Системы на кристалле: от наручных часов до больших боевых роботов

в 23:58, , рубрики: intel, MPSoC, NoC, RoC, SoC, System on a chip, System on chip, Блог компании Intel, Железо, Процессоры, Система на кристалле, метки: , , , , , , ,

С самого начала

Давным давно, ещё в 1958 году, некто Джон Маккарти написал язык обработки списков под названием LISP. Написал он его потому, что увлекался созданием искусственного интеллекта, и ему нужен был подходящий язык.

С тех пор прогресс, конечно, есть, а вот искусственного интеллекта по-прежнему нет. Я вообще не понимаю, как можно спроектировать и создать такую сложную систему, как мозг и моё самомнение успокаивает только то, что не я один такой: пока никто не придумал, как сделать этот величайший куайн в истории человечества. Но ведь наверняка сделают.

При создании исккуственного интеллекта одним лиспом не обойдёшься: нужно его на чём-то запускать и железо тоже не стоит на месте. Причём, именно тут, на мой взгляд, прогресс куда более заметен. Оно всегда так, когда пытаешься сравнить прогресс в практической и теоретической части.

С железом люди придумали умную штуку под названием система на кристалле (System On a Chip, SoC). Казалось бы, процессор себе и процессор, ну на кристалле и на кристалле, а ведь по принципу работы — это почти мозг. Он (мозг) — это биологическая система на кристалле: в нашем мозге находится и центральный процессор, и графический процессор, и модуль управления памятью, и сама память как кратковременная, так и долгосрочная, и система ввода-вывода.

Как всем нам известно, прорыв в схемотехнике случился благодаря транзистору, но новый этап наступил в 1978 году, когда Intel выпустила в свет процессор 8086, прародителя нашего счастливого настоящего (изначально, кстати, считалось, что он способен на управление светофором, но никак не компьютером). Но гораздо интереснее, что за два года до этого в Intel создали первую систему на кристалле. Это были «всего лишь» электронные часы Microma LCD watch (ссылка с фотографиями). И внутри у них была система на кристалле под названием Intel 5810 CMOS chip.
Системы на кристалле: от наручных часов до больших боевых роботов

Прогресс на часах не остановился, техпроцессы всё улучшались и улучшались, а транзисторы становились меньше и меньше. На место больших вакуумных ламп пришли транзисторы, изготовленные по 1.5-1 микрометровой технологии (если положить в ряд штук 800, то они как раз займут миллиметр на линейке). По этой технологи в Intel в 1985 году сделали процессор третьего поколения 80386 (кстати, а вы знали, что 80386 выпускала не только Intel, но и AMD? :)). Примечательна также и модель 386SL 1990 года, объединяющая на одном кристалле процессор, контроллер шины, контроллер оперативной и внешней кеш-памяти. А в 1995 появился 386EX, в кристалл которого поместили ещё контроллер прерываний, таймеры, счётчики и логику тестирования JTAG, которая используется и по сей день для прошивки и контроля качества микросхем. Несмотря на свои незначительные, по сегодняшним меркам, 25Мгц, процессор 386EX встраивали в спутники. Такая вот система на кристалле на орбите получилась.
Системы на кристалле: от наручных часов до больших боевых роботов

В 2007 году Intel анонсировала своё следущее SoC решение Intel EP80579 с кодовым названием Tolapai. На одном кристалле объединили процессор с частотой от 600 Мгц до 1200 Мгц, контроллер памяти и I/O контроллеры, а в качестве killer feature в некоторых вариациях на чипе был расположен QuickAssist для аппаратного шифрования, и его использовали, например, в vpn-решениях. На сайте Intel есть отличная презентация, которая мне очень понравилась (ну, насколько вообще нормальному человеку может понравиться презентация).
Системы на кристалле: от наручных часов до больших боевых роботов

Самая современная система на кристалле от Intel выполнена по 32нм технологии и называется Atom Z2460 с кодовым именем Medfield. Уже сегодня на Medfield есть прототип смартфона про который недавно был написан хороший пост и совсем скоро он должен поступить в продажу.
Системы на кристалле: от наручных часов до больших боевых роботов

Современность

Системы на кристалле — это совсем непросто, да и видов их уже больше одного. Например, бывают мультипроцессорные системы на кристалле. Есть частный случай SoC под названием сеть на кристалле — с текущим техпроцессом уже совсем не обязательно делать сетевую PCI-карту, достаточно небольшого чипа на материнской плате. И радио на кристалле, которое объединяет на одном чипе и приёмник, и передатчик и занимает совсем немного места, по сравнению с предыдущими решениями.

С точки зрения пользователя, ничего особенного в SoC нет. Подумаешь, раньше была большая плата с кучей разноцветных штук, а теперь этих разноцветных штук мало. Велика разница. Но выгода налицо: из-за того, что все распологается внутри одного кристалла значительно уменьшается энергопотребление (это особенно важно для мобильных и автономных решений) и тепловыделение, а значит, можно обойтись либо пассивным охлаждением, либо слабеньким куллером. Ну и цена будет со временем всё ниже и ниже, что тоже всегда приятно.

У производителя всё обстоит не так просто. Чем сложнее устроено нечто, тем сложнее это нечто делать. Если это нечто ещё и маленькое, то делать это совсем непросто. SoC объединяет в себе много совершенно разных вещей, которые традиционно принято разносить по всей материнской плате, и поэтому нужен оригинальный подход к проектированию, позволяющий располагать большое колличество разнотипных компонентов в маленьком корпусе, причем, так, чтобы при работе они не мешали друг другу.

К сложностям проектирования добавляется и увеличивающийся процент брака, неизбежно возникающий при переходе на более высокий уровень техпроцесса. Впрочем, компания Intel уже строит завод Fab42, который будет изготавливать процессоры не по «допотопному» 32нм техроцессу, а по 14нм! Тогда в SoC можно будет разместить ещё больше транзисторов и тем самым увеличить их производительность. Что тогда произойдёт с обычными микропроцессорами, подумать страшно. Берегись, закон Мура!

Конечно же, Intel не единственный производитель систем на кристалле: их достаточно большое колличество, и среди них такие известные бренды как Atheros, ARM Holdings, Broadcom, Marvell Technology Group, Nokia, NVIDIA, Qualcomm, Sharp и другие.

Ближайшее будущее

Системы на кристалле заменят современные микропроцессоры так же, как микропроцессоры заменили вакуумные лампы — это просто вопрос времени. А там, глядишь, и Терминатора соберут.

Уже сейчас SoC можно встретить везде, например, в наручных часах. Хотя, кто сейчас носит наручные часы? Посмотрите, лучше, на свой смартфон. Если он работает на Android, Meego или iOS, там внутри система на кристалле. Посмотрите на свой роутер или adsl-модем — и там внутри SoC. Плеер? И в нём тоже. Да любой микроконтроллер (и даже всеми нами любимая ардуинка) — это система на кристалле.

SoC уже везде. Пока они занимают нишу устройств, не требующих высокой производительности, но это всего лишь вопрос времени. С нетерпением жду того дня, когда мне больше не нужно будет носить с собой тяжеленный ноутбук (нет, я не хочу компьютер в облаке), а будет хватать телефона, клавиатуру к которому я буду подключать по блутузу, а монитор через WiDi, и производительности этого телефона мне будет хватать для всего.

Автор: hshhhhh


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js