Blokové schéma reprezentativního heterogenního SoC s aplikačním CPU clusterem, real-time jádrem, NPU/AI akcelerátorem a klíčovými I/O subsystémy.
System on Chip (SoC) je jediný integrovaný obvod, který na jednom křemíkovém čipu spojuje CPU, paměťové řadiče, I/O rozhraní a často také specializovaná výpočetní jádra. V návrhu embedded hardwaru je SoC architektonickým základem celého systému. Architektura procesoru, výběr periferií, energetická bilance, tepelná obálka a dlouhodobá dostupnost komponentu vycházejí z jednoho jediného rozhodnutí učiněného na začátku projektu.
Integrovaný obvod (IC) na desce plošných spojů.
Co SoC skutečně integruje
Právě integrace dělá ze SoC to, čím je. Co by tradičně tvořilo více samostatných komponentů, tedy CPU, paměťové řadiče, I/O rozhraní a specializovaná výpočetní jádra, je umístěno na jednom křemíkovém čipu. Signály mezi CPU a paměťovým řadičem necestují přes vodivou cestu na DPS, ale přes kovové propojení měřené v nanometrech. To má přímý dopad na energetickou efektivitu, integritu signálu a fyzické rozměry.
Typický SoC používaný v aplikacích Edge AI zahrnuje několik subsystémů:
CPU cluster
CPU cluster zajišťuje výpočty obecného účelu, včetně operačního systému, aplikační logiky a komunikačních zásobníků. Moderní průmyslové SoC obvykle používají víceprocesorové architektury ARM Cortex-A (Cortex-A53, A55, A72).
Real-time jádro
Samostatný procesor s nižší spotřebou (nejčastěji ARM Cortex-M nebo Cortex-R), který zpracovává časově kritické úlohy s deterministickou latencí. Například v sérii NXP i.MX RT obstarává Cortex-M7 řízení v reálném čase, zatímco jádro Cortex-A spravuje prostředí Linux. Jádra sdílejí paměť, ale fungují nezávisle, takže softwarová chyba na straně Linuxu nemůže způsobit pád real-time subsystému.
NPU (Neural Processing Unit)
NPU je specializovaný hardwarový akcelerátor navržený přímo pro běh inference neuronových sítí. NPU jsou dnes součástí většiny moderních SoC pro Edge AI. Jde o akcelerátory s pevnou funkcí optimalizované pro operace maticového násobení, které dominují inferencím neuronových sítí. Spuštění konvoluční neuronové sítě na NPU je typicky 10 až 50× energeticky efektivnější než spuštění stejného modelu na CPU. Zlepšení pramení ze specializované architektury NPU, která minimalizuje neefektivitu v přístupu do paměti, jež je vlastní procesorům obecného účelu.
Paměťové řadiče a I/O subsystémy
Tyto subsystémy integrují rozhraní pro LPDDR4/5 RAM, eMMC a SD úložiště, USB, PCIe, MIPI CSI (kamera), MIPI DSI (displej), Ethernet s časovým razítkováním IEEE 1588 a různé průmyslové sběrnicové protokoly. Přítomnost všech těchto rozhraní přímo na čipu eliminuje potřebu diskrétních bridge čipů, které přidávají náklady, plochu na DPS, spotřebu energie a potenciální místa selhání.
Anotovaná fotografie čipu nebo blokové schéma heterogenního SoC (ideálně Zynq nebo NXP i.MX série) s vyznačeným CPU clusterem, real-time jádrem, NPU a klíčovými I/O subsystémy.
Kompromisy, které při výběru SoC skutečně rozhodují
Porovnání datasheetu je ta snadná část. Náročnější je vyhodnotit kompromisy, které se projeví až při integraci.
Tepelný management
SoC spouštějící inference neuronové sítě nepřetržitě na plný výkon bude v pouzdře velikosti poštovní známky uvolňovat teplo o výkonu několika wattů. V uzavřeném průmyslovém krytu bez aktivního chlazení nemá toto teplo kam odvést, a prochází proto přes DPS do šasi. Tepelná simulace celého zařízení, nejen SoC v izolaci, musí proběhnout ještě před finalizací návrhu. Tato simulace patří do fáze architektury, před zahájením návrhu layoutu DPS.
Dlouhodobá dostupnost
Dlouhodobá dostupnost je zásadní omezení u průmyslových a medicínských projektů, kde mohou produkty zůstat ve výrobě 10 až 15 let. SoC orientované na spotřebitelský trh jsou často ukončeny nebo revidovány do 3 až 5 let. Série NXP i.MX 6 naproti tomu udržuje výrobu a podporu od roku 2011. To je kritické pro zákazníky, kteří si nemohou dovolit přepracování hardwaru uprostřed životního cyklu produktu. Ověření závazku výrobce k dlouhodobé dostupnosti je pro Consilia povinným krokem při výběru komponentů.
Vyspělost BSP (Board Support Package)
Vyspělost BSP určuje, jak rychle může softwarový tým uvést hardware do provozu. Dobře podporovaný SoC se stabilním Linux BSP a aktivními vrstvami Yocto/Buildroot dokáže výrazně zkrátit dobu uvedení do provozu. Špatně podporovaný SoC s kusou dokumentací a zastaralým portem jádra může pohltit týdny inženýrského času, které projekt nemá k dispozici.
Závěr
Výběr SoC je systémové rozhodnutí, nikoli rozhodnutí o komponentu. Správná volba závisí na kombinaci výpočetních požadavků (obecný účel vs. reálný čas vs. inference), na tepelné a energetické obálce, požadavku na životnost a dostupném softwarovém ekosystému. V Consilia probíhá toto vyhodnocení ještě před nakreslením prvního schématu, protože architektonická rozhodnutí přijatá v této fázi určují úspěch celé platformy.