سیستم‌ روی‌ چیپ یا SoC چیست؟

سیستم‌ روی‌ چیپ یا SoC یکی از مفاهیم جدیدی است. اگر به گوشی‌های هوشمند علاقه‌مند باشید حتما در خصوص آن شنیده‌اید.

این تراشه نسبتا کوچک تمام زیرساخت‌ پردازشی لازم برای ساخت یک کامپیوتر را در دسترس قرار می‌دهد و نسبت به CPU مزایای به مراتب بیشتری دارد.

نبرد برای آینده پردازش

پس از گذشت بیش از 50 سال، واحد پردازش مرکزی که آن را با عنوان اختصاری CPU می‌شناسیم سرانجام رقیبی به نام سیستم‌ روی‌ چیپ (SoC) پیدا کرده است.

برای دهه‌ها، هنگام خرید یک کامپیوتر شخصی انتخاب دیگری به جز پردازنده وجود نداشت اما حالا با نگاهی به اطرافتان می‌توانید انواع دستگاه‌ها از گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها گرفته تا حتی برخی از لپ‌تاپ‌های جدید را ببینید که از یک سیستم‌ روی‌ چیپ بهره می‌برند.

البته CPU و SoC ویژگی‌های مشابهی دارند و تقریبا هر آنچه در خصوص پردازنده‌ها می‌دانیم در مورد سیستم‌ روی‌ چیپ ها نیز قابل تعمیم است.

تعریف پایه SoC

SoC برگرفته از عبارت «System On A Chip» به معنی «سیستم روی یک چیپ» است. این چیپ یا مدار الکترونیکی مجتمع دارای اجزای مختلفی است که شامل پردازنده (میکروپروسسور یا میکروکنترلر)، حافظه، پورت‌های ورودی/خروجی (I/O) و حافظه ذخیره‌سازی ثانویه می‌شود.

تمامی این اجزا بر روی یک قطعه واحد مانند یک تراشه تعبیه می‌شوند.

قرارگیری تعداد زیادی از اجزای ضروری بر روی یک تراشه واحد به معنی کاهش مصرف انرژی و فضای اشغال شده بر روی برد اصلی (مادربرد) دستگاه است.

محبوبیتِ سیستم‌ روی‌ چیپ‌ها به لطف گسترش مفهوم اینترنت‌ اشیا (IoT) و پردازش مرزی و موبایل به سرعت در حال افزایش است.

برای مثال، کمپانی اینتل که غول پردازنده جهان است در سال 2018 یک شرکت تولیدکننده SoC تحت عنوان Silicon Engineering Group را خریداری کرد. پیش از آن نیز معاملات دیگری مانند خرید Altera را از سوی اینتل شاهد بودیم.

یکی از موارد رایجی که می‌توان در خصوص کاربردهای SoC مثال زد، کنسول‌های بازی هستند. نینتندو در کنسول سوئیچ از سیستم‌ روی‌ چیپ Tegra X1 انویدیا استفاده کرد و دو سیستم‌ روی‌ چیپ جدید AMD تحت عنوان Flute و Gonzalo قرار است به ترتیب در نسل بعدی پلی‌استیشن و ایکس‌باکس مورد استفاده قرار بگیرند.

کامپیوترهای Raspberry Pi، بردهای Arduino و کیت‌های STEM همگی از سیستم‌ روی‌ چیپ بهره می‌برند.

سیستم‌ روی‌ چیپ‌ها اغلب به علت سهولت استفاده در کیت‌های STEM به‌کار می‌روند و بنابراین در آموزش طراحی این کیت‌ها به افراد علاقه‌مند نیز نقش مثبتی دارند. علاوه بر این، یکی دیگر از بخش‌هایی که به وفور از این تراشه‌ها استفاده می‌شود گوشی‌های هوشمند و تبلت‌هایی هستند که روزانه از آنها استفاده می‌کنیم.

انواع SoC

به‌طور کلی سه نوع SoC یا سیستم‌ روی‌ چیپ وجود دارد:

• سیستم‌ روی‌ چیپ‌هایی که از یک میکروکنترلر بهره می‌برند (یک تراشه حاوی پردازنده، رم، رام و احتمالا اجزای دیگر)

مثال: بردهای Arduino

• سیستم‌ روی‌ چیپ‌هایی که از یک میکروپروسسور بهره می‌برند (یک تراشه حاوی پردازنده)

مثال: سیستم‌ روی‌ چیپ‌هایی که در گوشی‌های هوشمند استفاده می‌شود؛ مثلا چیپست اسنپدراگون 845 کوالکام (که برای هدست‌های واقعیت مجازی نیز استفاده می‌شود) و یا A12 Bionic اپل که در آیفون ایکس‌اس، آیفون ایکس اس مکس و آیفون ایکس‌آر استفاده می‌شود. همچنین سیستم‌ روی‌ چیپ های سری FPGA اینتل و Rasperry Pi

• سیستم‌روی‌چیپ‌هایی با کاربرد اختصاصی، که ممکن است دارای میکروکنترلر یا میکروپروسسور باشند. این تراشه‌ها با عنوان ASIC (مدارهای مجتمع با کاربرد خاص) شناخته می‌شوند.

تعریف پایه CPU

علیرغم اینکه همواره بر روی فناوری و عملکرد پردازنده‌ها تاکید می‌شود اما بد نیست بدانید که پردازنده در نهایت مانند یک ماشین حساب خیلی سریع است!

CPU اطلاعات را از حافظه می‌خواهند و سپس عملیات حساب (مانند جمع و ضرب) یا عملیات منطقی و شرطی (و، یا، نیست) را بر روی آن اطلاعات انجام می‌دهد. هر چقدر پردازنده گران‌تر و پیچیده‌تر باشد، قابلیت پردازش اطلاعات بیشتری را ارائه می‌دهد و عملکرد کامپیوترتان سریع‌تر خواهد شد.

یک پردازنده به صورت مستقل یک کامپیوتر شخصی نیست؛ کامپیوتر شخصی در واقع چارچوبی از مجموعه‌ای تراشه‌ها است.

برای نگهداری اطلاعات به حافظه نیاز است، یک تراشه صوتی وظیفه رمزگشایی و تقویت سیگنال‌های صوتی را برعهده دارد، پردازشگر گرافیکی تصاویر را بر روی مانتیورتان نمایش می‌دهد و صدها اجزای کوچک‌تر دیگر نیز وجود دارند که هر کدام در نوع خود وظایف مهمی دارند.

بیشتر بخوانید : رازهای Clock rate در CPU به زبان ساده

تفاوت SoC و CPU چیست؟

مهم‌ترین مزیت یک سیستم‌ روی‌ چیپ ابعاد آن است. اگرچه یک سیستم‌ روی‌ چیپ معمولا فقط اندکی از پردازنده بزرگ‌تر است اما قابلیت‌های به مراتب بیشتری دارد. اگر از یک پردازنده استفاده کنید بسیار دشوار است که کامپیوتری با مساحت کم‌تر از 10 سانتی‌متر مربع بسازید، چرا که برای کارایی مناسب به چندین تراشه دیگر نیز نیاز دارید.

اما با استفاده از سیستم‌ روی‌ چیپ‌ها می‌توان یک کامپیوتر کامل را درون گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها جای داد و در عین حال فضای کافی برای قرارگیری باتری نیز وجود داشته باشد.

یک سیستم‌ روی‌ چیپ به علت یکپارچگی بسیار بالا و مسیرهای ارتباطی به مراتب کوتاه‌تر، به انرژی به مراتب کم‌تری هم نیاز دارد و این موضوع به خصوص در گجت‌های موبایل مانند گوشی‌های هوشمند از اهمیت بالایی برخوردار است.

علاوه بر این، با کاهش تعداد چیپ‌های فیزیکی مجزا، هزینه تولید نیز کاهش یافته و می‌توان یک کامپیوتر ارزان‌قیمت‌ اما کارآمد داشت.

اما تنها عیب یک سیستم‌ روی‌ چیپ عدم وجود انعطاف‌پذیری کامل در آن است. در یک کامپیوتر شخصی شما می‌توانید به راحتی یک پردازنده، کارت گرافیک یا رم را با گزینه‌های بهتر تعویض کنید، اما این کار مثلا در یک گوشی هوشمند امکان‌پذیر نیست.

ممکن است در آینده امکان خرید سیستم‌ روی‌ چیپ های جدید وجود داشته باشد، اما از آنجایی که تمامی اجزا بر روی یک تراشه واحد قرار گرفته‌اند باز هم هدر رفتن پول محسوب می‌شود.

برای مثال فرض کنید شما فقط به مقدار بیشتری رم نیاز داشته باشید و نمی‌خواهید برای پردازنده یا پردازشگر گرافیکی قوی‌تر یک سیستم‌ روی‌ چیپ جدید هزینه بپردازید. سیستم‌ روی‌ چیپ یک پکیج است و متاسفانه شما نمی‌توانید فقط بخشی از آن را تعویض کنید یا ارتقا دهید.

سیستم روی چیپ و گوگل

امین وحدت از گوگل به سیستم‌ روی‌ چیپست لقب «مادربرد نسل جدید» داده است.

امین وحدت، نایب رئیس بخش زیرساخت سیستم‌ها در گوگل در یک پست بلاگ، سیستم‌ روی‌ چیپ را به‌طور خلاصه «مادربرد نسل جدید» نامید.

غول پردازش ابری جهان همواره به دنبال قدرت پردازشی بالاتر برای سرورهایش است و تا به این لحظه فقط از مادربرد به عنوان یک نقطه یکپارچگی که پردازنده‌ها، شبکه، تجهیزات ذخیره‌سازی، شتاب‌دهنده‌های سفارشی و حافظه را در بر می‌گرفت استفاده می‌کرد.

اما با توجه به اینکه حجم پردازش‌های مورد نیاز در گوگل به نقطه اوج خودش رسیده است، به اعتقاد آقای وحدت این شرکت باید یک گام بزرگ بردارد.

وی می‌گوید «برای دستیابی به عملکرد بهتر و کاهش مصرف انرژی، فشار کاری حالِ حاضر در گوگل به یکپارچگی حتی عمیق‌تری در لایه‌های سخت‌افزاری نیاز دارد»

وحدت اعلام کرد یوری فرانک، یکی از اعضای باسابقه و مهم گوگل با سمت نایب رئیس مهندسی به این شرکت می‌پیوندد تا بر روی طراحی چیپ مخصوص سرور کار کند. گفته‌های وحدت تاکیدی بود بر خبرهای قبلی مبنی بر تلاش جدی گوگل برای تولید چیپ‌های بهینه‌تر که این روزها به یک رقابت داغ تبدیل شده است.

فکر ساختن سیستم‌ روی‌ چیپ از کجا آمد؟

گوگل از چندین سال قبل چیپ‌های مورد نیاز خود را طراحی می‌کند. طراحی اختصاصی چیپ‌ها با توجه به نیازهای پردازشی این شرکت انتخاب به مراتب بهتری نسبت به چیپ‌هایی با کاربرد عمومی است که توسط کمپانی‌هایی مانند AMD یا انویدیا تولید می‌شوند.

با پیدایش پردازش ابری، تقاضا برای قدرت پردازشی در دیتا سنترهای گوگل به شدت افزایش یافت که مهندسین این کمپانی را به ساخت چیپ‌های سفارشی سازگار با نیازهای جدید واداشت.

برای مثال، در سال 2015 گوگل از واحد پردازش تنسور (TPU) رونمایی کرد، این چیپ در دیتا سنترهای گوگل به‌کار گرفته شد تا عملکرد کاربردهای مبتنی بر یادگیری ماشینی را بهبود بخشیده و سرویس‌هایی مانند جستجوی صوتی بی‌درنگ، تشخیص تصویر و ترجمه زبان به‌صورت تعاملی تجربه بهتری ارائه دهند.

وحدت ادامه می‌دهد «به جای ایجاد یکپارچگی بین اجزای مختلف بر روی مادربرد که ارتباط الکترونیکی بین آنها چند اینچ فاصله داشت، ما از طراحی‌های سیستم‌ روی‌ چیپ استفاده کردیم تا چند کارکرد مختلف یا چیپ‌ مجزا را فقط بر روی یک تراشه در اختیار داشته باشیم.»

مزایای استفاده از سیستم‌ روی‌ چیپ

چیپ‌های سفارشی به عنوان قطعات سخت‌افزاری بهینه و هدفمند به نوعی قانون مور را کم ارزش نشان داده‌اند. این چیپ‌ها با طراحی یکپارچه خود به خوبی می‌توانند افزایش نمایی تقاضا برای قدرت پردازشی را پاسخ دهند.

وحید گفت «با یکپارچگی عمیق‌تر در لایه‌های سخت‌افزار، عملکرد بالاتر با مصرف انرژی کم‌تر در دسترس قرار می‌گیرد، این موضوع می‌تواند افق‌های جدیدی در زمینه بهینگی و مقیاس‌پذیری را به نمایش بگذارد.»

سیستم‌روی‌چیپ‌ها همچنین امکان سفارشی‌سازی بیشتر را ارائه می‌دهند و می‌توان آنها را برای کاربردهای به‌خصوصی طراحی کرد. چالش اصلی این است که با توجه به تنوع سرویس‌های ابری، فرایند طراحی و تولید این سیستم‌روی‌چیپ‌ها باید با سرعت مناسبی انجام شود.

سیستم روی چیپ و اپل

اپل در زمینه طراحی و تولید سیستم‌روی‌چیپ‌های اختصاصی پیشرو محسوب می‌شود و در سال 2010 برای نخستین بار سیستم‌ روی‌ چیپ های مورد نیازش را طراحی کرد. تا پیش از این در آیفون‌های اپل فقط از چیپ‌های ARM استفاده می‌شد اما امروزه سیستم‌روی‌چیپ‌های اختصاصی اپل علاوه بر گوشی‌های آیفون، در بسیاری از محصولات مانند آیپدها و اپل واچ نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.

با توجه به اینکه چند بازیگر بزرگ دیگر این صنعت به دنبال تولید سیستم‌ روی‌ چیپ های اختصاصی خود هستند، طبیعی است که گوگل نیز در این زمینه گام‌های جدی بردارد.

پردازنده‌ها به حاشیه رانده می‌شوند

نهایتا سیستم‌ روی‌ چیپ ها قدم بعدی محسوب می‌شوند و این قدرت را دارند تا جایگاه پردازنده‌ها را تصاحب کنند.

در حال حاضر دو غول تولید تراشه جهان یعنی AMD و اینتل در پردازنده‌های سری Llano و Ivy Bridge خود یک کنترلر حافظه، PCI Express و پردازشگر گرافیکی را قرار داده‌اند که این اقدام طبیعتا ناشی از فشاری است که از سوی سیستم‌روی‌چیپ‌ها به آنها وارد شده است.

احتمالا همیشه بازاری برای پردازنده‌های عمومی وجود دارد. کاربردهایی که در آنها مصرف انرژی بهینه یا ابعاد کوچک اهمیت زیادی ندارد (مانند سوپرکامپیوترها) یکی از این بازارها خواهد بود.

اما دستگاه‌های موبایل و گجت‌های پوشیدنی نسل آینده کامپیوترها هستند و بدین ترتیب می‌توان متوجه شد که سیستم‌ روی‌ چیپ ها نیز آینده تراشه‌های پردازشی به حساب می‌آیند.