3V2,… đều là SoC, và tất nhiên, nó cũng chính là thứ được dùng trong smartphone, tablet của chúng ta. Thậm chí có một số máy tính xách tay cũng dùng SoC nữa.

Một con SoC của Qualcomm, nó chỉ nhỏ cỡ đồng xu mà thôi

Một SoC cơ bản thường có những thành phần sau:

- Một vi điều khiển, vi xử lí, hay nhân xử lí tín hiệu. Vài SoC thì có thể có nhiều hơn một nhân xử lí, khi đó người ta gọi nó là MPSoC, tức Multiprocessor System on Chip. Ở thế giới di động ngày nay, loại được sử dụng phổ biến là vi xử lí.

- Các khối bộ nhớ, có thể là RAM, ROM, EEPROM hay bộ nhớ flash

- Nguồn canh thời gian, chẳng hạn như mạch dao động

- Một số giao diện như USB, FireWire, Ethernet

- Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự và ngược lại

- Mạch quản lí năng lượng, mạch kiểm soát điện áp.

- Những SoC hiện đại còn có bộ xử lí đồ họa, chip cầu bắc, chip cầu nam, bộ kiểm soát bộ nhớ,...

*Ghi chú thêm: vi xử lí (microprocessor) là IC chỉ có CPU, còn vi điều khiển (microcontroller) là có CPU, RAM và nhiều linh kiện khác được tích hợp lên một đế duy nhất.

Những thành phần kể trên sẽ được kết nối với nhau thông qua một "bus" chung (ví dụ như bus AMBA do ARM phát triển) hoặc bus do một hãng nào đó tự làm. Một số SoC có khả năng kết nối trực tiếp các giao diện với bộ nhớ mà không cần thông qua nhân xử lí nên tăng khả năng nhận dữ liệu.

SoC có một số lợi ích đó là giảm giá thành sản xuất, tăng hiệu năng của thiết bị sử dụng SoC, giảm lượng điện năng tiêu thụ. Ngoài ra, việc áp dụng SoC còn giúp giảm không gian cần thiết để tích hợp các linh kiện điện tử, do đó chúng ta có được những thiết bị nhỏ gọn hơn, hoặc một thiết bị với pin lớn hơn.

Cấu tạo cơ bản của SoC Qualcomm Snapdragon S4. Khối modem bao gồm những thứ về kết nối không dây, ví dụ bộ thu nhận GPS, chip xử lí tín hiệu số, bộ thu phát sóng di động 3G/4G LTE. Khối nhân xử lí thì có hai nhân CPU Krait, bộ nhớ đệm L1/L2. Khồi đa phương tiện thì có GPU, chip tăng tốc video, âm thanh. Ngoài ra chúng ta còn có những hệ thống cốt lõi, RAM (hay bộ nhớ), bộ phận quản lí năng lượng cho thiết bị

2. Vi xử lí bên trong SoC

Như vậy chúng ta đã biết được SoC là một cái lớn, bên trong nó sẽ có nhiều thành phần nhỏ cần thiết để hệ thống hoạt động, và một trong những thành phần quan trọng nhất đó chính là vi xử lí (microprocessor). Vi xử lí, đôi khi còn được gọi với cái tên bộ vi xử lí, là một linh kiện điện tử được chế tạo từ các transitor siêu nhỏ bên trên một vi mạch tích hợp (cũng là IC). Nó có các tính năng như lập trình được, chấp nhận và xử lí dữ liệu, thực thi các lệnh chỉ dẫn mà hệ thống đưa ra, truy cập vào bộ nhớ để lấy hoặc lưu dữ liệu, tính toán,.… Nói cách khác, nó giống như chức năng của bộ xử lí trung tâm (CPU) dùng trên máy tính. Một vi xử lí có thể có nhiều nhân xử lí. Như hình trên thì bạn thấy SoC Snapdragon này có 2 nhân CPU Krait. Snapdragon S4 Pro thì có 4 nhân Krait.

3. Kiến trúc ARM với nhân xử lí

ARM là một công ty có trụ sở tại Anh. Hãng này chuyên nghiên cứu kiến trúc lõi cũng như thiết kế nên các vi xử lí rồi sau đó cấp quyền sử dụng cho các hãng sản xuất khác. Kiến trúc tập lệnh (instruction set architecture) của ARM đang được sử dụng phổ biến hiện tại là ARMv7. Nó có mặt trên hầu hết các SoC dùng trong smartphone, tablet ngày nay. ARM cũng có phát triển ARMv8 với đặc trưng là hỗ trợ điện toán 64-bit, tuy nhiên nó vẫn chưa được nhiều công ty sử dụng vào các sản phẩm thực tế. ARM có hai hình thức cung cấp bản quyền xử lí kiến trúc chứ bản thân họ không tự sản xuất ra các con chip.

Ở hình thức thứ nhất, các hãng như NVIDIA, Samsung, Texas Instrument,… sẽ mua các nhân xử lí do ARM thiết kế sẵn, ví dụ phổ biến là Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A15. Các vi xử lí này sau đó sẽ được kết hợp với nhiều thành phần khác rồi đặt vào bên trong SoC. Hình thức này được sử dụng phổ biến nhất vì nó đơn giản, tiết kiệm chi phí cho các hãng sản xuất phần cứng, trong khi vẫn đảm bảo mang lại hiệu suất như mong muốn.

Một số hãng khác thì không dùng thứ do ARM làm, họ chỉ lấy kiến trúc của ARM về rồi tự thiết kế nên vi xử lí của riêng mình, sau đó mới tích hợp vào SoC. Thông thường, việc các công ty tự thiết kế vi xử lí sẽ mang lại hiệu năng cao hơn các sản phẩm cùng cấp do nó được tối ưu hóa riêng cho SoC, rộng hơn nữa là tối ưu hóa cho cả thiết bị, mà công ty đó muốn sản xuất. Đổi lại, các công ty sẽ phải chi ra rất nhiều tiền bạc, sử dụng nhiều nhân lực nếu muốn tự mình thiết kế vi xử. Qualcomm với nhân Krait, Apple với nhân tùy biến trong A6 là hai cái tên được biết đến rộng rãi trong việc sử dụng hình thức cấp bản quyền thứ hai của ARM. Ngoài ra chúng ta còn có Marvell với nhân XScale, NVIDIA thì có dự án Denver.

SoC bốn nhân dành cho thiết bị di động

Đến đây thì chắc các bạn cũng hiểu SoC bốn nhân là gì rồi phải không nào? Nó là một SoC với bốn nhân xử lí, hay ở Việt Nam người ta gọi là SoC lõi tứ. Thực chất phải nói chính xác là "SoC có vi xử lí bốn nhân (lõi tứ)", hay "SoC có CPU bốn nhân (lõi tứ)", nhưng như vậy thì dài quá nên người ta chuyển sang nói "SoC" + số lõi. Một số người thì chỉ gọi là SoC là vi xử lí lõi tứ, điều này không hoàn toàn chính xác vì chỉ đề cập đến mỗi tính năng xử lí của SoC, nhưng thôi cũng tạm chấp nhận. Đó cũng sẽ là cụm từ mà bạn thường được nghe khi đọc các bài giới thiệu hoặc khi đi mua smartphone, tablet.

Sự thay đổi mang tính cách mạng

SoC lõi tứ dùng cho thiết bị di động bắt đầu có mặt trên thị trường từ những tháng đầu năm 2012, mặc dù nó đã được giới thiệu trong những tháng cuối năm 2011. Qualcomm và NVIDIA là hai cái tên lớn rất nhanh chóng trong việc công bố sản phẩm SoC bốn nhân của mình. Nó đánh dấu một bước tiến nhanh và mang tính cách mạng của công nghệ bán dẫn kích thước nhỏ vì chỉ trong vòng một năm, các công ty đã tìm được cách tối ưu hóa và đặt thêm nhân vào SoC. Trong khi chỉ mới năm 2011, SoC hai nhân mới là cái tên được chú ý trên smartphone, tablet. Trước khi SoC được công bố, người ta khó có thể ngờ rằng một thiết bị nhỏ xíu như điện thoại, máy tính bảng lại có ngày có được số nhân xử lí tương đương với một chiếc máy tính hiện đại.

Những điều làm nên sức mạnh cho SoC bốn nhân

Với SoC bốn nhân, sức mạnh của nó bao gồm rất nhiều thành phần. Nếu xét về hiệu năng xử lí, nhân CPU và GPU sẽ đóng vai trò quan trọng, trong đó CPU đảm đương những công việc thiên về tính toán, còn GPU thì thiên về đồ họa (mặc dù bây giờ GPU cũng được tăng cường khả năng điện toán của mình). Nhân CPU càng mạnh thì SoC có thể xử lí được nhiều dữ liệu, chỉ dẫn hơn, ví dụ nhân Cortex-A9 sẽ tốt hơn Cortex-A8, Cortex-A15 thì vượt trội so với Cortex-A9... Còn GPU thì Adreno 320 sẽ hơn Adreno 310, tương tự như vậy cho các model khác. Để một hệ thống trở nên mạnh mẽ hơn, cả nhân CPU và GPU phải cùng phối hợp với nhau để mang lại trải nghiệm tốt nhất cho người dùng. Như đã nói ở trên, thường (chỉ là thông thường thôi nhé) thì những nhân tùy biến sẽ hoạt động mạnh mẽ hơn là nhân có sẵn. Qualcomm và Apple là hai cái tên được biết đến nhiều trong lĩnh vực tùy biến nhân CPU.

Nếu nói về khả năng tiết kiệm điện của SoC, chúng ta có một số yếu tố như quy trình sản xuất, công nghệ quản lí điện năng, mức độ tiêu thụ điện của nhân CPU và GPU và rất nhiều thứ khác. Một quy trình sản xuất càng nhỏ sẽ giúp tiết kiệm điện hơn, ví dụ SoC Snapdragon S4 Pro sản xuất trên quy trình 28nm thì sẽ tiết kiệm điện hơn so với Tegra 3 vốn làm trên dây chuyền 40nm. Còn công nghệ quản lí điện năng và năng lượng mà CPU, GPU tiêu thụ thì chúng ta khó biết chính xác vì những thông này khá nặng về mặt kĩ thuật. Chúng ta chỉ biết được thông qua lời giới thiệu của các bên có liên quan, ví dụ ARM nói Cortex-A9 tiết kiệm điện hơn A8, còn Qualcomm thì nói nhân Krait tiết kiệm điện hơn nhân Scorpion...