System-on-a-Chip: So entstehen kleine, schnelle Geräte

In der Elektronik heißt das Ziel: "mehr Leistung, weniger Stromverbrauch, weniger Fläche". Besonders bei tragbaren Geräten wie Tablets und Smartphones muss eine äußerst komplexe Technologie auf kleinstmöglichem Raum untergebracht werden und dabei so wenig Energie wie möglich verbrauchen. Um sowohl schnelle als auch kleine Geräte zu entwerfen, beseitigen Techniker den Aufwand für mehrere integrierte Schaltkreise, indem sie alle benötigten Komponenten innerhalb eines einzigen Gehäuses konsolidieren: "System-on-a-Chip" (SoC).

Was ist ein "System-on-a-chip"?

Ein "System-on-a-Chip" ist ein integrierter Schaltkreis, der alle erforderlichen Komponenten eines Systems auf einem Stück Silizium komprimiert. SoCs vereinfachen das Leiterplattendesign und ermöglichen somit eine höhere Leistung und Geschwindigkeit ohne Einbußen bei der Systemfunktionalität, indem sie großformatige separate Systemkomponenten überflüssig machen. Diese Komponenten können in einem SoC enthalten sein:

• Datenverarbeitungseinheiten
• Integrierte Speicher
• Grafikprozessoren (GPUs)
•  USB-Schnittstellen
• Video- und Audioverarbeitung

Kompakte SoCs sind zu einer unverzichtbaren Lösung für die unterschiedlichsten Märkte geworden, von kabelgebundenen Anwendungen wie Rechenzentren, künstlicher Intelligenz (KI) und High-Performance-Computing (HPC) bis hin zu batteriebetriebenen Geräten wie Mobiltelefonen und Wearables.

Die Geschichte von SoCs

In unserem heutigen Alltag, wo Klein- und Kleinstgeräte die Regel sind, können wir uns nur schwer eine Zeit vorstellen, in der sich nicht in jedem Gerät ein SoC befand. Aber tatsächlich wurde das Konzept, ein komplettes System auf einem einzigen Mikrochip anzuordnen, erst in den 1970ern zur Realität.

1970er: Laut dem Computer History Museum in Kalifornien in den USA erschien 1974 das erste System-on-a-Chip in einer LCD-Armbanduhr. Bis dahin waren Mikroprozessoren nur eigenständige Chips, die durch externe Chips unterstützt werden mussten.

1980er–90er: Fortschritte in der Halbleiterfertigung ermöglichten die Integration einer größeren Zahl von Komponenten auf einem einzigen Chip. Durch Mixed-Signal-Integration konnten die Chips sowohl analoge als auch digitale Signale verarbeiten.

2000er–2010er: Nach und nach wurden SoCs in Wi-Fi-, Bluetooth- und Mobilfunkmodems integriert, um die drahtlose Kommunikation zu unseren Mobilgeräten zu ermöglichen. Zusätzliche leistungsstarke Prozessoren und Grafikfunktionen trugen dazu bei, dass Smartphones zu einer neuen Lebensweise wurden. 

Heute: SoCs werden immer spezialisierter, und ihr Einsatz geht über Mobilgeräte hinaus. Sie sind nun auch in Fahrzeugsystemen, Wearables, industrielle Automatisierung und vielem mehr zu finden. Zu den neuen Einsatzbereichen gehören künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen (ML) und Edge-Computing.

Anwendungen für Systems-on-a-Chip

Durch ihre Anpassbarkeit an hochspezialisierte Anforderungen lassen sich SoCs in einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen, von Kinderspielzeug über Türklingel-Kameras bis hin zu Industriemotoren. Hier nur einige der möglichen Anwendungsbereiche für SoCs:

• Mobilgeräte: SoCs integrieren Funktionen wie drahtlose Verbindung und Multimedia-Wiedergabe in Smartphones und Tablets.
• Automobilsysteme: Die unterschiedlichsten Fahrzeuge verwenden SoCs zur Stromversorgung von Navigationssystemen, für Sensorschnittstellen, Infotainment-Systeme und Gefahrenvermeidungssysteme.
• Internet der Dinge (IoT): SoCs zeigen sich äußerst effizient in Anwendungsfällen für geringen Energieverbrauch und werden häufig in IoT-Geräten wie Wearables und Smart-Home-Monitoren eingesetzt.
• Netzwerkgeräte: In Routern, Schaltern und Netzwerkgeräten integrieren SoCs Prozesse für die Paketverarbeitung, Sicherheitsfunktionen und spezifische Komponenten für effiziente Datenweiterleitung.
• Unterhaltungselektronik: SoCs bieten Grafikverarbeitungsleistung und Konnektivität für eine Vielzahl gängiger Multimedia-Geräte, wie z. B. Spielekonsolen oder digitale Medienabspielgeräte.
• Industrielle Anwendungsbereiche: SoCs ermöglichen Echtzeitverarbeitung, Konnektivität und Schnittstellenfunktionen und tragen so zu effizienten und intelligenten Industrielösungen bei.
• Medizinische Geräte: SoCs verhelfen zu einer besseren Patientenversorgung, indem sie die Verarbeitungsleistung und die Konnektivität von Patientenüberwachungssystemen, Diagnosegeräten und aktiven Implantaten verbessern.

SoC-Design: Die Vor- und Nachteile

Die Integration einer Vielzahl von Komponenten auf einem einzigen Chip bietet zahlreiche Vorteile. Für die Entscheidung aber, ob ein SoC die richtige Lösung für ein Gerät ist, müssen diese Vorteile gegenüber den Herausforderungen eines so komplexen Designs abgewogen werden.

Vorteile eines System-on-a-Chip

1. Flächenoptimierung: SoCs nehmen weniger Platz ein als mehrere Einzelkomponenten und ermöglichen dadurch kleinere Gerätedesigns.
2. Energieeffizienz: Das Ersetzen großer Komponenten und Schaltkreise durch SoCs führt zu einem deutlichen geringeren Stromverbrauch, und die erforderlichen PPA-Kennzahlen (Power, Performance und Area; Stromverbrauch, Leistung und Fläche) können erreicht werden.
3. Preis: Ein einzelner SoC-Chip ist günstiger als der ansonsten benötigte Satz von mehreren separaten Chips.
4. Zuverlässigkeit: Ein einzelner SoC besitzt weniger Anschlüsse und ist somit wesentlich zuverlässiger als ein System aus mehreren Teilen, die über ein Trägermaterial verbunden sind.
5. Leistung: Da die Signale auf dem Chip bleiben, kann ein SoC eine höhere Leistung und Geschwindigkeit erzielen als eine Lösung mit mehreren Bestandteilen.

Nachteile eines System-on-a-Chip

1.  "Single Point of Failure": Wenn alle Komponenten auf einem einzigen Chip liegen, wirkt sich der Ausfall einer Komponente auf das gesamte System aus (was auch Upgrades einschränkt).
2. Markteinführungszeit: Im Vergleich zu Standardkomponenten erfordert die Entwicklung benutzerdefinierter SoCs mehr Fachwissen und spezialisierte Tools, mit der Folge längerer Entwicklungszeiten und höherer Kosten. Diese höheren Kosten lohnen sich nur dann, wenn der Markt für das Gerät mit SoC groß genug ist, um sie aufzufangen.
3. Mischung aus analog und digital: Da alle Komponenten eines SoC mit einer einzigen Prozesstechnologie hergestellt werden, gibt es keine Möglichkeit, die optimale Technologie für die analogen Abschnitte anzuwenden. Dies führt zu einer reduzierten analogen Leistung und macht die SoCs besser für digitale Anwendungen geeignet.
4. Flexibilität: Ein SoC ist ideal für seine vorgesehene Aufgabe geeignet, hat aber nur einen begrenzten Anwendungsbereich für jede andere Aufgabe.

Workflow für ein System-on-a-Chip

Ähnlich wie bei einem integrierten Schaltkreis umfasst der Design-Workflow für ein SoC mehrere Phasen der Planung, Optimierung und Produktion. Jede Phase erfordert die Zusammenarbeit von Experten wie Systemarchitekten, Designingenieuren und Herstellern. Zu den wichtigsten Meilensteinen des SoC-Designablaufs gehören:

1. Spezifikation: Die gewünschte Funktion des SoC muss klar definiert werden. Was sind die Anwendungen, Leistungsziele, Einschränkungen für die Energieversorgung usw.?
2. Logisches Design: Das gewünschte Verhalten wird in einer Hardwarebeschreibungssprache (HDL, Hardware Description Language) beschrieben und das funktionale Verhalten simuliert, um es auf Korrektheit zu prüfen.
3. Logiksynthese: Die HDL-Verhaltensbeschreibung wird automatisch in eine Liste von Transistorelementen und ihren Verbindungen übersetzt, die sogenannte "Netzliste".
4. Physikalisches Design: Die geeigneten Transistorkomponenten werden ausgewählt und ihre physischen Positionen auf dem Siliziumchip und der Verlauf der Leiterbahnen zwischen ihnen werden bestimmt.
5. Signoff: Mit Verifizierungssoftware wie Ansys RedHawk-SC wird das Design analysiert und validiert, um seine ordnungsgemäße Funktion und Leistung sicherzustellen. Es muss überprüft werden, ob das Layout alle Anforderungen an die Herstellbarkeit erfüllt. Chips können nicht repariert werden. Wenn also ein Fehler im Design vorliegt, müssen alle hergestellten Chips entsorgt und das Design überarbeitet werden. Deshalb ist es so wichtig, vor der Fertigung Prüfungen und Verifizierungen durchzuführen.
6. Tape-out: Die finalen Grafikdateien werden generiert, um die Fotomasken des Layouts zu erstellen, und zur Produktion an den Hersteller gesendet.
7. Prüfungen und Gehäuse: In Tests wird überprüft, ob das SoC die Spezifikationen erfüllt und einsatzbereit ist. Anschließend wird der Siliziumchip in einem sicheren Gehäuse verkapselt.

SoC-Design und -Simulation

Die Nachfrage nach intelligenterer, schnellerer Elektronik in immer anspruchsvolleren Bereichen wird den Bedarf an SoC-Innovationen weiter vorantreiben. Da die SoCs entsprechend den Marktanforderungen immer komplexer werden, sollten Designer bei der Entwicklung und Validierung dieser Chips einen formalisierten Ansatz verfolgen. Simulation ist ein wichtiger Schlüssel zur Erstellung eines erfolgreichen SoC-Entwurfs, der die erforderlichen Design- und Fertigungsspezifikationen erfüllt. Das Stromversorgungsnetzwerk wird immer komplexer und durch das Bestreben nach einem geringen Stromverbrauch wird die Versorgungsspannung reduziert. Daher ist das Signoff des Designs hinsichtlich seiner Signal- und Leistungsintegrität kritisch.

Erfahren Sie mehr über digitale ICs, SoCs und verschiedene Signoff-Technologien in diesem On-Demand-Webinar: "Redefining Power Integrity Signoff Methodology Using Ansys RedHawk & Seascape Platform" ("Signoff-Methoden für die Leistungsintegrität unter Verwendung der Ansys RedHawk- und der SeaScape-Plattform").