什么是片上系统 (SoC)?

什么是片上系统 (SoC)?

如今,关于Apple 的 M1和智能手机芯片的讨论如此之多,您可能会听说其中使用的“片上系统”(SoC) 设计。但是什么是 SoC,它们与 CPU 和微处理器有何不同?我们会解释。

片上系统:快速定义

片上系统是将计算机系统的许多元素组合到单个芯片中的集成电路。SoC 始终包括 CPU,但也可能包括系统内存、外围控制器(用于 USB、存储)和更高级的外围设备,例如图形处理单元 (GPU)、专用神经网络电路、无线电调制解调器(用于蓝牙或 Wi- Fi)等。

片上系统方法与具有 CPU 芯片和独立控制器芯片、GPU 和 RAM 的传统 PC 形成对比,这些 PC 可以根据需要进行更换、升级或互换。SoC 的使用使计算机更小、更快、更便宜且耗电更少。

电子集成简史

自 20 世纪初以来,电子产品的发展遵循了两条主要趋势的可预测路径:小型化和集成化。随着时间的推移,电容器电阻器晶体管等单个电子元件的微型化已经变得越来越小。随着1958 年集成电路(IC)的发明,集成已将多个电子元件组合到一块硅上,从而进一步小型化。

什么是片上系统 (SoC)?

随着电子产品的小型化发生在 20 世纪,计算机也变得越来越小。最早的数字计算机由大型分立元件组成,例如继电器或真空管。后来,他们使用分立晶体管,然后是集成电路组。1972 年,英特尔将计算机中央处理器 (CPU) 的元素组合成一个集成电路,第一个商用单片微处理器诞生了。有了微处理器,计算机可以比以往任何时候都更小,功耗更低。

进入片上微控制器和系统

1974 年,德州仪器 (TI) 发布了第一款微控制器,这是一种将 RAM 和 I/O 设备与 CPU 集成到单个芯片上的微处理器。CPU、RAM、内存控制器、串行控制器等不需要单独的IC,所有这些都可以放在单个芯片中,用于小型嵌入式应用程序,例如袖珍计算器和电子玩具。

什么是片上系统 (SoC)?

在 PC 时代的大部分时间里,使用带有独立控制器芯片、RAM 和图形硬件的微处理器造就了最灵活、功能最强大的个人计算机。微控制器通常太有限而无法胜任一般计算任务,因此使用带有分立支持芯片的微处理器的传统方法仍然存在。

最近,对智能手机和平板电脑的推动推动了比微处理器或微控制器更进一步的集成。结果是片上系统,它可以将现代计算机系统的许多元素(GPU、蜂窝调制解调器、AI 加速器、USB 控制器、网络接口)连同 CPU 和系统内存打包到一个包中。这是电子产品持续集成和小型化的又一步,这种集成和小型化可能会持续很长时间。

为什么要使用片上系统?

将计算机系统的更多元素放在一块硅上可以降低功率要求、降低成本、提高性能并减小物理尺寸。在尝试创建功能更强大、电池寿命更短的智能手机、平板电脑和笔记本电脑时,所有这些都非常有用。

什么是片上系统 (SoC)?

例如,Apple 以制造功能强大的紧凑计算设备而自豪。在过去的 14 年里,Apple 在其 iPhone 和 iPad 产品线中使用了 SoC。起初,他们使用其他公司设计的基于 ARM 的SoC。2010 年,苹果推出了A4 SoC,这是苹果设计的第一款 iPhone SoC。从那以后,苹果在其 A 系列芯片上的迭代取得了巨大成功。SoC 帮助 iPhone 使用更少的电量,同时仍然保持紧凑并始终变得更强大。其他智能手机制造商也使用 SoC。

直到最近,SoC 还很少出现在台式计算机中。2020 年,Apple 推出了M1,这是其首款用于台式机和笔记本 Mac 的 SoC。M1 在一块硅片上结合了 CPU、GPU、内存等。2021 年,Apple 通过M1 Pro 和 M1 Max在M1上进行了改进。所有这三种芯片都为 Mac 提供了令人印象深刻的性能,同时与大多数 PC 中的传统分立微处理器架构相比,它的功耗更低。

什么是片上系统 (SoC)?

覆盆子裨4,一种流行的业余爱好者计算机,还采用了芯片(一个上的系统的Broadcom BCM2711),用于它的核心功能,这使设备成本低(约$ 35),同时提供充足的动力。SoC 的未来是光明的,它延续了一个多世纪前开始的电子集成和小型化传统。

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