시스템 온 칩(SoC)이란?

안녕하세요 :)

지난 포스팅에서 임베디드시스템에 대해서 알아봤는데 오늘은 시스템 온 칩에 대하여 공부하고 정리해보겠습니다.

임베디드시스템(Embedded system)이란?

실제로 제가 소속되어 있는 연구실이 시스템 온 칩 연구실이라 오늘 SoC에 대해서 야무지게 알려드리도록 할게요.

 

 

시스템 온 칩(System on Chip)이란?

단일 칩 시스템 (System on chip, SoC)는 하나의 직접회로에 집적된 컴퓨터나 전자시스템 부품을 말합니다. 

전체 시스템을 칩 하나에 담은 기술집약적 반도체라고도 하죠.

한마디로 여러 기능을 가진 기기들로 구성된 시스템을 하나의 칩으로 만드는 기술입니다.

(저는 시스템 온 칩이 편해서 아래로는 시스템 온 칩이라고 명칭하겠습니다 :)

 

디지털 신호, 아날로그 신호, 혼성 신호와 RF 기능들이 단일 칩에 구현되어 있는데

일반적으로 지난 포스팅에서 알려드린 임베디드 시스템 영역에 주로 사용됩니다.

 

특정 응용에서 시스템 온 칩을 구현할 수 없을 경우

단일 패키지에 여러 칩을 구성한 단일패키지 시스템(SIP)를 사용할 수 있습니다.

시스템 온 칩은 단일면적에 제조되는 소자수가 많아지고 패키지가 단순해지기 때문에

생산비용이 크게 감소되는 것으로 신뢰성을 얻습니다. 임베디드 시스템의 특징에서도 있었죠.

 

출처 : 위키백과

일반적인 시스템 온 칩의 구성으로는

1개 이상의 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서나 디지털 신호 처리기 코어를 포함합니다. 

ROM, RAM, EEPROM과 플래시 메모리 중 일부가 포함된 메모리 블록이 있습니다.

진동자와 위상 고정 루프를 포함한 타이밍 발생기가 있고

카운터 타이머, 실시간 타이머와 전원초기화 발생기를 포함한 주변장치가 있습니다.

또한 범용 직렬버스, 파이어와이어, 이더넷, 범용 비동기 송수신,

직렬 주변장치 인터페이스 버스같은 산업표준 외부 인터페이스가 있고

아날로그-디지털 변환회로와 디지털-아날로그 변환회로가 내장된 아날로그 인터페이스가 있습니다.

또한 전압 레귤레이터와 전원관리 회로를 포함하고 있습니다.

 

따라서 위에 기술한 하드웨어와 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 디지털 신호처리기 코어,

주변장치와 인터페이스를 제어하는 소프트웨어로 구성됩니다.

 

대부분의 시스템 온 칩은 사전에 검증된 하드웨어 블록을 서로 연결하고

동작을 제어하는 소프트웨어 드라이브를 추가하여 개발됩니다.

가장 중요한 것은 범용 직렬 버스처럼 산업표준 인터페이스를 제어하는 프로토콜 스택입니다.

하드웨어 블록은 컴퓨터 지원 설계 도구를 사용하여 서로 붙이고

소프트웨어 모듈은 소프트웨어 개발 환경을 사용하여 집적시킵니다.

 

설계 흐름의 핵심 단계는 에뮬레이션입니다. 

하드웨어는 SoC의 동작을 흉내내는 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)기반 에뮬레이션 플랫폼에 연결되고

소프트웨어 모듈은 에뮬레이션 플랫폼의 메모리에 기록됩니다. 

한번 프로그램되면 에뮬레이션 플랫폼은 SoC의 하드웨어와 소프트웨어를

실제 동작속도에서 테스트하고 디버그 하는것이 가능합니다.

SoC 흐름은 하드웨어를 에뮬레이션한 후에 제조하기 이전에 직접회로 설계의 배치 및 배선 단계를 거칩니다.

반도체 칩은 외주로 생산하기 이전에 논리적 정황성을 검증하는데 검증공정은 ASIC검증이라고 불립니다.

이 검증에 사용되는 대표적인 하드웨어 기술언어로는 베릴로그와 VHDL이 있죠.

 

- VHDL이 궁금하시다면?

디지털논리회로설계, Quartus II / FPGA / VHDL?

 

반도체 칩의 다양성이 증가하면서 시스템베릴로그, 시스템C, e와 오픈베라같은 하드웨어 기술 언어가 사용되기도 합니다.

그리고 검증 단계에서 발견된 버그는 설계자에게 보고됩니다.

그리고 SoC는 표준셀과 FPGA에 의하여 제조될 수 있다는 것!

 

 

출처 : 위키백과

AP라고도 불리는 애플리케이션 프로세서는

스마트폰, 태블릿에서 명령해석, 연산, 제어 등 사람의 두뇌 역할을 하는 핵심 부품(반도체)입니다.

명령해석, 연산, 제어 등을 하면서 PC나 컴퓨터와 달리 CPU(중앙처리장치)라고 부르지 않는 이유는

CPU의 기능 외에도 GPU와 설계에 따라 통신 칩(3G, 블루투스, 와이파이 등)과 USB와 같은 부가기능까지

하나의 칩에 포함시켜 놓는 칩셋의 형태로 구성되었기 때문입니다.

 

칩셋은?

칩셋은 SoC(System on chip)이라고도 불리며 CPU와 GPU등 칩 하나에 여러 기능을 집적시켜

모든 애플리케이션 구동과 시스템 장치 여러 인터페이스 장치등을 제어하고 관리하는 장치로

기존의 컴퓨터에 사용되는 칩 보다 부피를 줄이고 전력소모를 최소화 할 수 있게 되어

한손에 들고 다닐 수 있는 초소형의 컴퓨터 (스마트폰이나 태블릿)를 만들 수 있게 되었다고 합니다 :)

 

 

시스템 온 칩의 특징으로는?

SoC는 일반적으로 멀티칩 시스템보다 소비전력이 적고 생산단가가 저렴하며 높은 신뢰성을 갖습니다

또한 여러 패키지를 사용하는 시스템보다 조립비용이 크게 감소합니다

따라서 기존 시스템을 대체함으로써 얻게 되는 이익이 많죠.

그러나 대부분의 VLSI 설계에서는 동일한 기능을 지닌 다수의 칩보다

소자 테스트 비용과 초기 개발비가 더 비싸기 때문에 단일 칩이 더 비쌉니다

그리고 SoC가 탑제된 소프트웨어에 따라 다르긴 하지만 대부분 발열이 매우 심하다는 단점이 있어요.

게임 또는 그래픽 시뮬레이션과 같이 모바일로 고사양 프로그램을 실행 시키게 된다면 디바이스에 매우 심한 발열이 발생합니다. 사실 반도체 자체에서 발열이 심하게 발생하는 것은 매우 심각한 것..

고온의 발열이 지속될 경우에는 SoC 칩 자체에서 냉납이 발생하게 됩니다.

그렇게 되면 SoC가 재기능을 하지 못하게 되어 결국 메인보드 자체가 고장나게 된다고 하네요.

그러나 이를 해결하기 위해서 실제로 대부분의 스마트폰 제조사에선 히트 파이트를 설치하여

발열을 감소 시키기도 하고 또 소프트웨어의 최적화를 통하여 발열을 감소시키기도 한다고 해요.

하지만 그럼에도 불구하고 발열이 심한 디바이스가 아직 많다고 하네요.

시간이 지나면 지날 수록 점점 프로그램들의 요구 사양이 높아지고

또 프로그램들의 퍼포먼스가 증가하는데에 따라 그만큼 SoC도 부담이 되기 때문입니다.

그래도 요즘에는 제조사가 아닌 다른 업체에서 자체적으로 만드는 쿨링 시스템이 도입되어 있으며

벌써 외부에서 장착하는 쿨로들도 출시되었다고 합니다.

 

SoC는 이렇게 여러 기능을 가진 반도체가 하나의 칩으로 통합되어 칩을 탑재하는 공간이 크게 줄어들어

제품 소형화가 가능하고 여러 개의 반도체를 별도로 만드는 것 대비 제조비용이 감소하는 등 여러 장점들이 있습니다.

정말 실제로 SoC연구실에서 매번 느끼는 점은 정말 작은 칩 안에 시스템이 들어가

정말로 두뇌의 역할을 한다는 것이 너무 신기하고 앞으로 SoC의 발전에 따라 얼마나 발전된 전자기기들이나

단순한 기기나 자동차에도 시스템을 넣어 발전할 거라 생각하니 앞으로 더 기대가 되는 분야인 것 같아요

 

다음에 또 알찬 지식으로 찾아뵙겠습니다 :)

 

 

 

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