시스템 온 칩

단일 칩 시스템 (System-on-a-chip 또는 System on chip, SOC, SoC)은 하나의 집적회로에 집적된 컴퓨터나 전자 시스템 부품을 가리킨다. 디지털 신호, 아날로그 신호, 혼성 신호와 RF 기능등이 단일 칩에 구현되어 있다. 일반적으로 임베디드 시스템 영역에 주로 사용된다.

특정 응용에서 단일 칩 시스템을 구현할 수 없을 경우, 단일 패키지에 여러 칩을 구성한 단일패키지 시스템 (SIP)을 사용할 수 있다. 단일 칩 시스템은 단일면적에 제조되는 소자수가 많아지고 패키지가 단순해지기 때문에 생산비용이 크게 감소되는 것으로 신뢰성을 얻는다.

2008년 6월 2일 엔비디아는 공식적으로 방송용 기능이 탑재된 단일 칩 시스템, 엔비디아 테그라 제품군을 발표했다.

구성

마이크로컨트롤러기반 단일 칩 시스템

일반적인 단일 칩 시스템의 구성:

• 1개 이상의 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서나 디지털 신호 처리기 코어를 포함한다.
• 롬, 램, 이이피롬과 플래시 메모리 중 일부가 포함된 메모리 블록이 있다.
• 진동자와 위상 고정 루프를 포함한 타이밍 발생기가 있다.
• 카운터-타이머, 실시간 타이머와 전원 초기화 발생기를 포함한 주변장치가 있다.
• 범용 직렬 버스, 파이어와이어, 이더넷, 범용 비동기 송수신, 직렬 주변장치 인터페이스 버스같은 산업표준 외부 인터페이스가 있다.
• 아날로그-디지털 변환회로와 디지털-아날로그 변환회로가 내장된 아날로그 인터페이스가 있다.
• 전압 레귤레이터와 전원 관리 회로를 포함하고 있다.

이런 블록들은 지적재산 버스나 ARM 유한회사가 개발한 AMBA 버스같은 산업표준 버스로 연결된다. 직접 메모리 접근 제어기는 데이터가 프로세서 코어를 거치지 않고 외부 인터페이스와 메모리 사이에 직접 연결하는 것을 가능하게 해서, 단일 칩 시스템의 데이터 처리속도를 증가시킨다.

애플리케이션 프로세서

스마트폰, 태블릿PC에서 명령해석, 연산, 제어 등 사람의 두뇌 역할을 하는 핵심 부품(반도체)이다. 명령해석, 연산, 제어 등을 하면서 PC나 컴퓨터와 달리 CPU(중앙처리장치)라고 부르지 않는 이유는, CPU의 기능 외에도 GPU(그래픽프로세서)와 설계에 따라 통신 칩(3G, 블루투스, Wi-Fi 등)과 USB와 같은 부가기능까지 하나의 칩에 포합시켜 놓는 칩셋의 형태로 구성되었기 때문이다. 칩셋은, SOC(System on Chip)이라고도 불리며, CPU와 GPU등 칩 하나에 여러 기능을 집적시켜 모든 애플리케이션 구동과 시스템장치, 여러 인터페이스 장치 등을 제어하고 관장하는 장치로, 부피를 줄이고(기존의 컴퓨터에 사용되는 칩 보다), 전력소모를 최소화 할 수 있게 되어 한손에 들고 다닐 수 있는 초소형의 컴퓨터(즉 스마트폰아나 태블릿)를 만들 수 있게 되었다고 한다.

종류

회사	이름	사진	설명	모델 예	예에 제시된 모델 탑재된 스마트폰
퀄컴	스냅드래곤 (Snapdragon)		퀄컴사가 개발한 제품으로서 저전력에 준수한 성능을 내는 ap이다. 일체형 칩으로써 점유율 1위이다.	스냅드래곤 600,스냅드래곤 800,스냅드래곤 801,스냅드래곤 820	넥서스5
엔비디아	테그라 (Tegra)		엔비디아에서 개발한 모델이다	테그라 K1	엔비디아 쉴드태블릿
인텔	인텔 아톰 프로세서 (Intel Atom)		인텔에서 개발하는 x86기반의 프로세서로서 인텔 저전력기술과 하이퍼스레딩이 기본적으로 포함된다	Intel Atom Z2760	모토로라 레이저 i
프리스케일 세미컨덕터	i.MX		프리스케일에서 개발한 제품으로서 자동차에 많이 쓰이는 제품을 생산하나 스마트 디바이스용 AP도 생산한다.	i.MX 6	샤프 넷워커
LG전자	뉴클런 (NUCLUN)	파일:Http://cfile8.uf.tistory.com image 213EAD375450F5D712E58C.jpg	LG에서 개발한 제품으로 탑재된 기종은 많지 않다. 현재 자사 제품에만 탑재했으며 현재로써는 실험적인 AP이다.	LG NUCLUN	LG G3 스크린
삼성전자	엑시노스 (Exynos)		삼성전자에서 개발한 제품으로서 삼성전자의 자사제품에 주로 쓰인다.	엑시노스 7420,엑시노스 8890	삼성 갤럭시 S6 삼성 갤럭시 S6 엣지
화웨이	하이 실리콘 (Hi Silicon)		화웨이에서 개발한 제품으로서 화웨이의 일부모델에서만 시범적으로 사용되고 점차 사용이 확대되는 AP이다.	하이실리콘 K3V3	화웨이 어센드 메이트
텍사스 인스트루먼트	OMAP (Open Multimedia Application Platform)		텍사스 인스트루먼트(TI)가 생산하는 제품으로서 현재는 판매 부진으로 인한 사업 철수로 생산을 중단하였다.	OMAP 4460	삼성 갤럭시 넥서스
애플	A 시리즈		애플에서 개발한 제품으로서 애플의 자사제품에만 사용한다. 애플이 설계하고 삼성, TSMC가 생산했다.	애플 A8,애플 A9	아이패드 에어 2(A8X) 아이폰 6/아이폰 6 플러스

설계 흐름

단일 칩 시스템 설계 흐름

단일 칩 시스템은 위에서 기술한 하드웨어와 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 디지털 신호 처리기 코어, 주변장치와 인터페이스를 제어하는 소프트웨어로 구성된다. 설계 흐름은 단일 칩 시스템용 하드웨어와 소프트웨어를 동시에 개발하는 것을 보여준다.

대부분의 단일 칩 시스템은 위에서 기술한 하드웨어 구성이 사전에 검증된 하드웨어 블록을 서로 연결하고, 동작을 제어하는 소프트웨어 드라이버를 추가하여 개발된다. 가장 중요한 것은 범용 직렬 버스처럼 산업표준 인터페이스를 제어하는 프로토콜 스택이다. 하드웨어 블록은 컴퓨터 지원 설계 도구를 사용하여 서로 붙인다. 소프트웨어 모듈은 소프트웨어 개발 환경을 사용하여 집적시킨다.

설계 흐름의 핵심 단계는 에뮬레이션이다. 하드웨어는 단일 칩 시스템의 동작을 흉내내는 현장 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA)기반 에뮬레이션 플랫폼에 연결되고, 소프트웨어 모듈은 에뮬레이션 플랫폼의 메모리에 기록된다. 한번 프로그램되면, 에뮬레이션 플랫폼은 단일 칩 시스템의 하드웨어와 소프트웨어를 실제 동작속도에서 테스트하고 디버그하는 것이 가능하다.

단일 칩 시스템 흐름은 하드웨어를 에뮬레이션한 후에 제조하기 이전에 집적회로 설계의 배치 및 배선 단계를 거친다.

반도체 칩은 외주로 생산하기 이전에 논리적 정확성을 검증한다. 검증공정은 ASIC 검증이라고 불린다. 베릴로그와 VHDL은 검증에 사용되는 일반적인 하드웨어 기술 언어이다. 반도체 칩의 다양성이 증가하면서, 시스템베릴로그, 시스템C, e와 오픈베라같은 하드웨어 기술 언어가 사용되기도 한다. 검증 단계에서 발견된 버그는 설계자에게 보고된다.

제조

단일 칩 시스템은 다음 기술에 의하여 제조될 수 있다.

• 표준셀
• FPGA

장단점

단일 칩 시스템 설계는 일반적으로 멀티칩 시스템보다 소비전력이 적고 생산단가가 저렴하며 높은 신뢰성을 갖는다. 또한 여러 패키지를 사용하는 시스템보다 조립비용이 크게 감소한다. 따라서 기존 시스템을 대체함으로써 얻게 되는 이익이 많다.

그러나, 대부분의 VLSI 설계에서는 동일한 기능을 지닌 다수의 칩보다 단일 칩이 더 비싸다. 왜냐하면 소자 테스트 비용과 초기 개발비가 비싸기 때문이다.

같이 보기

• 단일칩 시스템 공급사의 목록
• 주문형 반도체 (ASIC)
• 마이크로컨트롤러
• 전자설계 자동화

바깥 고리

• (영어) 단일 칩 시스템 기사
• (영어) MIPS 아키텍처 기반 단일 칩 시스템
• (영어) 프론티어 학회지
• (영어) “임베디드 프로세서와 단일 칩 시스템 퀵 가이드”. 2013년 1월 3일에 원본 문서에서 보존된 문서. 
• (영어) 단일 칩 시스템
• (영어) 하이브리드 CPU/FPGA 부품을 사용하여 하이브리드스레드 프로그램할 수 있게 설계된 반-커스텀 멀티프로세서 단일 칩 시스템
• (영어) 하이브리드 CPU/FPGA 부품을 사용한 단일 칩 시스템
• (영어) 단일 칩 시스템 암 인사이드
• (영어) SOCC 연례 IEEE 국제 단일 칩 시스템 회의