نیم‌نگاهی به تراشه در گوشی‌های هوشمند

یکی از معروف‌ترین واژه‌های به‌کاررفته در صنعت موبایل طی سال‌های اخیر «System-on-Chip» است. اولین نکته‌ای که ذهن را مشغول می‌کند این است: این واژه به چه چیزی اطلاق می‌شود؟

در هر سیستم کامپیوتری قطعات مختلفی وجود دارند که وظایف پردازشی متفاوتی دارند و به سخت‌افزار و نرم‌افزار اجازه تعامل می‌دهند.
رشد تکنولوژی و صنایع سبب شد این قطعات، در عین افزایش قدرتشان، کوچک‌تر شوند. تعداد تراشه‌ها کمتر شد و تراشه‌های جدیدی جای آنها را گرفتند که می‌توانستند چندین کار انجام دهند. به‌طور خلاصه می‌توان گفت SoC بالاترین مرحله تعامل است؛ مرحله‌ای که تمام قطعات و ویژگی‌های یک سیستم درون یک تراشه خلاصه می‌شود.
در دنیای موبایل بهره‌وری در تمام جهات از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، چه از نظر قدرت و چه از نظر فضا. با ظهور گوشی‌های هوشمند و افزایش تقاضای این محصول، تولیدکنندگان تصمیم گرفتند تراشه‌هایی با قابلیت‌های زیاد تولید کنند. پردازنده، پردازنده گرافیکی، کنترل‌کننده‌های رم و حافظه داخلی، کش حافظه، ماژول‌های سنجش میزان ولتاژ و حتی قطعات ارتباطات بی‌سیم از جمله مواردی است که کمپانی‌ها تصمیم گرفتند در تراشه جای دهند. به این ترتیب عمر باتری، ضخامت، وزن و هزینه تولید کاهش چشمگیری می‌یابد.

شاید باور نکنید، اما بسیاری از تولیدکنندگان گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها که مدعی‌اند از SoC استفاده می‌کنند، بر طبلی توخالی می‌کوبند و فقط از نام SoC برای فروش بیشتر استفاده می‌کنند. بسیاری از این کمپانی‌ها همچنان رم و حافظه جانبی را خارج از SoC قرار می‌دهند و بعضی‌ها از سنسورهایی کمکی برای افزایش کارایی استفاده می‌کنند که داخل تراشه اصلی تعبیه نشده‌اند.
تعداد کمی از میکروکنترلرها در صنعت و دستگاه‌ها یافت می‌شوند که واژه SoC واقعا برازنده آنهاست. این میکروکنترلرها داخل خود رم، حافظه داخلی و بلوک‌های ارتباطی دارند که یک‌جا جمع شده‌اند.
امروزه SoC و بحث در موردش صرفا به پردازنده و پردازنده گرافیکی محدود نمی‌شود و مودم‌های رادیویی 2G/3G/4G، بلوتوث، NFC و... نیز شامل بحث می‌شوند.

پردازنده

پردازش‌های منطقی و ریاضی را به CPU محول کنید، چون مهارت خاصی در پردازش این‌گونه اطلاعات دارد

واحد پردازنده مرکزی، یا به‌اختصار پردازنده (CPU)، همان آشنای قدیمی است که در کامپیوترها می‌دیدیم، فقط اینجا به‌جای کامپیوتر در موبایل استفاده می‌شود. این واحد وظیفه انجام دادن عملیات منطقی و حسابی را برعهده دارد. پردازنده‌های امروزی با ماژول‌های مخصوص، کش حافظه کوچک و زیرقطعه‌هایی همراه‌اند. زمانی پردازنده‌ها صرفا برای بالا بردن سرعت ساخته می‌شدند، اما با تغییر کاربری‌شان و استفاده در صنعت موبایل، دیگر فقط سرعت مسئله نبود؛ مصرف انرژی و راندمان بالا نیز جزو دغدغه‌های تولیدکنندگان شد.

تراشه‌های SoC که امروزه در صنعت موبایل استفاده می‌شوند تا سقف 10 هسته پردازنده را درون خود جای می‌دهند، اما الزامی وجود ندارد که تمام این هسته‌ها قدرت یکسان داشته باشند. بسیاری از تولیدکنندگان هسته‌های مختلف را برای افزایش کارایی و کاهش مصرف انرژی با یکدیگر ترکیب می‌کنند.

پردازنده گرافیکی

بازی‌خورها عاشق این قطعه‌اند! وقتی از پردازش سه‌بعدی و بازی صحبت می‌شود، CPU میدان را به‌نفع GPU خالی می‌کند

افکت‌های سه‌بعدی و بازی‌ها نیازمند پردازش قوی‌اند و پردازنده (CPU) از پسش برنمی‌آید. واحد پردازنده گرافیکی (GPU) در گذشته به‌عنوان قطعه‌ای مجزا استفاده می‌شد، اما امروزه قسمتی از SoC قلمداد می‌شود. در حال حاضر چهار کمپانی پردازنده گرافیکی تولید می‌کنند و در اختیار مصرف‌کنندگان قرار می‌دهند. پردازنده گرافیکی مالی را آرم (ARM) تولید می‌کند. کمپانی ایمجینیشن (Imagination) خانواده پردازنده‌های گرافیکی پاور وی‌آر (PowerVR) را تولید می‌کند. این دو کمپانی مجوز استفاده از تکنولوژی پردازنده گرافیکی‌شان را به تولیدکنندگان SoC داده‌اند.

در آن سوی میدان نیز کوالکام خط تولید پردازنده گرافیکی خود را دارد و آن را آدرنو نامیده است. ان‌ویدیا (Nvidia) هم در تولید پردازنده‌های گرافیکی موبایل خودی نشان داده و با استفاده از معماری کپلر (که در ساخت کارت‌های گرافیک GeForce استفاده می‌شود) پردازنده گرافیکی تولید کرده است.

سایر قطعات

تراشه SoC واقعی باید این قطعات را در خود داشته باشد

مودم‌ها و سایر قطعات رادیویی جزو آخرین قطعات افزوده‌شده به SoCها هستند. همچنین بسیار شایع است که USB و توابع پردازنده گرافیکی نیز در SoC قرار بگیرند. علاوه بر این ممکن است واحد منطقی مجزایی برای پردازش تصاویر دوربین، رمزگذاری و رمزگشایی فایل‌های ویدئویی، صوتی، سنسورهای محیطی و حتی تکنولوژی تشخیص صدا وجود داشته باشد. جمع شدن تمام این ویژگی‌ها و قطعات در یک تراشه کاهش مصرف انرژی و هزینه تولید را به همراه دارد.

فرایند ساخت

همیشه پای یک ترانزیستور در میان است

فرایند ساخت واژه‌ای است که هنگام صحبت در مورد نحوه ساخت تراشه به کار می‌بریم. هر تراشه در حال حاضر به قطعه بسیار کوچکی به نام ترانزیستور وابسته است که در بلوک‌های منطقی قرار می‌گیرد. رشد تکنولوژی سبب شد ترانزیستورها بهتر و کوچک‌تر شوند. این امر سبب شد تا بتوان از تعداد بیشتری ترانزیستور در ساخت تراشه‌ها استفاده کرد و انرژی کمتری برای تغذیه آنها صرف شود. کوچک شدن ترانزیستورها و کاهش سایزشان به نانومتر سبب شد فرایند ساخت SoC با سایز ترانزیستور خوانده شود؛ به‌عنوان مثال: 20 نانومتر و 14 نانومتر؛ هرچه کوچک‌تر، بهتر!
کمپانی‌های کمی وجود دارند که تراشه‌ها را خودشان تولید می‌کنند. اغلب کمپانی‌ها ساخت تراشه‌ها را بر عهده کمپانی‌هایی مانند سامسونگ و اینتل می‌گذارند.

خلاصه مطلب

• SoC نهایت تعامل قطعات با یکدیگر است.
• SoC‌های امروزی فقط به پردازنده و پردازنده گرافیکی محدود نمی‌شوند. مودم‌های اتصال سلولار، بلوتوث و NFC نیز از جمله قطعاتی‌اند که در SoC‌های امروزی حضور دارند.
• هرچه اندازه ترانزیستورهای به‌کاررفته در SoC کوچک‌تر باشد، بهتر است. فرایند ساخت SoCها با اندازه ترانزیستورشان سنجدیده می‌شود.