[SoC 구조 및 설계] 03 - 아키텍처 및 시스템 Interconnect

1. SoC의 개념과 문제점

1.1 SoC(System on Chip)란?

• 하나의 칩(Chip) 안에 여러 개의 기능 블록(모듈, IP)을 집적한 반도체 설계 방식
• CPU, GPU, 메모리, I/O, 인터페이스 등이 포함됨
• 예) 스마트폰의 프로세서 (아이폰 SoC 등)

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1.2 모듈(IP) 구성 요소

• CPU: 중앙처리장치
• DSP: 디지털 신호 처리
• GPU: 그래픽 처리 장치
• 메모리: SRAM, DRAM, Flash
• 인터페이스: I/O, USB, PCIe 등

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1.3 장단점

• 장점
  • 소형화: 여러 기능을 하나의 칩에 집적하여 크기를 줄일 수 있음
  • 고성능: 개별 칩보다 통합 칩이 최적화된 성능 제공
  • 전력 효율성: 내부 데이터 전송 최적화로 전력 소모 감소
  • 비용 절감: 개별 부품을 조합하는 것보다 제작 단가가 낮아질 가능성 있음
• 단점
  • 복잡성 증가: 여러 기능을 하나의 칩에 집적하면서 설계와 검증 과정이 어려움
  • 설계 및 제조 비용 증가: 초기 개발비용이 높고, 불량 발생 시 전체 칩을 폐기해야 함
  • 수정 어려움: 특정 기능을 변경하려면 전체 칩을 다시 설계해야 하는 부담 존재

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1.4 설계 성공을 위한 주요 고려사항

• Time to Market (시장 출시 시간): 얼마나 빠르게 SoC를 개발하여 시장에 출시할 수 있는가?
• 성능, 면적, 전력 소모: 최적의 성능을 유지하면서 칩의 크기와 전력 소모를 줄이는 방법
• 칩의 복잡성 관리: 다양한 모듈을 효율적으로 연결하는 시스템 아키텍처 필요

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2. SoC 아키텍처와 시스템 상호접속

2.1 SoC 구조의 블록 다이어그램

• CPU, 메모리, 인터페이스, 주변장치(IP 블록) 등이 상호 연결되어 구성됨
• 효율적인 데이터 전송을 위해 시스템 인터커넥트가 필요함

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2.2 시스템 인터커넥트의 종류

1. 버스(Bus) 기반 인터커넥트
   • AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture): ARM에서 개발한 표준 버스 아키텍처
   • APB (Advanced Peripheral Bus): 저속 주변장치와 연결하는 버스
   • 버스 인터페이스: 데이터 전송을 조율하는 컨트롤러
2. 네트워크 온 칩 (Network-on-Chip, NoC)
   • 기존 컴퓨터 네트워크 개념을 칩 내부에 적용한 구조
   • 많은 수의 IP 모듈이 병렬적으로 통신 가능
   • 장점: 확장성이 뛰어나고 높은 데이터 대역폭 제공
   • 단점: 설계가 복잡하고, 면적과 전력 소모 증가
3. Bus SoC vs. NoC SoC
   • Bus SoC: 단순한 설계로 구현이 쉬우나, 대규모 IP 연결에는 병목 현상 발생
   • NoC SoC: 대규모 IP 연결 시 높은 성능 제공하지만 설계 복잡도와 비용 증가

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2.3 SoC 아키텍처 설계를 위한 주요 요소

• 성능 최적화: 데이터 전송 경로의 효율성
• 전력 소모 감소: 저전력 설계를 위한 기술 적용
• 칩 면적 최소화: 불필요한 회로를 줄이고 효율적인 배치 적용

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3. IoT 엔드노드용 SoC

1. 개요
   • 저전력, 저비용, 소형화된 SoC 필요
   • Low-End Performance 시장: 단순 센싱 및 데이터 전송이 주목적
2. Embedded 시스템
   • 특정 기능을 수행하도록 최적화된 SoC 설계
   • 예) 스마트 홈 기기, 웨어러블 디바이스
3. 엣지 컴퓨팅 (Edge Computing)
   • 클라우드 서버에 의존하지 않고, IoT 디바이스 자체에서 데이터 처리 수행
   • 실시간 반응성이 중요한 애플리케이션에 적합

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4. 요약

• SoC의 개념과 문제점 : SoC는 여러 기능을 하나의 칩에 집적하는 기술로, 크기와 전력 효율성을 높이지만 설계 복잡성이 증가
• SoC 아키텍처와 시스템 인터커넥트 : Bus 방식과 NoC 방식의 차이를 이해하고, 각 방식의 장단점을 분석
• IoT 엔드노드용 SoC : 저전력, 소형화된 SoC가 필요하며, 엣지 컴퓨팅과 같은 최신 기술이 적용됨