Программируемые электронные компоненты. ASIC, DSP и SoC

Время чтения: 16 минут

Параллельно развивался другой класс специализированных компонентов — цифровые сигнальные процессоры, или DSP. Они предназначены для быстрой работы с потоками данных: звуком, изображением, радиосигналами и другими видами информации.

А дальнейшее развитие микроэлектроники привело к объединению различных вычислительных блоков на одном кристалле. Так появились SoC — однокристальные системы, в которых сегодня могут одновременно находиться CPU, GPU, DSP, память, интерфейсы связи и специализированные ускорители.

Application-Specific Integrated Circuit — специализированная интегральная схема, разработанная для конкретной задачи.

В отличие от процессора или FPGA, такое решение не предполагает произвольного изменения аппаратной структуры после производства. Логика определяется на этапе проектирования и физически реализуется при изготовлении кристалла.

По принципу работы ASIC сравнимы с FPGA, конфигурацию которой зафиксировали аппаратно. Главное отличие заключается в том, что ПЛИС остаётся программируемой, а изготовленный специализированный кристалл уже нельзя перепрограммировать.

Такой подход даёт несколько преимуществ. Специализированная схема получается компактнее, быстрее и энергоэффективнее универсального решения. Кроме того, при больших тиражах стоимость одного экземпляра оказывается ниже, чем у FPGA.

Есть и недостаток — высокая стоимость разработки. Поэтому экономический смысл такой технологии появляется прежде всего при массовом выпуске.

Первые подобные решения появились ещё в 1970-е годы. Их применяли в аэрокосмической и военной технике, а затем технология распространилась и в потребительской электронике.

Удобными такие микросхемы оказались для устройств с фиксированным набором функций. Один кристалл мог одновременно выполнять несколько задач, для которых раньше требовался набор отдельных компонентов.

Например, в бытовой электронике на одном кристалле объединялись вычислительный блок, драйвер клавиатуры и дисплея, контроллер двигателя и другие узлы.

В 1980-е годы получили распространение решения на основе стандартных ячеек. Идея заключалась в использовании заранее разработанного набора логических элементов, из которых затем формировалась конкретная схема.

Такой подход позволил частично стандартизировать производство и сократить время разработки. Базовая структура кристалла использовалась для разных проектов, а требуемую логику задавали на следующих этапах производства.

В 1990-е годы развитие технологии VLSI (Very Large Scale Integration) позволило увеличить сложность подобных устройств.

VLSI, или СБИС — сверхбольшая интегральная схема, — характеризует высокую плотность размещения электронных компонентов на одном кристалле. Речь идёт не о физических размерах микросхемы, а о количестве размещённых внутри неё элементов.

Развитие технологии производства полевых транзисторов позволило размещать на одном кристалле всё больше компонентов. В результате специализированные решения стали использоваться для создания процессоров, компонентов игровых консолей, сетевого оборудования, телекоммуникационных систем и вычислительных ускорителей.

В 2000-е годы это направление тесно сблизилось с появлением SoC. На одном кристалле стало возможно объединять центральный и графический процессоры, DSP, память, контроллеры интерфейсов, радиомодули и другие функциональные блоки.

Такой подход оказался востребован в мобильной электронике. Один сложный кристалл заменял большое количество отдельных микросхем, уменьшив размеры устройства и энергопотребление.

Среди крупных разработчиков и производителей подобных решений выделим Qualcomm, Broadcom, Apple и Samsung Electronics.

В 2010-е годы уменьшение технологического процесса до 28, 14 и 7 нм привело к дальнейшему росту производительности и энергоэффективности. Специализированные вычислители начали активно использоваться в центрах обработки данных и для ускорения алгоритмов машинного обучения.

Отдельное направление — оборудование для майнинга криптовалют. Здесь важно понимать, что ASIC не означает «майнер». Сам термин описывает способ создания специализированной интегральной схемы, а оборудование для добычи криптовалют — вариант её применения.

В таком случае кристалл выполняет множество однотипных операций вычисления хэш-сумм. Задача хорошо подходит для аппаратной специализации: ненужные для конкретного алгоритма блоки исключаются, а вычислительные ресурсы направляются исключительно на требуемые операции.

Поэтому специализированные устройства смогли превзойти универсальные CPU и GPU по эффективности выполнения конкретных алгоритмов.

При этом область применения гораздо шире криптовалют. Подобные вычислители используются в сетевом оборудовании, накопителях данных, телекоммуникациях, автомобильной электронике, системах обработки сигналов и ускорителях искусственного интеллекта.

Разница между FPGA и ASIC показывает компромисс между гибкостью и эффективностью.

FPGA — перепрограммируемые после изготовления. Это удобно при разработке, прототипировании и выпуске относительно небольших партий. Специализированный кристалл затратнее в разработке, зато при массовом выпуске помогает снизить стоимость одного устройства и точнее оптимизировать его характеристики.

Поэтому ПЛИС часто используют для создания и проверки прототипа, а после отладки архитектуры выпускают специализированное решение.

Digital Signal Processor — специализированный процессор для цифровой обработки сигналов в реальном времени.

Основная задача DSP — быстро выполнять математические операции над непрерывным потоком данных. Это фильтрация, усреднение, кодирование, корреляция, преобразование Фурье, обработка аудио- и видеосигналов.

В отличие от универсального CPU, такой процессор оптимизирован именно под подобные вычисления. Его архитектура позволяет эффективно обрабатывать большие массивы данных с минимальной задержкой.

До появления цифровой обработки сигналы в основном обрабатывались аналоговыми схемами. В 1950-е — 1970-е годы использовались фильтры, операционные усилители, линии задержки и другие аналоговые узлы.

Такой подход имел ограничения. Характеристики компонентов зависели от температуры и других факторов, настройка сложных фильтров была трудоёмкой, а изменение алгоритма обработки зачастую требовало изменения самой схемы.

Развитие цифровой электроники позволило перенести обработку сигналов из аналоговой области в цифровую.

Первые цифровые методы появились ещё в 1960-е — 1970-е годы. Значительная часть разработок выполнялась для военной техники. Цифровой подход позволял реализовывать фильтрацию, преобразование Фурье и другие операции с гораздо большей гибкостью.

Однако вычислительной мощности тогда ещё было недостаточно для полноценной обработки данных в реальном времени.

В конце 1970-х — начале 1980-х появились первые специализированные процессоры такого типа. Одними из первых разработчиков были Bell Labs, NEC и Texas Instruments.

Настоящий прорыв произошёл в середине 1980-х с появлением семейства TMS320 компании Texas Instruments.

TMS320 использовали архитектурные решения, специально ориентированные на работу с сигналами. В частности, применялась гарвардская архитектура с раздельными областями памяти для кода и данных, а также аппаратное выполнение операции умножения с накоплением.

Такие вычисления являются основой многих алгоритмов цифровой обработки, поэтому подобная архитектура позволяла значительно повысить производительность.

Процессоры применялись в модемах, телекоммуникационном оборудовании, системах беспроводной связи, аудио- и видеотехнике. При этом некоторые модели были достаточно универсальными и могли использоваться даже в качестве центрального процессора.

С появлением TMS320 DSP окончательно сформировались как отдельный класс программируемых электронных компонентов.

В 1990-е годы получили распространение 16- и 32-битные модели. Для увеличения производительности применялись технологии VLIW и SIMD.

VLIW (Very Long Instruction Word) позволяет процессору выполнять несколько независимых операций параллельно. SIMD (Single Instruction, Multiple Data) обеспечивает одновременную обработку нескольких элементов данных одной инструкцией.

Одним из заметных семейств того периода стали DSP SHARC компании Analog Devices. Их архитектура была оптимизирована для сложных вычислений, включая быстрое преобразование Фурье и цифровую фильтрацию.

Такие решения стали широко использоваться в сотовой связи, медицинском оборудовании, промышленной автоматике и измерительной технике.

В 2000-е годы технология получила ещё большее распространение в мобильной и мультимедийной электронике.

Процессоры применялись для обработки аудио и видео, голосовых сигналов, а также данных с фотоматриц. В цифровых камерах они участвуют в сложной обработке изображения, включая преобразование исходных данных сенсора в готовый цифровой кадр.

В 2010-е годы DSP начали массово интегрироваться в SoC. Отдельная микросхема сигнального процессора во многих устройствах стала просто не нужна: её функции можно было разместить непосредственно внутри основного кристалла.

Это особенно заметно в смартфонах. Один SoC может одновременно обрабатывать данные от радиотракта, камеры, микрофонов и других источников, выполнять вычисления CPU и GPU и управлять периферией.

Так DSP постепенно превратился из самостоятельного компонента в функциональный блок внутри более сложных систем.

SoC (System-on-Chip) — это интегрированная система, в которой на одном кристалле объединены функциональные блоки, необходимые для решения сложной задачи.

В составе такой системы находятся:

Первые цифровые системы строились из множеств обособленных микросхем. По мере развития LSI и VLSI на одном кристалле удавалось объединять всё больше функциональных блоков.

В этом смысле ранние микроконтроллеры уже можно считать предшественниками SoC. В одном корпусе находились процессорное ядро, память, таймеры, интерфейсы и периферийные устройства.

Однако полноценные однокристальные системы появились позже, когда стало возможно объединять значительно более сложные блоки.

В 1990-е годы рост потребности в компактной и функциональной электронике привёл к созданию глубоко интегрированных решений для телекоммуникационного оборудования. Удачно для этого подходила архитектура ARM, сочетавшая производительность с низким энергопотреблением.

В 2000-е годы SoC стали основой мобильной электроники. В одном кристалле объединялись процессорные ядра, DSP, графические ускорители, контроллеры памяти, аппаратные кодеки и блоки обработки данных.

Среди известнейших производителей того времени — Qualcomm, Samsung Electronics, MediaTek и Texas Instruments.

Большую известность получили семейства Snapdragon, Exynos и OMAP.

В 2010-е годы такие системы стали стандартом для смартфонов и другой мобильной электроники. В их состав начали включать всё больше специализированных блоков.

Например, появились встроенные контроллеры оперативной памяти, аппаратные модули шифрования и ускорители алгоритмов машинного обучения.

Значительный вклад в развитие этого направления внесла компания Apple со своими SoC серии A. Их развитие хорошо показывает общую тенденцию отрасли: вместо нескольких отдельных микросхем всё больше функций переносится на один кристалл.

В дальнейшем процесс интеграции продолжился. В современных решениях одновременно работают несколько CPU-ядер, GPU, DSP, NPU и множество контроллеров.

В результате однокристальная система перестала быть просто «процессором со встроенной периферией». Сегодня это полноценная вычислительная платформа, в которой разные блоки выполняют разные типы задач.

CPU отвечает за универсальные вычисления, GPU занимается массовой параллельной обработкой, DSP работает с потоками сигналов, NPU ускоряет нейросетевые алгоритмы, а специализированные контроллеры отвечают за связь с внешними устройствами.

Такая специализация позволяет одновременно повышать производительность и снижать энергопотребление.

Чем меньше операций требуется выполнять универсальному процессору, тем больше задач передаётся специализированным блокам. В результате один современный кристалл способен выполнять работу, для которой раньше требовался целый набор отдельных компонентов.

При этом разработка подобных систем становится всё сложнее. Важно не только спроектировать отдельные блоки, но и наладить их совместную работу, обмен данными, синхронизацию и эффективное управление питанием.

Современные однокристальные системы уже настолько сложны, что практически представляют собой миниатюрные компьютеры на одном кристалле.

Поэтому они используются не только в смартфонах. Они встречаются в автомобилях, телевизорах, сетевом оборудовании, промышленных устройствах, камерах, робототехнике и других системах.

Для разработки и диагностики такой электроники требуется соответствующее измерительное оборудование. Осциллографы, мультиметры, источники питания и микроскопы позволяют контролировать сигналы, питание и состояние компонентов на плате. Подобное оборудование представлено в каталоге Суперайс.

А технические материалы о микроэлектронике, измерениях и ремонте электронных устройств вы найдёте в блоге Суперайс.