Процессоры SOC в телевизорах
Что такое SoC?
System on Chip - система на чипе или система на кристалле - System on Crystal, это вариант исполнения чипа, когда на одном кристалле размещены ядра или система ядер для CPU и GPU (Центрального и Графического процессоров), а так же видеопроцессор и контроллеры ввода-вывода информации, необходимые для работы с памятью и периферийными устройствами.
Так же в SoC может быть встроена оперативная память DRAM (DDR1/2/3/4) в целях более быстрого доступа к ней.
Микросхемы постоянной памяти для хранения программного обеспечения - eMMC, либо Nand Flash, либо SPI Flash размещают на плате в непосредственной близости к SoC, так же может быть использована дополнительна внешняя память SPI Flash для загрузки системы (boot) и EEPROM для запоминания оперативных и сервисных настроек.
В первых телевизорах LCD для масштабирования изображения применялись отдельные внешние чипы - скалеры, которые могли иметь контроллеры для работы с внешней оперативной памятью для запоминания кадра. Но в последствии производители процессоров их начали интегрировать в SoC, так же и аналоговые узлы для работы с тюнером и внешними входами теперь всё размещают на общем чипе вместе с узлами управления. То есть, внешнего видеопроцессора теперь на плате телевизора не ищите, он внутри SoC.
Прогресс интегрирования элементов управления и контроллеров в SoC стал наиболее актуален с появлением Smart TV по мере эволюции техпроцесса на основе современных нанотехнологий от сотен до нескольих десятков, а теперь уже и единиц нанометров (nm).
Лидеры среди современных производителей SoC - Mstar, MediaTek, RealTek с начала нынешнего века с каждым годом выпускали всё более новые и совершенные чипы SoC для телевизоров, мониторов, планшетов, и других устройств.
Уменьшение техпроцесса и понижение питания ядра способсвуют уменьшению нагрева чипа, что так же благотворно сказывается на возможностях разместить больше элементов на меньшей площади кристалла.
Так же с началом массового использования многоядерности возможности процесоров в решении одновременно нескольких задач существенно возросли, что особенно актуально для телевизоров Smart с современными операционными системами и поддержкой работы с нейросетью и возможностями Искусственного Интеллекта.
Немного истории.
Пожалуй, одним из первых, наиболее известных проиводителей в середине нулевых годов была компания Mstar, тогда было выпущенно огромное количество телевизоров на основе 32-битных SoC от Mstar, таких как TSUMV26, TSUMV29, TSUMV59, позже не менее популярные MST6E181, MST6E182, ещё позже, пожалуй самые популярные MSD3663.
Это всё одноядерные чипы без возможностей Smart, но полноценные SoC даже с оперативной памятью внутри чипа. На плате ещё только SPI Flash, тюнер и УНЧ, что для бюджетных телевизоров HD и FHD того времени было оптимальным набором.
Для ремонтников тогда было время прошивок SPI Flash, обычно от 0.5 до 8 Мегабайт (25Q40 - 25Q64) и целая эпоха для программаторов, типа CH341A.
Позже настало время первых, ещё "сырых" и "медленных" телевизоров Smart и прошивок памяти Nand Flash (обычно объём до 1 Гигабайта), мастеров тогда спасал китайский программатор RT809H, он умел прошивать Nand.
Легендарная Mstar к тому времени была куплена компанией MediaTek и впоследствии потеряла популярность в кругах ремонтников.
На смену Nand Flash пришла память eMMC, обладая определённым преимуществом - встроенным контроллером ввода-вывода внутри eMMC, который отслеживает ещё и состояние секторов, своевременно скрывая bad-блоки. Но особой надёжностью они так же не отличаются, как и микросхемы формата Nand Flash, SPI Flash.
Вот так постепенно и пришли к современым многоядерным 64-битным SOC на основе стандартных, обычно четырёх ядер CPU архитектуры ARM в составе с графическими процессорами GPU на основе двух, трёх или четырёх ядер ARM MALI-архитектуры.
Память для хранения прошивки по прежнему внешняя, теперь только формат eMMC, обычно 4-16GB расположена рядом с SoC. И оперативная, часто внешняя DDR4, так же в непосредственной близости от SoC.
Бывают современные SoC и с внутренней (встроенной) оперативной памятью DDR4 или DDR5, это улучшает возможности SoC, но увеличивает нагрев чипа.
В заключении отметим, что эволюция нанотехпроцесса в определённой степени способствовала и прогрессу памяти, увеличению её объёма от нескольких килобайт низкочастотной EEPROM, которых хватало для телевизоров с кинескопом и первых простых LCD, где не требовалось даже запоминания кадра. До современных высокоскоростных eMMC, способных хранить десятки Гигабайт информации.
Увеличение частоты, уменьшение питания, уменьшение техпроцесса так же сказались на объёмах и возможностях оперативной памяти. Существенный фактор - частота.
Например,
DDR1 - 2000–2008 г, питание 2.5V, частота 200-400 MHz, техпроцесс 130–90 nm,
DDR2 - 2005–2015 г, питание 1.8V, частота 0.4 - 1 GHz, техпроцесс 80–60 nm,
DDR3 - 2010–2020 г, питание 1.5V, частота 0.8 - 2 GHz, техпроцесс 50–30 nm,
DDR4 - 2015–2025 г, питание 1.2V, частота 1.6 - 3 GHz, техпроцесс 20–14 nm,
DDR5 - 2024–2025 г, питание 1.1V, частота 3 - 6 GHz, техпроцесс 14–10 nm, в настоящее время использоваться может лишь в телевизорах 8K.
Современные популярные Smart TV используют DDR4. Либо LPDDR4/LPDDR5 c менее жёсткими требованиями по параметрам.
Частота и питание ядер SoC так же эволюционировали. Частота увеличивалась от 150 MHz в первых SoC в середине нулевых годов до 2-3 GHz и более в наши дни.
Питание ядер соответственно уменьшалось поэтапно от 1.8V до 0.85V.
Популярные значения после 1.8V - 1.2V, 1.15V, 1.1V, 1.0V, 0.95V, 0.9V.
Значимое снижение питания ядер CPU c 1.8V до 1.2V происходило примерно в 2006-2007 годах.
Спасибо за внимание!