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

Nov 23, 2021

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Wenn man heutzutage so viel über Apples M1- und Smartphone-Chips spricht, hört man vielleicht vom “System auf einem Chip” (SoC)-Designs, die in ihnen verwendet werden. Aber was sind SoCs und wie unterscheiden sie sich von CPUs und Mikroprozessoren? Wir erklären es dir.

System auf einem Chip: Die schnelle Definition

Ein System-on-a-Chip ist eine integrierte Schaltung, die viele Elemente eines Computersystems in einem einzigen Chip kombiniert. Ein SoC enthält immer eine CPU, kann aber auch Systemspeicher, Peripheriecontroller (für USB, Speicher) und fortschrittlichere Peripheriegeräte wie Grafikprozessoren (GPUs), spezielle neuronale Netzwerkschaltungen, Funkmodems (für Bluetooth oder WLAN) enthalten. Fi) und mehr.

Ein System-on-Chip-Ansatz steht im Gegensatz zu einem herkömmlichen PC mit einem CPU-Chip und separaten Controller-Chips, einer GPU und RAM, die ersetzt, aufgerüstet oder ausgetauscht werden können notwendig. Durch die Verwendung von SoCs werden Computer kleiner, schneller, billiger und verbrauchen weniger Strom.

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Eine kurze Geschichte der Elektronikintegration

Seit dem frühen 20. Jahrhundert folgt die Entwicklung der Elektronik einem vorhersehbaren Weg in Bezug auf zwei Haupttrends: Miniaturisierung und Integration. Durch die Miniaturisierung wurden einzelne elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Widerstände und Transistoren im Laufe der Zeit kleiner. Und mit der Erfindung des integrierten Schaltkreises (IC) im Jahr 1958 hat die Integration mehrere elektronische Komponenten auf einem einzigen Stück Silizium kombiniert, was eine noch weitere Miniaturisierung ermöglicht.

Mit dieser Miniaturisierung der Elektronik im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden auch Computer kleiner. Die ersten digitalen Computer bestanden aus großen diskreten Komponenten wie Relais oder Vakuumröhren. Später verwendeten sie diskrete Transistoren, dann Gruppen integrierter Schaltungen. 1972 kombinierte Intel die Elemente einer Computer-Zentraleinheit (CPU) in einer einzigen integrierten Schaltung, und der erste kommerzielle Ein-Chip-Mikroprozessor war geboren. Mit dem Mikroprozessor könnten Computer kleiner sein und weniger Strom verbrauchen als je zuvor.

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Geben Sie den Mikrocontroller und das System auf einem Chip ein

Im Jahr 1974 veröffentlichte Texas Instruments den ersten Mikrocontroller, eine Art Mikroprozessor mit RAM und E/A-Geräten, die mit einer CPU auf einem einzigen Chip integriert sind. Anstatt separate ICs für CPU, RAM, Speichercontroller, seriellen Controller und mehr zu benötigen, könnte all dies in einem einzigen Chip für kleine eingebettete Anwendungen wie Taschenrechner und elektronisches Spielzeug untergebracht werden.

Über die meisten der PC-Ära führte die Verwendung eines Mikroprozessors mit separaten Controller-Chips, RAM und Grafikhardware zu den flexibelsten und leistungsstärksten Personalcomputern. Mikrocontroller waren im Allgemeinen zu begrenzt, um für allgemeine Rechenaufgaben gut zu sein, daher blieb die traditionelle Methode der Verwendung von Mikroprozessoren mit diskreten unterstützenden Chips bestehen.

In letzter Zeit hat der Trend zu Smartphones und Tablets die Integration noch weiter vorangetrieben als Mikroprozessoren oder Mikrocontroller. Das Ergebnis ist das System on a Chip, das viele Elemente eines modernen Computersystems (GPU, Zellenmodem, KI-Beschleuniger, USB-Controller, Netzwerkschnittstelle) zusammen mit CPU und Systemspeicher in einem Paket packen kann. Dies ist ein weiterer Schritt in der weiteren Integration und Miniaturisierung von Elektronik, der wahrscheinlich noch lange in die Zukunft gehen wird.

Warum ein System auf einem Chip verwenden?

Mehr Elemente eines Computersystems auf einem einzigen Stück Silizium zu platzieren, senkt den Strombedarf, senkt die Kosten, erhöht die Leistung und verringert die physische Größe. All dies hilft enorm, wenn Sie versuchen, immer leistungsfähigere Smartphones, Tablets und Laptops zu entwickeln, die weniger Akkulaufzeit benötigen.

Apple ist beispielsweise stolz darauf, leistungsfähige, kompakte Computergeräte herzustellen. In den letzten 14 Jahren hat Apple SoCs in seinen iPhone- und iPad-Linien verwendet. Zunächst verwendeten sie ARM-basierte SoCs, die von anderen Firmen entwickelt wurden. Im Jahr 2010 stellte Apple den A4-SoC vor, den ersten von Apple entwickelten iPhone-SoC. Seitdem hat Apple seine A-Serie von Chips mit großem Erfolg iteriert. SoCs helfen iPhones, weniger Strom zu verbrauchen, während sie dennoch kompakt bleiben und immer leistungsfähiger werden. Auch andere Smartphone-Hersteller verwenden SoCs.

Bis vor kurzem tauchten SoCs selten in Desktop-Computern auf. Im Jahr 2020 stellte Apple mit dem M1 seinen ersten SoC für Desktop- und Notebook-Macs vor. Der M1 vereint CPU, GPU, Speicher und mehr auf einem Stück Silizium. 2021 verbesserte Apple den M1 mit dem M1 Pro und M1 Max. Alle drei dieser Chips verleihen Macs eine beeindruckende Leistung, während sie im Vergleich zur herkömmlichen diskreten Mikroprozessorarchitektur, die in den meisten PCs zu finden ist, viel Leistung verbrauchen.

Der Raspberry Pi 4, ein beliebter Hobbycomputer, verwendet für seine Kernfunktionen ebenfalls ein System-on-a-Chip (einen Broadcom BCM2711), was die Gerätekosten niedrig hält (ca. 35 US-Dollar) und gleichzeitig viel Leistung liefert . Die Zukunft ist rosig für SoCs, die die Tradition der Elektronikintegration und Miniaturisierung fortsetzen, die vor über einem Jahrhundert begann. Aufregende Zeiten stehen bevor!

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