Hệ thống trên một vi mạch (System on a Chip - SoC): Cách tạo ra các thiết bị nhỏ gọn và nhanh hơn

Các đơn vị xử lý dữ liệu
Bộ nhớ nhúng
Bộ xử lý đồ họa (GPU)
Giao diện USB
Xử lý video và âm thanh

Những năm 1970: Theo Bảo tàng Lịch sử Máy tính, hệ thống trên một vi mạch đầu tiên xuất hiện trong một chiếc đồng hồ LCD vào năm 1974. Trước đó, các vi xử lý chỉ là các chip đơn lẻ yêu cầu hỗ trợ từ các chip ngoại vi.
Những năm 1980-90: Các tiến bộ trong công nghệ sản xuất bán dẫn cho phép tích hợp thêm nhiều thành phần trên một vi mạch duy nhất. Sự tích hợp tín hiệu hỗn hợp giúp chip xử lý cả tín hiệu tương tự và số.
Những năm 2000-2010: SoC bắt đầu tích hợp Wi-Fi, Bluetooth và modem di động, mang kết nối không dây vào các thiết bị di động của chúng ta. Việc bổ sung các bộ xử lý mạnh và khả năng đồ họa đã giúp biến điện thoại thông minh thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày.
Hiện nay: SoC ngày càng trở nên chuyên biệt và mở rộng vượt ra ngoài lĩnh vực di động để bao gồm các hệ thống ô tô, thiết bị đeo tay, tự động hóa công nghiệp và hơn thế nữa. Các tính năng mới bao gồm trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (ML) và điện toán biên.

Thiết bị di động: SoC tích hợp khả năng kết nối không dây và đa phương tiện trong điện thoại thông minh và máy tính bảng.
Hệ thống ô tô: Các loại xe sử dụng SoC để vận hành hệ thống định vị, giao diện cảm biến, hệ thống giải trí, và hệ thống tránh nguy hiểm.
Internet vạn vật (IoT): Rất hiệu quả trong các trường hợp yêu cầu năng lượng thấp, SoC được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị IoT như thiết bị đeo tay và thiết bị giám sát nhà thông minh.
Thiết bị mạng: Trong các router, bộ chuyển mạch và thiết bị mạng, SoC tích hợp khả năng xử lý gói tin, các tính năng bảo mật và các thành phần chuyên dụng để định tuyến dữ liệu hiệu quả.
Thiết bị điện tử tiêu dùng: SoC cung cấp sức mạnh xử lý đồ họa và khả năng kết nối cho các thiết bị đa phương tiện phổ biến, chẳng hạn như máy chơi game và đầu phát đa phương tiện kỹ thuật số.
Ứng dụng công nghiệp: SoC cho phép xử lý thời gian thực, kết nối và giao tiếp, giúp tăng hiệu quả và thông minh cho các giải pháp công nghiệp.
Thiết bị y tế: SoC giúp nâng cao khả năng chăm sóc bệnh nhân nhờ cải thiện sức mạnh xử lý và kết nối cho các hệ thống giám sát bệnh nhân, thiết bị chẩn đoán và thiết bị cấy ghép.

Tối ưu hóa không gian: SoC chiếm ít không gian hơn so với các thành phần rời rạc, cho phép thiết kế các thiết bị nhỏ gọn hơn.
Hiệu quả năng lượng: Việc thay thế các thành phần lớn bằng SoC giúp giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng và đạt được các chỉ số PPA (công suất, hiệu suất và diện tích) yêu cầu.
Chi phí thấp hơn: Một chip SoC đơn lẻ rẻ hơn so với bộ nhiều chip riêng biệt.
Độ tin cậy: Một SoC đơn có ít kết nối hơn, do đó đáng tin cậy hơn nhiều so với một hệ thống đa thành phần được kết nối qua lớp đệm.
Hiệu suất: Do tín hiệu có thể giữ nguyên trong chip, SoC có thể đạt hiệu suất và tốc độ cao hơn so với giải pháp nhiều thành phần.

Điểm hỏng duy nhất: Với tất cả các thành phần trên một chip, lỗi ở một thành phần sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống (cũng hạn chế khả năng nâng cấp).
Thời gian ra thị trường: So với các thành phần sẵn có, thiết kế SoC tùy chỉnh đòi hỏi chuyên môn cao và công cụ chuyên dụng, làm tăng thời gian và chi phí phát triển. Các chi phí này chỉ có thể được thu hồi nếu thị trường cho SoC đủ lớn để hấp thụ.
Tín hiệu hỗn hợp tương tự/số: Vì tất cả các thành phần trên một SoC đều được sản xuất bằng một công nghệ quy trình duy nhất, không có tùy chọn sử dụng công nghệ tối ưu cho phần tương tự. Điều này làm giảm hiệu suất của phần tín hiệu tương tự và làm cho SoC phù hợp hơn cho các ứng dụng số.
Tính linh hoạt: SoC được thiết kế hoàn hảo cho tác vụ dự định nhưng có phạm vi ứng dụng hạn chế cho các tác vụ khác.

Đặc tả: Xác định rõ chức năng mong muốn của SoC. Các ứng dụng, mục tiêu hiệu suất, giới hạn công suất là gì, v.v.?
Thiết kế logic: Mô tả hành vi mong muốn bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) và mô phỏng hành vi chức năng để xác minh tính chính xác của nó.
Tổng hợp logic: Tự động chuyển đổi mô tả hành vi bằng HDL thành danh sách các phần tử transistor và các kết nối giữa chúng, được gọi là “netlist.”
Thiết kế vật lý: Chọn các thành phần transistor phù hợp, xác định vị trí vật lý của chúng trên silicon và định tuyến dây kết nối giữa các thành phần.
Xác nhận cuối: Sử dụng phần mềm để phân tích và xác thực thiết kế nhằm đảm bảo chức năng và hiệu suất chính xác. Xác minh rằng bố trí đáp ứng tất cả các yêu cầu về khả năng sản xuất. Các chip không thể sửa chữa, vì vậy nếu có sai sót trong thiết kế, tất cả chip đã sản xuất phải bị loại bỏ và thiết kế phải được điều chỉnh lại. Vì lý do này, việc kiểm tra và xác nhận trước khi tiến hành sản xuất là cực kỳ quan trọng.
Tapeout: Tạo các tệp đồ họa cuối cùng để tạo photomask cho bố trí và gửi đến nhà sản xuất để sản xuất.
Kiểm tra và đóng gói: Kiểm tra để xác nhận rằng SoC đáp ứng các đặc tả và sẵn sàng sử dụng. Chip silicon sau đó sẽ được đóng gói trong một lớp bảo vệ.