Yleiskatsaus järjestelmäpiireihin

Abstract

Tämän kandidaatintyön tarkoitus on tutustua järjestelmäpiirien rakenteeseen. Lisäksi työssä käydään läpi järjestelmäpiirien etuja ja haasteita muihin järjestelmämuotoihin nähden ja pohditaan niiden tulevaisuuden näkymiä. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena.

Järjestelmäpiirit (engl. System On a Chip, SoC) ovat joko kokonaisen tai osittaisen järjestelmän sisältäviä mikropiirejä. Niille integroitujen transistorien määrä voi olla miljardeja, eikä virheitä voi valmistuksen jälkeen enää korjata, joten suunnittelu on tarkkaa ja aikaa vievää työtä. Tämän vuoksi järjestelmäpiirejä kootaan yleensä valmiista, ennalta varmennetuista virtuaalisista komponenteista: IP-lohkoista (engl. Intellectual Property) ja alijärjestelmistä. Lohkot ovat itsenäisiä kokonaisuuksia, esimerkiksi muistilohkoja tai prosessoriytimiä. Alijärjestelmät ovat suurempia kokonaisuuksia, jotka koostuvat IP-lohkoista. Näiden lisäksi järjestelmäpiirit sisältävät erilaisia tiedonsiirtojärjestelmiä, kuten väyliä, ristikytkimiä (engl. crossbar) ja sirun sisäisiä tietoverkkoja. Laitteiston lisäksi järjestelmäpiirit sisältävät käyttöjärjestelmän.

Järjestelmäpiirit ovat pienempiä kuin vastaavat yhden kotelon monisirujärjestelmät (engl. System In a Package, SiP) ja piirilevylle kootut järjestelmät (engl. System On a Board, SoB). Pienen kokonsa vuoksi ne kuluttavat vähemmän sähköä, niiden valmistukseen kuluu vähemmän materiaalia ja se on yksinkertaisempaa ja halvempaa. Järjestelmäpiirien selkein huono puoli on se, ettei valmista sirua voi enää muokata, vaan esimerkiksi alijärjestelmän vaihtaminen toiseen vaatisi pitkän ja kalliin suunnittelutyön ja uuden sirun valmistuksen. Vastaavasti SiP- ja SoB-järjestelmissä se voi onnistua nopeammin, koska alijärjestelmä on voitu toteuttaa erilliselle sirulle.

Mikropiirien monimutkaistaminen on vaikeaa. Transistorien koko alkaa olla niin pieni kuin mahdollista, eikä sirun kasvattaminenkaan ole järkevää, koska valmistusvirheiden määrä kasvaa ja isompi osa piikiekosta menee hukkaan. Piireistä voidaan saada monimutkaisempia uusilla innovaatioilla, mutta monet valmistajat ovat siirtyneet suunnittelemaan SiP-järjestelmiä järjestelmäpiirien sijaan.