Hệ thống tích hợp đơn chip SoC là gì?
Trước đây, một hệ thống chẳng hạn như một hệ thống máy tính nhúng thường được hình thành từ nhiều vi mạch gắn lên một bản mạch (cũng có thể nhiều hơn), được ghép nối với nhau để thực hiện chức năng của hệ thống. Ngày nay, nhờ sự phát triển nhanh chóng của công nghệ bán dẫn và các kỹ thuật thiết kế mạch tích hợp, chúng ta đã có thể tích hợp cả hệ thống hoàn chỉnh đó lên trên một vi mạch đơn với kích thước tối đa là 1 inch2. Hệ thống tích hợp trên một vi mạch đơn này được gọi là Hệ thống trên một chip (trong tiếng Anh gọi là “System-on-Chip” và viết tắt là “SoC”) [1], [2]. Xu thế của các nước công nghiệp tiên tiến thế giới hiện nay là sản xuất các chip chuyên dụng (ASIC: Application-Specific Integrated Circuit) dạng hệ thống trên một chip có thể đảm nhận một số chức năng cụ thể, có tính năng cao, năng lượng tiêu thụ thấp và kích thước ngày càng nhỏ bé (về công nghệ chế tạo cũng như về sản phẩm).
 (a)
|
 (b)
|
Hình 2: So sánh giữa một hệ thống thực hiện trên một bản mạch (a) và hệ thống thực thi trên một chip đơn ([5]).
Về kiến trúc, hệ thống trên một chip có thể bao gồm các khối chức năng số (digital) như: vi xử lý (µP: Central Processing Unit), bộ nhớ chính (ROM, RAM), khối xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processor), v.v…; các đơn vị xử lý, ghép nối vào/ra như Enthernet, Bluetooth; các khối chức năng tương tự (analog) như các bộ khuếch đại tín hiệu; các tín hiệu kết hợp (mixed-signals); và thậm chí cả các khối thu phát tần số radio (RF: Radio Frequency) và các linh kiện vi cơ điện tử (MEMS); v.v… như mô tả trong Hình 3. Các đơn vị xử lý tính toán trên còn được gọi là các lõi IP (Intellectual Properties).
Hình 3: Một hệ thống trên một chip điển hình.
Khái niệm hệ thống trên một chip xuất hiện từ những năm 1990 và không ngừng phát triển theo thời gian cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn. Hệ thống SoC được biết đến như là một phương pháp thiết kế gần đây nhất cho phép tích hợp khoảng vài chục lõi IP trên một vi mạch với khoảng vài chục triệu transistors. Hiện nay khả năng tích hợp lớn nhất cho phép trên một vi mạch có kích thước 1 inch2 là vào khoảng 1 tỷ transistors (theo Intel [2]). Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy một trong những ưu điểm nổi bật của hệ thống trên một chip đó là kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng nếu so sánh cùng một thiết kế so với hệ thống đa vi mạch được xây dựng trên bảng mạch in [2], [1]. Bên cạnh đó, hệ thống trên một chip cũng có hiệu suất và tính ổn định cao hơn.
Nhờ đặc tính nhỏ gọn, hoạt động ổn định nên hệ thống trên một chip được ứng dụng khá rộng rãi, đặt biệt là trong các ứng dụng cho các thiết bị di động, cầm tay. Đây là một xu thế hiện đang được phát triển rất nhanh và rộng rãi trên thế giới. Chúng ta có thể thấy hệ thống trên chip xuất hiện trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau như: Viễn thông, Tự động hoá, Điện tử dân dụng, Đa phương tiện, An ninh quốc phòng, Hàng không vũ trụ….
Nhược điểm của phương pháp thiết kế hệ thống SoC bằng công nghệ ASIC là thời gian và chi phí cho quá trình nghiên cứu phát triển sản phẩm cao. Hơn thế, chức năng của vi mạch sau khi sản xuất là không thể thay đổi. Những nhược điểm này khiến cho loại SoC trên công nghệ ASIC chỉ phù hợp khi nó được dự định triển khai trong một số lượng sản phẩm lớn và không có nhu cầu nâng cấp chức năng trong tương lai. Ví dụ điển hình của SoC loại này là các bộ vi xử lý được dùng trong các máy tính cá nhân, máy tính bảng (tablet) và điện thoại thông minh, … Những bộ xử lý loại này hiện nay thường được tích hợp tối thiểu 2 lõi vi xử lý, bộ nhớ, bộ xử lý đồ họa, các giao diện ghép nối vào ra, và một số ngoại vi [4] và được sản xuất với một số lượng rất lớn.
Ngày nay, FPGA đang ngày càng trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn cho việc thực hiện các hệ thống nhúng bởi thời gian và chi phí cho việc cho việc thực các hệ thống nhúng trên FPGA thường thấp hơn rất nhiều so với việc thực hiện bằng công nghệ ASIC. Hơn nữa, các chip FPGA gần đây thường tích hợp sẵn bên trong nó những khối phần cứng chuyênn dụng như các khối xử lý DSP hay các lõi xử lý cứng … cho phép hiệu năng của các hệ thống trên FPGA tiệm cận dần tới hiệu năng thực hiện bằng phương pháp ASIC. Chẳng hạn, chip ZynQ của hãng Xilinx tích hợp sẵn hai lõi vi xử lý ARM® Cortex™ A9 có tần số hoạt động lên đến 1 GHz cùng với tài nguyên logic có thể tái cấu hình giống FPGA cho việc thực hiện các đơn vị tăng tốc phần cứng hiệu năng cao [7]. Bằng việc sử dựng một kiến trúc tổ hợp gồm bộ vi xử lý nhúng và FPGA như vậy, người thiết có thể có nhiều giải pháp linh hoạt hơn trong phân chia các nhiệm vụ tính toán giữa FPGA và bộ vi xử lý.
—–
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[2] E.Larsson. Introduction to Advanced System-on-Chip: Test, Design and Optimization. Springer Publisher, February 2005.
[4] M. Dixon, P. Hammarlund, S. Jourdan and R. Singhal, “The Next Generation Intel Core Microarchitecture”, Intel Technology Journal, Vol. 14, Issue 3, 2010. pp. 8 – 29.
[6] Ron Sass, Andrew G. Schmidt: Embedded Systems Design with Platform FPGAs, Elsevier Inc, 2010.
[7] Xilinx. 2013. Zynq™-7000 All Programmable SoCs. http://www.xilinx.com/publications/prod_mktg/zynq7000/Zynq-7000-combined-product-table.pdf.
[9] Crockett, L.H., R.A. Elliot, and M.A. Enderwitz, The Zynq Book Tutorials for Zybo and ZedBoard. 2015.
[10] ZedBoard user manual. Available from: http://zedboard.org/sites/default/files/documentations/ZedBoard_HW_UG_v2_2.pdf.
[12] ARM, “Cortex-A9 MPCore Technical Reference Manual”, revision r3p0, July 2011. Available: http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0407g/DDI0407G_cortex_a9_mpcore_r3p0_trm.pdf
