Идеей сжать все компоненты вычислительной машины до размеров одного крошечного чипа, разработчики интегральных схем загорелись достаточно давно - с того самого момента, когда с конвейера сошел Intel 4004, замещающий собой целую горстку транзисторных микросхем. Надо сказать, что возникшая идея высокой интеграции компонентов стала воплощаться в жизнь очень быстро, примерно с конца 70-х годов, когда микросхемы начали победоносное шествие не только в отрасли ЭВМ, но и в бытовой и производственной сфере. Единственным куском IT-рынка, где по прошествии многих лет все еще наблюдается жуткая фрагментация на массу всевозможных микросхем, является рынок ПК, на котором концепция «системы на чипе» начала приживаться совсем недавно. Как появились первые высокоинтегрированные контроллеры, почему SoC сегодня так популярны и какие перспективы развития у них маячат на горизонте, мы и попытаемся разобраться.
Итак, что же представляет собой классическая система SoC? За примерами далеко ходить не нужно - достаточно взглянуть на свой мобильный телефон, в основе которого как раз и лежит SoC-микросхема, позволяющая разместить практически все основные исполнительные устройства на одной интегральной схеме, сделав функциональный смартфон легким и компактным. Центральный процессор, графический контроллер, кэшпамять, микроконтроллеры ввода-вывода, тактовый генератор, BIOS, дамп ОЗУ и еще целая куча более мелких компонентов размещены всего на одной микросхеме - вместо того чтобы занимать дефицитное пространство на печатной плате мобильного телефона в виде отдельных микросхем. По своей сути любая SoC-система - это дальнейшее, и вполне закономерное эволюционное развитие электронных компонентов и их более плотная интеграция. Компьютеры второго поколения середины 60-х годов, которые заняли место огромных ламповых монстров, уже работали на интегральных схемах, но по мере миниатюризации и совершенствования технологических норм удавалось объединить и разместить все большее количество схем на одном кристалле, сделав общую систему гораздо компактнее и экономичнее предшественников. Первые центральные процессоры, ввиду несовершенства производственной технологии, были лишены весомой части многих микроконтроллерных компонентов (включая контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, кэш и т.д.), которые приходилось распаивать на материнской плате, вынося их функционал за предел CPU. Таких дополнительных микросхем было настолько много, что монтажники даже подобрали вполне точное определение этим «контроллерам поддержки», назвав их «рассыпухой».
Год за годом, по мере уменьшения технологического процесса, большинство сопроцессорных компонентов удалось переместить в кристалл CPU и существенно уменьшить площадь, которую микросхемы занимали на материнской плате. К концу 70-х годов, когда микроэлектроника докатилась до автоматизированных производственных комплексов, банкоматов и цифровых телефонов, перед разработчиками интегральных схем встала задача создать высокоинтегрированный микроконтроллер, объединяющий в себе все основные компоненты системы, включающие в себя графический контроллер, центральный процессор, дамп ОЗУ и ПЗУ, а также контроллер периферийных устройств для подключения компонентов по внешним шинам. Другими словами, производители электронной техники хотели бы получить полноценную ЗВМ в крошечном корпусе одной микросхемы. От подобных разработок не требовалась выдающаяся производительность - контроллеру было положено выполнять простой программный цикл, однако заморачиваться с монтажом здоровенных материнских плат с излишней стоимостью, производительностью и энергопотреблением никто не хотел. К тому же обилие микросхем на монтажных платах негативно сказывалось на износостойкости оборудования.
Задача перед учеными была поставлена нетривиальная. Первой компаний, которая получила большой коммерческий успех от реализации «прадеда» современных SoC, стала Intel. В начале 80-х годов она создала однокристальный микроконтроллер Intel 8051, в котором идея интеграции полноценной ЭВМ системе в корпусе микросхемы фактически и была впервые осуществлена. Только вдумайся - на одном кристалле контроллера удалось разместить 8-битное ядро центрального процессора, работающего на 12 МГц, 128 байт оперативной памяти, 4 Кбайт ПЗУ для хранения программ, контроллер ввода-вывода, таймер и логику управления прерываниями. Все компоненты размещались на кремниевом кристалле площадью 5,85 кв. мм и состояли из 120 тысяч транзисторов (что примерно в 4 раза больше, чем использовалось в 16-разрядном i8086!). Огромному успеху контроллера способствовала не только широкая функциональность и высокая степень интеграции - Intel практически сразу же раскрыла спецификации 8051, начав продажу лицензий на использование его ядра сторонними компаниями, значительно удешевив и разнообразив модельный ряд. До середины 90-х годов схемы на базе MCS-51 пользовались бешеной популярностью и производились десятками компаний по всему миру. Им нашлось применение в факсах, принтерах, банкоматах, телефонах и даже в автоматизированных производственных цехах! Впоследствии сторонними производителями были выпущены модификации с увеличенным объемом ОЗУ, ПЗУ и более высокой тактовой частотой процессорного ядра, которая в некоторых версиях составляла целых 100 МГц. Таким образом, имея очевидные плюсы (высокая плотность размещения компонентов, малое энергопотребление, высокая износостойкость), однокристальные системы получили существенный толчок к своему будущему развитию, определив конечную цель для любого производителя микроэлектроники - создать чип, в котором все компоненты полностью рабочей системы будут объединены на одной подложке.
Следующий этап продвижения готовых компактных систем начался в 90-х годах XX века, когда производители электроники с каждым годом все больше удивляли потребителей выпуском все более компактных гаджетов. По мере распространения вычислительной техники в различные производственные сферы появился устойчивый спрос на более сложные системы с высокой интеграцией, на более производительных вычислительных ядрах и желательно - совместимых с уже написанным программным кодом. Жесткие требования также выставлялись и к диапазону рабочих температур, виброустойчивости и отказоустойчивости компонентов, которые, к сожалению, обычные компьютерные системы обеспечить не могли - чем меньше компонентов используется в системе, тем менее вероятен риск выхода из строя одного из них.
Контроллер i8051 прекрасно справлялся с поставленными задачами в течение десяти лет и продолжал великолепно работать в относительно простых устройствах на протяжении 90-х, однако мощности 8-битного ядра уже явно не хватало. Многие производители, включая Motorola, Microchip Technology, Texas Instilments и Freescale Semiconductor, пытались продвинуть свои версии микроконтроллеров на базе собственных 8- и 16-разрядных ядер, но они имели собственный набор команд и были несовместимы с огромной массой приложений, код которых был специально заточен под х86-совместимые CPU. На роль идеальной рабочей лошадки для заводов, предприятий, всевозможных терминалов и систем управления как нельзя кстати подходило процессорное ядро Intel i386 - оно выпускалось еще с 1985 года, обладало достаточно свежей и современной архитектурой, стоило недорого, а главное - оно было 32-разрядным и полностью совместимым со всеми ранее написанными программами.
Ввиду того что процессорное ядро i386 было достаточно крупным и сложным для своего времени, вместить в него все компоненты полноценного ПК, включая графический контроллер, блок памяти ОЗУ, BIOS и flash-чип, было физически невозможно. Однако попытаться собрать небольшую систему на крошечной плате, взяв за основу процессорное ядро i386EX, было вполне реально даже для начала 90-х годов. Эта модификация CPU уже имела большое количество интегрированных в него контроллеров и «микросхем обвязки», что позволяло применять его в таких экзотических продуктах, как «PC on Stick» - крошечной материнской плате размером с модуль оперативной памяти SIMM, на которой располагались процессор CPU, GPU, 512 Кбайт оперативной памяти, BIOS и 2 Мбайт flash-памяти. Подобное решение поставлялось с уже предустановленной системой DOS и поддерживало практически все множество ранее написанных программ для х86-совместимых процессоров. Более того - такой модуль даже не требовал охлаждения, мог работать в диапазоне от -40°C до +85°C и потреблял очень мало энергии. Конструктивно подобная система очень отдаленно напоминала полноценный SoC, однако она являлась первым подобным устройством на рынке 32-разрядных систем и была непосредственным родоначальником всех современных высокоинтегрированных х86-платформ. Компактные размеры и повышенная износостойкость процессора i386EX позволили использовать его в космонавтике не только в специальных версиях лэптопов производства IBM, но и в качестве «мозгов» для нескольких запущенных спутников.
Однако полноценную SoC на базе х86-совместимого процессорного ядра удалось выпустить совсем не компании Intel, и даже не AMD, а компании Cyrix, которая к концу 90-х годов, не имея шансов на конкуренцию с AMD и Intel на рынке высокопроизводительных CPU, решила наладить выпуск недорогих и маломощных мультимедийных микрочипов. За основу было взято ядро Cyrix 5x86. которое являлось прямым, слегка разогнанным и модернизированным наследником ядра i486 производства Intel конца 80-х годов. Разработчикам пришлось очень постараться, чтобы на базе всего одной интегральной схемы выпустить готовый «ПК в сборе» - помимо х86-ядра, в SoC вошли контроллеры периферийных устройств (клавиатуры, мыши, дисковых устройств), графический 2D-ускоритель, контроллеры Ethernet, PCI, SDRAM памяти и звуковой контроллер, весь северный мост, а также аппаратный декодер MPEG-1 видео. Работая на 300 МГц, подобная SoC-система могла справиться практически со всеми задачами, возложенными на обычный домашний ПК: от офисной работы и интернет-серфинга до несложных 2D-игр типа Heroes 3 или Age Of Empires 2. Но из-за весьма нерасторопного процессорного ядра MediaGX обрели некоторую популярность лишь на рынке ноутбуков и офисных MiniPC, где низкая стоимость и умеренное энергопотребление были превыше скорости выполнения задач. Инженеры Cyrix первыми разработали концепцию полностью самодостаточного SoC-чипа, продумали его внутреннее устройство, разводку компонентов, встроили несколько добавочных шин для передачи данных между компонентами системы, став первооткрывателями в области х86 «систем на кристалле».
Очень скоро из-за плохой экономической ситуации, царившей в недрах компании, Cyrix продала все свои наработки в области данной платформы ребятам из AMD, которые, устранив главные ее недостатки (а именно - отсутствие кэш памяти L2, низкая тактовая частота, устаревший техпроцесс), выпустили обновленную платформу под названием Geode GX. Слегка посвежевший продукт, даже при очень низкой по меркам середины 2000-х годов производительности, разлетался как горячие пирожки - китайские производители пихали его в неттопы, нетбуки, крошечные UMPC, терминалы оплаты, банкоматы и еще в целую гору всевозможных устройств, где была востребованна совместимость с ОС семейства Windows NT. Именно благодаря наработкам Cyrix в области высокой интеграции компонентов у AMD со временем получилось встроить часть северного моста в центральный процессор, а потом и воплотить в жизнь свою SoC-концепцию Fusion, на базе которой позже выпускались процессоры Brazos, Llano и Trinity.
Создание однокристальной системы на базе х86-совместимого CPU - крайне непростая задача, справиться с которой смогли лишь единицы. Естественно, закупать в массовом порядке продукты вроде AMD Geode или i386EX спешили далеко не многие производители электроники, поскольку, по вполне объяснимым причинам, между нишей мощных х86-совместимых и маломощных 8-битных SoC-систем образовалась достаточно широкая прослойка тех, кому требовалось нечто среднее. Идеальной основой для самого массового сегмента SoC стали RISC-процессоры архитектуры ARM и MIPS - они были достаточно просты, экономичны и при этом имели полноценную 32-разрядную архитектуру ядра.
Огромное количество портативных устройств, появившихся в конце 1990-х и начале 2000-х. базировались именно на микропроцессорах с набором команд ARM и MIPS. Сотни разработчиков принялись штамповать свои версии SoC-микросхем, превращая их в самодостаточные микро-ПК, размещенные в пластиковом корпусе всего одного чипа. Их архитектура так удачно подходила под нужды крошечных SoC-систем, что уже к середине 2000-х годов 90% реализуемых в мире 32-разрядных CPU и SoC базировались на архитектуре ARM и MIPS. Простота и небольшой размер процессорного ядра позволяют создавать управляемые 32-разрядные контроллеры, которые используются в сотовых телефонах, планшетах, наручных часах, жестких дисках, SSD-накопителях и в невероятно огромном спектре периферийных устройств - от принтеров и сканеров до обычных клавиатур. Среди самых известных производителей, которые запихивают на единый кристалл мощный GPU с поддержкой всех современных технологий, многоядерный CPU и десятки вспомогательных контроллеров наряду с небольшим дампом памяти, можно выделить Apple, Samsung, NVIDIA, Qualcomm, Sony Ericsson, Texas Instruments, и NXP.
Разместить целый компьютер всего на одном чипе, который мог бы без проблем потянуть Windows 10 с установленной Half Life 2, можно уже сегодня. Монолитные флешки, совмещающие в себе интегральную схему flash-памяти на много Гб и достаточно мощный ARM-контроллер с интегрированным таймером и блоком управления питания, даже не вызывают у нас удивления. На рынке вот уже несколько лет кряду присутствуют полноценные компьютеры, помещающиеся в корпусе USB-накопителя, но имеющие при этом распаянный HDMI-выход, предустановленную OS и кучу портов microUSB для подключения ЖК-телевизора, мышки и клавиатуры. Дальнейшая степень интеграции компонентов осложняется лишь тем, что все большему числу встроенных устройств отводится все меньше контактов на чипе - его скромные размеры просто не позволяют вывести все 500-600-контактов, необходимых для работы распаянных на маленькой плате портов. Уменьшение техпроцесса все еще позволяет сжимать интегральные схемы до новых рекордных микроразмеров, встраивая в них все новые и новые компоненты, однако из-за постоянного уменьшения такие SoC-процессоры будет просто-напросто сложно использовать. Уже сегодня вполне можно встраивать RAM- и flash-память непосредственно в SoC-чип, однако производители не делают этого потому, что закупать дешевые чипы NAND-памяти и распаивать их различный объем гораздо удобнее, нежели быть привязанным к конкретным моделям SoC, обладающим своим собственным объемом ПЗУ.
Впрочем, вполне возможно, что «системы на чипе» будущего обзаведутся беспроводными контроллерами, которые позволят подключать к ним ЖК-экран и периферию по Wi-Fi, а также передавать потоковое видеоизображение и выводить звук на колонки с поддержкой беспроводной передачи данных. Это позволило бы вообще отказаться от всяческих портов и разводки шин на РСВ-устройства, сделав его максимально компактным и энергоемким. Теоретически такой гаджет размером с кубик сахара можно создать уже сейчас. Вопрос лишь в том, нужно ли это кому-нибудь при текущих готовых и недорогих продуктах размером с USB-флешку... Будущее уже наступило, но пока что для повседневной жизни уменьшение текущих размеров SoC просто никому не будет нужно - миниатюризация уже начинает идти вразрез с удобством использования.
© Автор: Роман Морозов