System on Chip vs. Network on Chip: Was ist der Unterschied zwischen SoC und NoC?

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Was ist ein System on Chip?

Ein System on Chip (SoC) bezieht sich auf eine Designstrategie, die alle Teile des Systems auf einem einzigen Chip vereint, einschließlich CPU, Speicher, Peripheriegeräte und Kommunikationsschnittstellen. SoC zielt darauf ab, Größe, Kosten und Stromverbrauch des Systems zu verringern sowie die Geschwindigkeit und Effektivität der Datenübertragung zwischen den Teilen zu erhöhen. SoC wird häufig in Anwendungen wie Mobilgeräten, eingebetteten Systemen und Geräten des Internets der Dinge (IoT) eingesetzt, bei denen niedriger Stromverbrauch und hohe Leistung unabdingbar sind.

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System-on-Chip-Komponenten

Kernkomponenten: CPU, Speicher und Peripheriegeräte bilden die Kernkomponenten eines SoC. Die CPU des SoC dient als zentrale Verarbeitungseinheit und ist für die Ausführung von Befehlen zuständig. Daten und Anweisungen werden im Speicher gespeichert. Die Schnittstelle des SoC zur Außenwelt wird durch Peripheriegeräte wie Monitor, Tastatur und Netzwerkschnittstelle bereitgestellt.
Unterstützende Komponenten: Die unterstützenden Komponenten des SoC sind die Uhr, das Energiemanagement und die E/A-Controller. Das Taktsignal für das SoC wird von der Uhr bereitgestellt. Das Energiemanagement stellt sicher, dass das SoC nur das nutzt, was benötigt wird. E/A-Controller verbinden das SoC mit externer Hardware.
Software: Die Software eines SoC wird normalerweise in C oder C++ erstellt. Das Betriebssystem, die Treiber und die Anwendungsprogramme sind alle in der Software enthalten.

Was ist ein Network on Chip?

Ein Network on Chip (NoC) ist eine Designstrategie, die Systemteile als Knoten in einem Netzwerk betrachtet und sie mithilfe einer Kommunikationsinfrastruktur wie Routern, Switches und Verbindungen auf einem einzigen Chip zusammenführt. NoC verwendet eine modulare und hierarchische Architektur, um einige der Nachteile von SoC zu umgehen, darunter Kabelkomplexität, Bandbreitenengpässe und Skalierbarkeitsprobleme. Multiprozessorsysteme, maschinelles Lernen und Multimediaverarbeitung sind Beispiele für Anwendungen, die von der hohen Parallelität, Heterogenität und Rekonfigurierbarkeit von NoC profitieren.

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Network-on-Chip-Komponenten

Knoten: Die Prozessoren, der Speicher und die Peripheriegeräte bilden die Knoten eines NoC. Die Aufgabe, Anweisungen auszuführen, obliegt den Prozessoren. Daten und Anweisungen werden im Speicher gespeichert. Die externen Verbindungen des NoC werden durch Peripheriegeräte hergestellt.
Links: Die Verbindungen zwischen den Knoten bilden die Links eines NoC. Daten werden mithilfe der Links zwischen den Knoten übertragen.
Routing: Die Auswahl des Pfads, dem die Daten zwischen zwei Knoten folgen, ist der Routing-Prozess in einem NoC.

SoCs vs. NoCs

SoCs und NoCs sind zwei verschiedene Ansätze zum Entwerfen und Implementieren elektronischer Systeme. SoCs werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen Kosten, Größe und Energieeffizienz entscheidende Faktoren sind. NoCs werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Leistung, Skalierbarkeit und Flexibilität entscheidende Faktoren sind. Die wichtigsten Unterschiede zwischen SoCs und NoCs sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Funktion	SoC	NoC
Komponenten	Kernkomponenten, unterstützende Komponenten, Software	Knoten, Links, Routing
Architektur	Einzelchip	Netzwerk von Komponenten auf einem einzigen Chip
Vorteile	Energieeffizienz, Kosteneffizienz, geringe Größe	Skalierbarkeit, Leistung, Flexibilität
Nachteile	Begrenzte Skalierbarkeit, Leistung, Flexibilität	Komplexes Design, Routing-Overhead

Vorteile und Nachteile von SoC

Vorteile von SoC

Geringere Größe: Da SoCs nicht für jede Komponente einen eigenen Chip benötigen, sind sie wesentlich kleiner als herkömmliche elektronische Systeme. SoCs eignen sich daher perfekt für den Einsatz in kompakten Geräten wie Smartphones und Tablets.
Kosteneffizienz: Da SoCs weniger Komponenten benötigen als herkömmliche elektronische Systeme, sind sie auch weniger teuer. SoCs sind für Verbraucher mittlerweile erschwinglicher.
Geringere Stromaufnahme: Da SoCs nicht mit einzelnen Chips kommunizieren müssen, verbrauchen sie weniger Strom als herkömmliche elektronische Systeme. SoCs eignen sich daher ideal für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten.
Höhere Leistung: Da SoCs für einen bestimmten Zweck angepasst werden können, bieten sie häufig eine höhere Leistung als herkömmliche elektronische Systeme.
Höhere Anpassungsfähigkeit: SoCs können schnell geändert werden, um verschiedene Anwendungen zu unterstützen. SoCs eignen sich daher ideal für den Einsatz in ständig aktualisierten Produkten wie Smartphones und Tablets.

Nachteile von SoC

Höhere Entwicklungskosten: Die Entwicklung von SoCs ist teurer als die Entwicklung herkömmlicher elektronischer Systeme. Dies liegt daran, dass SoCs ein spezielles IC-Design und eine spezielle Halbleiterherstellung erfordern.
Geringere Flexibilität: Da SoCs für eine bestimmte Anwendung entwickelt werden, sind sie weniger vielseitig als herkömmliche elektronische Systeme. Aus diesem Grund kann die Aktualisierung von SoCs zur Anpassung an neue Funktionen oder Anwendungen eine Herausforderung darstellen.
Sicherheitsrisiken: SoCs können anfälliger für Sicherheitsrisiken sein als herkömmliche elektronische Systeme. Dies ist darauf zurückzuführen, dass SoCs eine größere Angriffsfläche bieten.

Weitere Informationen zu den Vor- und Nachteilen von SoC finden Sie unter System on Chip vs. System on Module: Die wichtigsten Unterschiede zwischen ihnen werden enthüllt.

Vorteile und Nachteile von NoC

Vorteile von NoC

Skalierbarkeit: Im Vergleich zu SoC kann NoC mehr Komponenten aufnehmen. Dies liegt daran, dass NoC eine verteilte Netzwerkarchitektur verwendet, die dem Systemdesign mehr Spielraum gibt. Die zentralisierte Architektur von SoC kann andererseits zu einem Engpass werden, wenn die Anzahl der Komponenten steigt.
Leistung: Durch die Verringerung von Latenz und Überlastung kann NoC SoC in Bezug auf die Leistung übertreffen. Die Zeit, die Daten benötigen, um von einer Komponente zur anderen zu gelangen, wird als Latenz bezeichnet. Wenn zwei oder mehr Komponenten gleichzeitig versuchen, dieselben Kommunikationsressourcen zu verwenden, wird dies als Konflikt bezeichnet. Durch die Verwendung eines kürzeren Routingpfads zwischen den Komponenten kann NoC die Latenz verringern. Durch den Einsatz einer effektiveren Routing-Methode kann die Konfliktsituation verringert werden.
Stromverbrauch: NoC hat einen geringeren Strombedarf als SoC. Dies liegt daran, dass NoC Methoden zur dynamischen Spannungs- und Frequenzskalierung (DVFS) und einen reduzierten Spannungssignalansatz verwendet. Wenn es nicht stark belastet ist, kann das NoC dank DVFS seine Spannung und Frequenz senken.
Zuverlässigkeit: NoC hat das Potenzial, zuverlässiger zu sein als SoC. Dies liegt daran, dass NoC Netzwerkprobleme bewältigen kann, da es fehlertolerante Methoden verwendet. Redundanz kann beispielsweise von NoC verwendet werden, um zu garantieren, dass keine Daten verloren gehen, wenn eine Verbindung oder ein Router ausfällt.

Nachteile von NoC

Designkomplexität: Das NoC-System erfordert die Integration einer Netzwerkarchitektur, eines Protokolls und einer Schnittstelle mit einer breiten Palette von Komponenten. Für Designer kann dies schwierig sein, da es viel Wissen und Abstraktion erfordert.
Testen und Debuggen: Da es schwierig sein kann, Netzwerkprobleme zu isolieren und zu identifizieren, ist NoC auch eine Herausforderung beim Testen und Beheben von Fehlern. Dies liegt daran, dass das Netzwerk weitläufig und komplex ist und es zahlreiche mögliche Fehlerursachen gibt.
Overhead: NoC verursacht einen gewissen Overhead in Bezug auf Latenz, Stromverbrauch und Fläche. Dies liegt daran, dass die Verwaltung und Infrastruktur des Netzwerks mehr Ressourcen erfordern. Dies kann sich auf die Gesamteffizienz und die Kosten des Systems auswirken.

Unterschied zwischen dem Design Flow von SoC und NoC

Der SoC-Design Flow unterscheidet sich erheblich vom NoC-Design Flow. In einem SoC spielen Hardware und Software eine entscheidende Rolle als Befehls- und Kontrollzentren für andere Teile wie DSP-Kerne, Mikroprozessoren und Mikrocontroller, die mit ihnen verbunden sind. Das Hauptziel des SoC besteht darin, den gleichzeitigen Betrieb der Hardware- und Softwareprogramme zu gewährleisten. Dazu verwendet das SoC häufig Softwaretreiber für Softwarekomponenten und Hardwareblöcke für Hardwarekomponenten. Sie verhalten sich ähnlich wie die im System vorhandenen Protokollstapel, damit das Gerät dies tun kann. Hier wird eine Softwareentwicklungsumgebung verwendet, um die Softwareaktivitäten zu modularisieren, und CAD-Tools werden verwendet, um die Hardware zu integrieren. Es gibt jedoch Zeiten, in denen die Verarbeitungskapazität dieser SoC negativ beeinflusst wird und ihr Potenzial infolgedessen zu bröckeln beginnt. Infolgedessen werden sie zu einem komplexen und ziemlich teuren System. Daher war NoC erforderlich, um solche Probleme auf kontrollierbare Weise zu handhaben. Die IP-Blöcke können Daten über eine gemeinsame Plattform kommunizieren, die als öffentlicher „Verkehr“ bezeichnet wird, wenn NoC-Operationen vorhanden sind. Dieser Chiptyp verwendet eine dicke Schicht gestapelter Chips für den Kommunikationsmodus des Kernsystems, um mit „Very Large Scale Integration“-Operationen zu arbeiten. Dies wird mithilfe der Punkt-zu-Punkt-Datenverbindung organisiert, die technisch mit den Routern verbunden ist, indem das Protokoll eingehalten und dann eine Routing-Option ausgewählt wird. Dieser Chip ähnelt stark dem, der in Telekommunikationsnetzwerken zur Durchführung digitaler Netzwerkaktivitäten verwendet wird.

Fazit zu SoC vs. NoC

SoCs und NoCs sind zwei verschiedene Ansätze zum Entwerfen und Implementieren elektronischer Systeme. SoCs werden typischerweise in Anwendungen verwendet, bei denen Energieeffizienz, Kosteneffizienz und geringe Größe wichtige Überlegungen sind. NoCs werden typischerweise in Anwendungen verwendet, bei denen hohe Leistung, Skalierbarkeit und Flexibilität wichtige Überlegungen sind. Beim heutigen Vergleich von NoC mit SoC ist NoC jedoch der Gewinner, da es sich als Konzept nahezu vollständig etabliert hat. Die Technologie, Vorteile und Anpassungsfähigkeit dieses Chips sind fantastisch, sie fördern die „Servicequalität“ erheblich und haben das Potenzial von System-On-Chips wiederbelebt. Die Entwicklung dieses Chips in einer revolutionären Form und die Transformation von Systemanwendungen sind das Ergebnis umfangreicher Forschung. Das Erste, was in der aktuellen Situation beobachtet werden kann, ist, dass der Benutzer nur ein Minimum an Übung benötigt, um ihn in einer besseren Form zu bedienen, aber das Qualitätsniveau, das dieser Chip bietet, ist absolut erstaunlich. Bis heute wurden zahlreiche NoCs entwickelt, die den etablierten Protokollen entsprechen, aber nur sehr wenige davon waren siliziumbasiert. Daher wird erwartet, dass NoC in naher Zukunft eine breite Palette von Anwendungen mit erfolgreichen Implementierungen haben wird.