System-on-a-Chip

Ein System-on-a-Chip, auch System-on-Chip (SoC, dt. Ein-Chip-System), ist ein integrierter Schaltkreis (IC), in welchem eine Vielzahl von Funktionen eines programmierbaren elektronischen Systems realisiert ist. Als System wird dabei eine Kombination unterschiedlicher Elemente (logische Schaltungen, Taktgebung, selbständiges Anlaufen, mikrotechnische Sensoren usw.) aufgefasst, die zusammen eine bestimmte Funktionalität bereitstellen, beispielsweise einen Beschleunigungssensor samt Auswertungselektronik. Im Gegensatz zu einem elektronischen Schaltkreis auf einer Leiterplatte sind bei einem SoC alle Funktionen direkt auf dem Die, also dem Halbleiter-Substrat integriert, was auch monolithische Integration genannt wird. Aufgrund der häufigen Nutzung von Silizium als Substratmaterial spricht man auch von System-on-Silicon (SoS). Ursprünglich wurden SoCs vorrangig in eingebetteten Systemen eingesetzt, finden sich inzwischen aber in fast allen Geräteklassen, vom Smartphone bis zum Desktop-Computer.

Während Systeme anfänglich aus einem Mikroprozessor- oder Mikrocontroller-IC und vielen anderen ICs für spezielle Funktionen bestanden, die auf einer Platine aufgelötet waren, lässt die heute mögliche Integrationsdichte zu, nahezu alle Funktionen auf einem einzigen IC zu vereinigen. Dabei werden digitale, analoge und Mixed-Signal-Funktionseinheiten integriert. Vorteile sind vor allem Kosteneinsparung, geringerer Energieverbrauch beziehungsweise Verlustleistung und umfassende Miniaturisierung. So ist heute beispielsweise bei Mobiltelefonen die digitale Funktion, gegebenenfalls mit Ausnahme des Speichers, auf einem IC realisiert. Auch die Schnittstellen beispielsweise zur Tastatur, zur SIM-Karte oder zum Display sind bereits auf diesem IC enthalten.

Eine ähnliche Technik, um hohe Integrationsdichten auch von Bauelementen von stark unterschiedlicher Technik zu erreichen, ist das sogenannte System-in-Package (SiP). Dabei werden mehrere Chips (z. B. CPU und RAM) in einem Gehäuse zusammengefasst. Durch die weitere Hinzunahme von Peripheriebausteinen entstehen Leiterplatten mit komplexen Funktionen, die System on Module genannt werden.

Einsatzgebiet

Eingesetzt werden SoCs unter anderem in mobilen Geräten wie Smartphones, Tablet-Computer, sonstige Gadgets und Datenerfassungsgeräte, ebenso in der Steuerungs- und Automatisierungstechnik (z. B. Waschmaschine, Automobilelektronik, Industrieautomation) sowie in zahlreichen modernen Geräten der Unterhaltungselektronik. Meist sind viele verschiedene Schnittstellen zu bedienen (Sensoren, Aktoren, Netzwerke, Tasten, Anzeigen) und die Stückzahlen sind groß. Die Integration der Funktionen, die zuvor auf mehrere Bauelemente oder gar mehrere Leiterplatten verteilt waren, kann auch die Ausfall- und die Funktionale Sicherheit erhöhen, insbesondere wenn vielfältige Maßnahmen zur Fehleraufdeckung integriert sind, die mit diskreten Bauteilen nicht marktfähig zu realisieren wären. Für Anwendungen, die weniger große Stückzahlen generieren, wie in medizintechnischen Geräten oder der Avionik, werden selten speziell angepasste SoCs eingesetzt, sondern bleiben oft viele der integrierten Module ungenutzt.

Entwurfsvorgang

SoCs werden heute zumeist nicht völlig neu entwickelt, sondern die Entwürfe basieren – zumindest in Teilen – auf vorhandenen oder erworbenen Komponenten, sogenannten IP-Kernen. Dies sind beispielsweise Makros für vollständige CPU-Kerne, oder Koprozessoren – etwa als Hardwarebeschleuniger für Verschlüsselungs- oder Grafikberechnungen. Ebenso sind dies Peripherieblöcke zur Implementierung von Speicher-, Ethernet-, Bluetooth- oder sonstigen Schnittstellen, oder auch komplette Speichereinheiten inklusive deren Verwaltung.

Viele Standardkomponenten sind bei EDA-Werkzeugen der Chip-Hersteller in proprietärer Form kostenlos enthalten. Andere Komponenten können vom Chip-Hersteller oder anderen IP-Lieferanten wie z. B. ARM,

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