سیستم روی تراشه (SoC) چیست؟

با این همه صحبت در مورد تراشه‌های M1 اپل و گوشی‌های هوشمند این روزها، ممکن است در مورد طراحی‌های «سیستم روی تراشه» (SoC) استفاده شده در آن‌ها بشنوید. اما SoC چیست و چه تفاوتی با CPU و ریزپردازنده دارد؟ توضیح خواهیم داد.

سیستم روی یک تراشه: تعریف دم دستی

یک سیستم روی یک تراشه یک مدار مجتمع است که بسیاری از عناصر یک سیستم کامپیوتری را در یک تراشه واحد ترکیب می کند. یک SoC همیشه شامل یک CPU است، اما ممکن است شامل حافظه سیستم، کنترل‌کننده‌های جانبی (برای USB، ذخیره‌سازی) و تجهیزات جانبی پیشرفته‌تر مانند واحدهای پردازش گرافیکی (GPU)، مدارهای تخصصی شبکه عصبی، مودم‌های رادیویی (برای بلوتوث یا Wi- باشد). فی)، و بیشتر باشد.

یک سیستم مبتنی بر تراشه با یک رایانه شخصی سنتی با یک CPU و تراشه‌های کنترل‌کننده جداگانه، یک GPU و RAM در تضاد است که می‌توانند در صورت لزوم جایگزین، ارتقا یا تعویض شوند. استفاده از SoCها، کامپیوترها را کوچک‌تر، سریع‌تر، ارزان‌تر و کم مصرف‌تر می‌کند.

تاریخچه مختصری از ادغام الکترونیک

از اوایل قرن بیستم، پیشرفت الکترونیک یک مسیر قابل پیش بینی را در رابطه با دو گرایش اصلی دنبال کرده است: کوچک سازی و یکپارچه سازی. کوچک‌سازی باعث شده است که قطعات الکترونیکی منفرد مانند خازن‌ها، مقاومت‌ها و ترانزیستورها در طول زمان کوچک‌تر شوند. و با اختراع مدار مجتمع (IC) در سال 1958، ادغام چندین مؤلفه الکترونیکی را روی یک تکه سیلیکون ترکیب کرد و امکان کوچک‌سازی بیشتر را فراهم کرد.

همانطور که این کوچک سازی الکترونیک در قرن بیستم اتفاق افتاد، کامپیوترها نیز کوچکتر شدند. اولین کامپیوترهای دیجیتال از اجزای گسسته بزرگ مانند رله یا لوله های خلاء ساخته می شدند. بعداً از ترانزیستورهای گسسته و سپس گروهی از مدارهای مجتمع استفاده کردند. در سال 1972، اینتل عناصر یک واحد پردازش مرکزی کامپیوتر (CPU) را در یک مدار مجتمع ترکیب کرد و اولین ریزپردازنده تجاری تک تراشه متولد شد. با استفاده از ریزپردازنده، رایانه‌ها می‌توانند کوچک‌تر باشند و از انرژی کمتری نسبت به قبل استفاده کنند.

میکروکنترلر و سیستم، روی یک تراشه

در سال 1974، تگزاس اینسترومنتز اولین میکروکنترلر را منتشر کرد که نوعی ریزپردازنده با رم و دستگاه‌های ورودی/خروجی است که با یک CPU روی یک تراشه واحد ادغام شده‌اند. به جای نیاز به IC های جداگانه برای CPU، RAM، کنترلر حافظه، کنترل کننده سریال و موارد دیگر، همه اینها را می توان در یک تراشه واحد برای برنامه های کوچک جاسازی شده مانند ماشین حساب جیبی و اسباب بازی های الکترونیکی قرار داد.

در بیشتر دوران شخصی، استفاده از یک ریزپردازنده با تراشه‌های کنترل‌کننده جداگانه، رم و سخت‌افزار گرافیکی منجر به انعطاف‌پذیرترین و قدرتمندترین رایانه‌های شخصی شد. میکروکنترلرها معمولاً برای انجام کارهای محاسباتی عمومی بسیار محدود بودند، بنابراین روش سنتی استفاده از ریزپردازنده‌ها با تراشه‌های پشتیبانی گسسته باقی ماند.

اخیراً حرکت به سمت گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها، ادغام را حتی از ریزپردازنده‌ها یا میکروکنترلرها فراتر برده است. نتیجه سیستم روی یک تراشه است که می‌تواند بسیاری از عناصر یک سیستم کامپیوتری مدرن (GPU، مودم سلولی، شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی، کنترل‌کننده USB، رابط شبکه) را همراه با CPU و حافظه سیستم در یک بسته واحد قرار دهد. این یک گام دیگر در تداوم یکپارچه سازی و کوچک سازی الکترونیک است که احتمالاً در آینده ادامه خواهد داشت.

چرا از یک سیستم روی تراشه استفاده کنیم؟

قرار دادن عناصر بیشتر یک سیستم کامپیوتری بر روی یک تکه سیلیکون، نیاز به انرژی را کاهش می دهد، هزینه را کاهش می دهد، عملکرد را افزایش می دهد و اندازه فیزیکی را کاهش می دهد. همه اینها هنگام تلاش برای ایجاد تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌های قدرتمندتر که از عمر باتری کمتری استفاده می‌کنند، کمک چشمگیری می‌کند.

به عنوان مثال، اپل به ساخت دستگاه های محاسباتی توانمند و فشرده افتخار می کند. در 14 سال گذشته، اپل از SoC در خطوط آیفون و آیپد خود استفاده کرده است. در ابتدا، آنها از SoC های مبتنی بر ARM که توسط شرکت های دیگر طراحی شده بودند استفاده کردند. در سال 2010، اپل اولین SoC A4 را معرفی کرد که اولین SoC آیفون طراحی شده توسط اپل بود. از آن زمان، اپل با موفقیت زیادی روی تراشه های سری A خود تکرار کرده است. SoCها به آیفون‌ها کمک می‌کنند از انرژی کمتری استفاده کنند و در عین حال جمع و جور بمانند و همیشه توانایی بیشتری داشته باشند. سایر تولیدکنندگان گوشی های هوشمند نیز از SoC استفاده می کنند.

تا همین اواخر، SoC ها به ندرت در رایانه های رومیزی ظاهر می شدند. در سال 2020، اپل M1 را معرفی کرد، اولین SoC خود برای کامپیوترهای دسکتاپ و نوت بوک مک. M1 یک CPU، GPU، حافظه و موارد دیگر را روی یک تکه سیلیکون ترکیب می کند. در سال 2021، اپل M1 را با M1 Pro و M1 Max بهبود بخشید. هر سه این تراشه ها عملکرد چشمگیری را به Mac می دهند و در عین حال انرژی کمتری را نسبت به معماری ریزپردازنده گسسته سنتی که در اکثر رایانه های شخصی وجود دارد، مصرف می کنند.

Raspberry Pi 4، یک رایانه توسعه دهنده محبوب، همچنین از یک سیستم روی یک تراشه (یک Broadcom BCM2711) برای عملکردهای اصلی خود استفاده می‌کند که هزینه دستگاه را پایین نگه می‌دارد (حدود 35 دلار) و در عین حال انرژی زیادی را ارائه می‌دهد. آینده برای SoCها روشن است که سنت ادغام الکترونیک و کوچک سازی را که بیش از یک قرن پیش آغاز شده است ادامه می دهند. روز های هیجان انگیزی در پیش است!