فرادرسسیستم روی چیپ چیست؟ — مفهوم SoC به زبان ساده
آیا تمام دستگاه‌هایی که در جهان امروز از آن‌ها بهره می‌بریم به خودی خود اطلاعات را پردازش می‌کنند؟ بیشتر مردم به مغزهایی که دستگاه‌ها را به حیات می‌آورند، توجه چندانی نشان نمی‌دهند. نیروی محرک بیشتر دستگاه‌هایی مورد استفاده ما توسط یک سیستم روی چیپ یا SoC تامین می‌شود. این چیپ‌های کوچک و کم مصرف، نیروی محرکه بیشتر دستگاه‌های موبایلی که امروزه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، از تلفن‌های همراه تا تبلت‌ها هستند. در این مقاله به بررسی کارکرد و اجزای مختلف این سیستم‌های روی چیپ می‌پردازیم.
سیستم روی چیپ چیست؟
همان‌طور که پیش‌تر اشاره داشتیم، اصطلاح SoC مخفف سیستم روی چیپ یا همان System on a Chip است. علت نام‌گذاری به این موضوع ارتباط دارد که SoCها شامل چندین قطعه حیاتی پردازشی می‌شوند که همه در یک چیپ تجمیع شده‌اند. سیستم‌های روی چیپ به دلیل ابعاد کوچک و بازدهی بالا در مصرف انرژی، عمدتا در دستگاه‌های موبایل به کار می‌روند.
از سال 1970 میلادی، چندین شرکت سازنده تلاش کردند تا گستره وسیع‌تری از قطعات را در یک چیپ جای دهند و از این طریق توان پردازشی خود را ارتقا دهند. شرکت اینتل (Intel) با ساخت اولین سیستم روی چیپ واقعی در سال 1974، موفق به ارتقای یکی از محصولات خود به نام ساعت دیجیتال Microma شد. این شرکت توانست کارکردهای زمان‌بندی و ترانزیستورهای درایور ال‌سی‌دی (LCD) را در یک چیپ تلفیق کند.
تکنولوژی سیستم روی چیپ، پیشرفت‌های بسیاری در دهه‌های 80 و 90 میلادی داشت. کامپیوترهای شخصی در دهه 80 میلادی محبوبیت پیدا کردند و این دستگاه‌ها نیازمند قوت‌گیری از چیپ‌های کوچک‌تر بودند. در دهه 90 میلادی، تلفن‌های همراه از SoC استفاده می‌کردند. این روال تا به امروزه ادامه یافته و حالا تلفن‌های همراه هوشمند و تبلت‌ها نیز از چیپست بهره می‌برند.
مطالب پیشنهادی برای مطالعه:
- سی‌پی‌یو (CPU) چیست و چکار می کند؟
- رم چیست؟
- چیپ (Chip) چیست ؟ — آشنایی با تراشه الکترونیکی | به زبان ساده
- microprocessor چیست ؟ — همه دانستنی ها در مورد ریزپردازنده — به زبان ساده
- آموزش اورکلاک رم کامپیوتر — به زبان ساده
اجزای داخلی سیستم روی چیپ
دستگاه‌های قابل حمل مانند موبایل‌های هوشمند و تبلت‌ها باید به صورت کوچک، سبک و بهینه ساخته شوند. این مسئله علت وجود سیستم‌های روی چیپ است. سازندگان SoC چندین قطعه بنیادین برداشته و با فشرده‌سازی آن‌ها در یک چیپ، در مصرف فضا صرفه‌جویی می‌کنند. قرار دادن همه قطعات در یک ناحیه در قیاس با پخش کردن قسمت‌های مختلف در مادربرد سیستم، فضای اشغالی را به اندازه قابل توجهی کاهش می‌دهد.
با در نظر گرفتن این موضوع، یک سیستم روی چیپ شامل چه اجزائی می‌شود؟
واحد پردازش مرکزی (CPU)
یکی از قطعات اصلی موجود در سیستم روی چیپ، واحد پردازش مرکزی (پردازنده مرکزی) یا همان CPU است. در حقیقت پردازنده مرکزی «مغز» دستگاه به حساب می‌آید زیرا این قسمت تمام وظایف پردازش اصلی که شما به دستگاه خود واگذار می‌کنید را انجام می‌دهد. همان‌طور که مغز شما اطلاعات کسب شده از ورودی‌های مختلف شما را پردازش می‌کند، پردازش اطلاعات به دست آمده از رم (RAM) و حافظه پنهان (Cache) نیز بر عهده واحد پردازش مرکزی است.
واحد پردازش گرافیکی (GPU)
واحد پردازش گرافیکی یا GPU نیز مانند پردازنده مرکزی از نوع پردازشی است. اما GPU وظیفه پردازش نوع دیگری از اطلاعات را بر عهده دارد. پردازنده مرکزی می‌تواند تمام انواع داده، از کد گرفته تا داده‌های بصری را پردازش کند. اما این فرآیند بسیار سنگین است. برای برداشتن بخشی از فشار پردازشی از روی پردازنده مرکزی، واحد پردازش گرافیکی به کمک آمده و عمل پردازش داده‌های بصری را انجام می‌دهد. در حقیقت هر آن‌چه در صفحه دستگاه خود می‌بینید، توسط پردازنده گرافیکی پردازش شده است.
رم (RAM)
واژه رم (RAM) مخفف Random Access Memory یا حافظه با دستیابی تصادفی است. رم حاوی اطلاعاتی می‌شود که در هر شرایط پیش آمده نیازمند دسترسی آنی هستند. در گذشته، کامپیوترها مجبور بودند برای دسترسی به اطلاعات مستقیماً به سراغ واحدهای ذخیره‌سازی فیزیکی خود بروند و این فرآیند زمان بسیاری می‌برد.
رم این مشکل را با حافظه‌ای بسیار سریع‌تر که به خواندن و نوشتن اطلاعات با سرعت بالاتری از فضای ذخیره‌سازی عادی شما می‌پردازد، حل می‌کند. سرعت عملکرد رم حتی از حافظه اس‌اس‌دی (SSD) نیز بیشتر است. پس از بارگیری اطلاعات در رم، پردازنده مرکزی قادر است به آسانی به آن‌ها دسترسی پیدا کند و اطلاعات مفید را از این حافظه فوق سریع فراخواند.
به عنوان مثال، فرآیند باز کردن یک برنامه را در نظر بگیرید. برنامه روی دیسک سخت (Hard Drive Disk) یا HDD شما جای دارد. هنگامی که شما برنامه را باز می‌کنید، آن برنامه از دیسک سخت روی رم بارگیری شده و از این طریق در دسترس پردازنده مرکزی قرار می‌گیرد. بسته به نوع کارکرد برنامه مورد نظر، دسترسی به اطلاعات می‌تواند به صورت مکرر انجام شود تا همه چیز هنگام استفاده شما درست پیش برود. پردازنده مرکزی اطلاعاتی را که فکر می‌کند شما هنگام استفاده از برنامه نیاز دارید را روی رم بارگیری می‌کند. این کار سرعت فراخوانی این اطلاعات را بالاتر می‌برد.
حافظه پنهان (Cache)
با وجود اینکه رم مجموعه‌ای از حافظه‌ها است که به سرعت مورد دسترسی قرار می‌گیرند، شکل دیگری از حافظه در سیستم وجود دارد که از آن هم سریع‌تر عمل می‌کند. این حافظه، حافظه پنهان پردازنده یا کش (Cache) نام دارد. رم شامل اطلاعاتی می‌شود که پردازنده مرکزی به آن‌ها نیاز دارد. اما در صورت وجود اطلاعاتی که به شکل مکرر مورد استفاده قرار می‌گیرند، این اطلاعات به حافظه پنهان انتقال داده خواهند شد. حافظه پنهان می‌تواند این اطلاعات را با سرعتی حتی بالاتر از رم، به پردازنده مرکزی بفرستد.
برای مثال، فرض کنید که در دوره زمانی کوتاهی یک برنامه را چندین بار باز کرده‌اید. سیستم، این برنامه را در حافظه پنهان شما ذخیره می‌کند تا برنامه حتی سریع‌تر بارگیری شود. وبسایت‌ها نیز برای دسترسی آسان‌تر درون حافظه پنهان ذخیره می‌گردند.
مودم‌های سیگنال
شاید به نظرتان عجیب برسد، اما مودم‌های سیگنال کنونی نیز در سیستم روی چیپ ادغام می‌شوند. مودم‌ها، مسئولیت تبدیل سیگنال الکترومغناطیسی به سیگنال دیجیتالی که برای تلفن یا دستگاه موبایل شما قابل درک است را بر عهده دارند. مودم موظف است که برعکس این کار را نیز هنگام فرستادن اطلاعات به سرورها، انجام دهد.
واحد پردازش تصویر (IPU)
واحد پردازش تصویر یا IPU، مسئول پردازش اطلاعات به دست آمده از یک دوربین است. هنگامی که نور به سنسور تصویر می‌رسد، این اطلاعات به یک سیگنال دیجیتال تبدیل شده و به سیستم روی چیپ فرستاده می‌گردد. در ادامه، اطلاعات مورد نظر، توسط پردازنده تصویر مورد پردازش قرار می‌گیرد. هم‌زمان با این عمل، پردازنده مرکزی به وظایف دیگری مشغول می‌شود.
رمزگذار ویدیو
در صورتی که اطلاعات ویدیویی روی دستگاه خود دارید، دستگاه شما باید این اطلاعات را به سیگنال آنالوگ تبدیل کند تا قادر به مشاهده آن‌ها باشید. رمزگذار ویدیو (Video Encoder)، وظیفه گرفتن سیگنال دیجیتال و تبدیل آن به سیگنال آنالوگ (به معنای سیگنال الکتریکی خالص) را بر عهده دارد. این سیگنال الکتریکی در نمایشگر تبدیل به نور می‌شود.
بسته به نوع دستگاه شما، SoC می‌تواند قطعات مختلفی داشته باشد. به عنوان مثال، بعضی از سیستم‌های روی چیپ، حافظه رم یکپارچه ندارند. یا مثلاً برخی از آن‌ها شامل قسمتی به نام NPU می‌شوند. عبارت NPU مخفف واحد پردازش عصبی (Neural Processing Unit) است. این پردازنده، مسئولیت انجام وظایف مرتبط با هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی را بر عهده دارد.
آینده سیستم روی چیپ
تا به امروز، سیستم‌های روی چیپ عمدتاً در دستگاه‌های موبایل به کار رفته‌اند. با این وجود، ما در مرز انقلابی جدید در تکنولوژی سیستم روی چیپ هستیم. SoCهایی که توان مورد نیاز قسمت‌های کامپیوتر دسکتاپ را تامین می‌کنند. تکنولوژی SoC در حال رسیدن به نقطه‌ای است که بتواند نرم‌افزار دسکتاپ را به طور کامل به راه‌اندازی کند. مثال خوبی برای این تکنولوژی، چیپ M1 شرکت اپل (Apple) است که سیستم روی چیپی مبتنی بر معماری شرکت ARM بوده و به جدیدترین مک‌بوک‌های این شرکت قوت می‌رساند.
سیستم
استفاده از SoCها برای تامین نیروی مصرفی کامپیوتر، فواید بسیاری دارد. سیستم‌های روی چیپ، در کنار صرفه‌جویی در مصرف فضا، در زمینه صرفه‌جویی در مصرف انرژی نیز امتحان خود را پس داده‌اند. به صورت کلی هرچه ابعاد چیپ کوچک‌تر باشد، مصرف انرژی پایین‌تری هم دارد. این موضوع می‌تواند منجر به بالا رفتن عمر باتری در لپتاپ‌ها شود.
هم‌چنین، سیستم‌های روی چیپ به اندازه پردازنده‌های بزرگ داغ نمی‌کنند. از آن‌جایی که SoCها نسبت به پردازنده‌های بزرگ خنک‌تر باقی می‌مانند، استفاده از دستگاه‌ها، به خصوص لپتاپ‌ها، آسان‌تر خواهد بود. علاوه بر این، با این کار نیاز به استفاده از فن نیز از بین می‌رود. فن‌ها در کامپیوترها و کنسول‌های بازی قرار داده می‌شوند تا گرمای تولید شده توسط پردازنده‌ها را برطرف کنند. برداشتن فن‌ها، موجب صرفه‌جویی در مصرف فضا و هم‌چنین صرفه‌جویی در مصرف انرژی بیشتری خواهد شد.
بیشتر افراد می‌توانند تمام کسب‌وکار خود را از طریق از دستگاه‌هایی که از سیستم‌های روی چیپ استفاده می‌کنند، اداره کنند. تمام کارهایی که ما با استفاده از تلفن‌های همراه یا تبلت‌های خود انجام می‌دهیم، توسط چیپ‌هایی حتی کوچک‌تر از یک سکه اجرا می‌شوند. در آینده‌ای نزدیک، این چیپ‌ها قادر خواهند بود انرژی مورد نیاز کامپیوترها را تامین کنند. سیستم‌های روی چیپ به درستی به ما نشان می‌دهند که چیزهای بزرگ می‌توانند در بسته‌بندی‌های کوچک ارائه شوند.
