SoC چیست و چه اجزایی دارد؟ با مهم‌ترین تراشه موبایل آشنا شوید

فعالان حوزه فناوری همیشه در صحبت‌های خود از تراشه‌ها و توان پردازشی آن‌ها صحبت می‌کنند. در اخبار هم فرقی نمی‌کند که سوژه PC، کنسول یا تلفن هوشمند باشد، چون مجددا صحبت درباره قدرت پردازنده از اصلی‌ترین مباحث هر دستگاه هوشمند است. ولی یکی از موضوعاتی که به‌خصوص این روزها در بحث تلفن‌های هوشمند اهمیت پیدا کرده SoC یا System on a Chip به معنای «سیستم روی تراشه» است.

درک دقیق جزئیات مربوط به طراحی تراشه‌ها کار دشواری است و به مدت‌ها تحقیق و مطالعه نیاز دارد. اما ما امروز در این مقاله سعی داریم به زبان ساده و به طور خلاصه به شما بگوییم منظور از SoC چیست، این تراشه شامل چه اجزایی است و این قطعه در موبایل‌های هوشمند ما چه اهمیتی دارد. پس با جی‌اس‌ام همراه باشید.

SoC چیست؟

SoC مخفف System-on-a-Chip به معنای «سیستم روی یک تراشه» است. همان طور که از نام آن پیداست، SoC سیستمی تمام عیار در یک بسته کوچک و جمع‌وجور است. این سیستم معادل همان پردازنده‌هایی که در PC وجود دارد نیست. SoC شامل چندین بخش پردازشی، حافظه، مودم و سایر قطعات و تکه‌های ضروری دستگاه است که کنار یکدیگر روی یک تراشه قرار گرفته و روی مدار نصب می‌شود.

ترکیب قطعات مختلف روی یک تراشه موجب صرفه‌جویی در فضا، هزینه و مصرف انرژی می‌شود. «سیستم روی یک تراشه» به سایر بخش‌های دستگاه مثل دوربین، نمایشگر، رم، حافظه فلش و غیره متصل می‌گردد. SoC اساسا مغز تلفن هوشمند شماست که همه چیز از سیستم عامل گرفته تا شناسایی اثر انگشت‌تان را مدیریت می‌کند.

فهرست زیر رایج‌ترین و مهم‌ترین اجزای درون هر System-on-a-Chip را به شما نشان می‌دهد. در ادامه مطلب شماری از مهم‌ترین قطعات این قسمت را به طور جداگانه توضیح می‌دهیم.

• واحد پردازش مرکزی (CPU): همان مغز SoC است که اکثر کدهای سیستم عامل و اپلیکیشن‌های شما را اجرا می‌کند.
• واحد پردازش گرافیکی (GPU): وظایف گرافیکی مثل بخش‌های بصری اپلیکیشن، رابط کاربری و بازی‌ها مدیریت می‌کند.
• واحد پردازش تصویری (ISP): اطلاعات دوربین موبایل را به فایل‌های تصویری و ویدیویی تبدیل می‌کند.
• پردازنده سیگنال دیجیتالی (DSP): سایر عملیات‌های سنگین ریاضیاتی مثل رمزگشایی فایل‌های موسیقی و تحلیل اطلاعات سنسور ژیروسکوپ را انجام می‌دهد.
• واحد پردازش عصبی (NPU): از این واحد در تلفن‌های هوشمند رده بالا برای شتاب‌دهی به عملیات‌های یادگیری ماشینی یا هوش مصنوعی دستگاه استفاده می‌شود. این عملیات‌ها شامل تشخیص صدا و پردازش‌های دوربین است.
• رمزگذار یا رمزگشای ویدیویی: وظیفه تبدیل بهینه فایل‌ها و فرمت‌های ویدیویی را برعهده دارد.
• مودم‌ها: سیگنال‌های بیسیم را به اطلاعاتی تبدیل می‌کنند که موبایل شما قادر به درک آن‌هاست. انواع این مودم‌ها شامل مودم‌های بلوتوث، وای فای، 4G LTE یا 5G است.

یکی از مباحث مهم درباره سیستم‌های روی تراشه موضوع فرآیند تولید است. این موضوع با عددی در مقیاس نانومتر ذکر می‌شود که رابطه مستقیمی با تعداد ترانزیستورهای درون تراشه دارد. هرچه این عدد کوچک‌تر باشد، ترانزیستورهای بیشتری داخل تراشه جا می‌شود و قدرت و بهینگی تراشه را بالاتر می‌برد.

نمونه‌های SoC

حالا که به طور کلی فهمیدید SoC چیست، بهتر است به سراغ چند نمونه از سیستم‌های روی تراشه بازار برویم. در دنیای تلفن‌های هوشمند، کوآلکام، سامسونگ، هوآوی، مدیاتک و اپل از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان بازار هستند. تلفن هوشمندی که هم‌اکنون در اختیار دارید، احتمالا از یکی از محصولات همین شرکت‌ها استفاده می‌کند.

کوآلکام بزرگ‌ترین تولیدکننده SoC موبایل در دنیا است که بخش گسترده‌ای از بازار گوشی‌های پرچمدار، میان‌رده و اقتصادی را پوشش می‌دهد. سیستم‌های روی تراشه کوآلکام با برند اسنپدراگون روانه بازار می‌شوند. تراشه‌های برتر این شرکت در گروه اسنپدراگون ۸۰۰ قرار می‌گیرند و جدیدترین آن‌ها اسنپدارگون ۸۶۵ است. تراشه‌های میان‌رده در دو گروه اسنپدراگون ۶۰۰ و ۷۰۰ قرار دارند. اسنپدراگون ۷۶۵ جدیدترین تراشه میان‌رده کوالکام است که از فناوری 5G پشتیبانی می‌کند. تراشه‌های اقتصادی این شرکت در خانواده اسنپدراگون ۴۰۰ قرار دارند.

سیستم‌های روی تراشه سامسونگ با برند اگزینوس در بازار حضور دارند و مثل کوآلکام در سه دسته پرچمدار، میان‌رده و اقتصادی تولید می‌شوند. این سه دسته قبلا به صورت اگزینوس ۹۹۰۰، اگزینوس ۹۸۰۰ و اگزینوس ۹۶۰۰ شناخته می‌شدند و اگزینوس ۷۰۰۰ نیز برای گوشی‌های پایین‌رده در نظر گرفته شده بود. با این حال، جدیدترین و قدرتمندترین تراشه سامسونگ با نام اگزینوس ۹۹۰ و تراشه میان‌رده این شرکت با پشتیبانی از 5G با نام اگزینوس ۹۸۰ به بازار معرفی شده است.

شیوه نام‌گذاری تراشه‌های اگزینوس سامسونگ در حال حاضر شباهت زیادی به تراشه‌های هوآوی دارد. تراشه‌های این غول بزرگ چینی با برند Kirin در بازار حضور دارد و جدیدترین آن‌ها Kirin 990 است که دو نسخه 4G و 5G دارد. سری Kirin 600 شبیه اسنپدراگون ۶۰۰ است و بیشتر در گوشی‌های میان‌رده استفاده می‌شود.

گروه بعدی پردازنده‌های شرکت مدیاتک است که با برند هلیو در بازار وجود دارد. جدیدترین و قوی‌ترین تراشه این شرکت Dimensity 1000 5G است اما سری P و G به ترتیب برای دستگاه‌های مقرون به صرفه و گیمینگ در نظر گرفته شده است.

دسته آخر تراشه‌های اختصاصی اپل هستند که جدیدترین آن‌ها A13 بایونیک نام دارد و صرفا در گوشی‌های آیفون به کار گرفته می‌شوند.

همه چیز با CPU شروع می‌شود

حتما تا به حال اصطلاح پردازنده را شنیده‌اید. این اصطلاح معمولا در گفتگوها معادل CPU در نظر گرفته می‌شود. CPU رایج‌ترین نوع پردازنده است که برای دامنه گسترده‌ای از فعالیت‌ها به صورت منعطف و متناسب طراحی می‌شود. CPU در تلفن‌های هوشمند سیستم عامل و اپلیکیشن‌ها را اجرا می‌کند. این بخش همچنین در بخشی از فعالیت همگام‌سازی اطلاعات بین سایر پردازنده‌های داخل SoC دخالت دارد.

به طور خلاصه، واحدهای پردازش مرکزی (CPU) با کمک واحدهای پیش‌بینی، رجیسترها یا ثبات‌ها، و واحدهای اجرا به انجام عملیات‌های خود می‌پردازند. این سازوکار به عنوان معماری CPU شناخته می‌شود. رجیسترها تکه‌های داده یا اشاره‌گرهای حافظه را که اغلب در فرمت‌های ۶۴ بیتی هستند نگه می‌دارند. واحدهای اجرا با یک یا چند رجیستر کار می‌کنند و این کار معمولا شامل خواندن و نوشتن روی حافظه یا انجام عملیات‌های ریاضی است. یک CPU می‌تواند چندین واحد اجرای همزمان داشته باشد که هر کدام با یک یا دو چرخه ساعت (کلاک) عملیات خود را تکمیل می‌کنند.

پردازنده‌های مرکزی آن قدر منعطف‌اند که می‌توانید برای کارهای مختلفی از آن‌ها استفاده کنید. توان این واحدها با افزایش یا کاهش سرعت ساعت یا کلاک (به گیگاهرتز)، تعداد هسته‌ها یا تغییر معماری زیرساختی کم یا زیاد می‌شود.

واحدهای پردازش مرکزی در سیستم‌های روی تراشه موبایلی انواع مختلفی دارند که همگی آن‌ها از معماری شرکت ARM استفاده می‌کنند. جدیدترین هسته‌های شرکت ARM در نوع بزرگ کورتکس A77 و در نوع کوچک کورتکس A55 نام دارند. پردازنده‌های مرکزی موبایل معمولا هشت هسته دارند که هسته‌های بزرگ برای اپلیکیشن‌ها و عملیات‌های سنگین و هسته‌های کوچک و مقرون به صرفه برای افزایش طول عمر باتری استفاده می‌شوند.

پردازنده گرافیکی

در کنار CPU واحد دیگری برای پردازش گرافیک روی تراشه‌ها وجود دارد که GPU نامیده می‌شود و از اجزای قدیمی سیستم‌های کامپیوتری است. پردازنده‌های گرافیکی نسبت به پردازنده‌های مرکزی خیلی کمتر حالت همه‌جانبه بودن دارند و به همین خاطر بسیار متفاوت طراحی می‌شوند. این واحدها برای کارکرد پرتکرار در عملیات‌های موازی ریاضی ساخته می‌شوند چون خیلی سریع‌تر از CPU می‌توانند این عملیات‌ها را انجام دهند. فراموش نکنید که نمایشگرهای 1080p روی گوشی شما میلیون‌ها پیکسل دارند که هر کدام باید در هنگام اجرای اپلیکیشن‌ها یا بازی پردازش شوند.

اکثر عملیات‌های گرافیکی بارها و بارها تکرار می‌شوند تا صفحه شما با پیکسل‌های مربوطه تکمیل شود. در نتیجه، پردازنده‌های گرافیکی طوری طراحی شده‌اند تا بتوانند حجم زیادی از محاسبات را به صورت همزمان و در مقیاس بالا انجام دهند. برخلاف پردازنده‌های مرکزی که در هر چرخه یک یا دو عملیات را اجرا می‌کنند، پردازنده‌های گرافیکی ده‌ها، صدها و حتی هزاران عملیات موازی را در هر چرخه انجام می‌دهند. توان هر GPU به اندازه و قدرت طراحی آن بستگی دارد.

بزرگ‌ترین پردازنده‌های گرافیکی بازار موبایل برند Mali از شرکت ARM و Adreno از شرکت کوآلکام هستند. هر دو شرکت مدل‌های بزرگ و کوچک فناوری GPU را روانه بازار می‌کنند. تراشه‌های پرچمدار از قوی‌ترین سخت‌افزارهای گیمینگ سه‌بعدی پشتیبانی می‌کنند. کوآلکام تاکنون اطلاعات زیادی درباره سازوکار درونی Adreno اعلام نکرده، اما درباره Mali اطلاعات بیشتری در دسترس است که با کمی جستجو می‌توانید به آن‌ها دسترسی پیدا کنید.

دوربین‌های قدرتمند نیازمند پردازنده‌های قدرتمند هستند

در چند سال اخیر توانمندی‌های دوربین در تلفن‌های هوشمند اهمیت زیادی پیدا کرده است. به همان اندازه که وجود سنسورهای قدرتمند و لنزهای رده بالا برای دستیابی به دوربینی مناسب ضروری است، باید قابلیت‌های پردازش تصویر خوبی وجود داشته باشد تا بتواند تصویری مناسب را به دست کاربر برساند. گوگل و اپل از جمله شرکت‌هایی هستند که اگرچه از سخت‌افزارهای خارق‌العاده‌ای استفاده نمی‌کنند اما با پردازش‌های نرم‌افزاری بهترین تصاویر بازار را تولید می‌کنند.

با وجود این که ویرایش تصویر و دستکاری آن عملیاتی است که اغلب از طریق CPU و GPU انجام می‌شود، اما پردازش‌های زیادی باید انجام بگیرد تا تصاویر ثبت‌شده بتوانند روی دستگاه شما ذخیره شوند. واحد پردازش تصویری (ISP) نمونه‌ای اختصاصی از پردازنده سیگنال دیجیتالی (DSP) است که عملیات‌های تصویرسازی مثل تبدیل‌های Bayer، فوکوس، اصلاح رنگ، شارپ‌سازی و کاهش نویز را انجام می‌دهد. به عبارت دیگر، اطلاعات دیجیتال را از سنسور دوربین می‌گیرد و آن را به تصاویر زیبایی تبدیل می‌کند که ما در خروجی می‌بینیم. در نتیجه هر موبایلی که پردازنده تصویری قوی‌تری داشته باشد، می‌تواند تصاویر بهتری به دست کاربر برساند.

نسل بعدی پردازش هوش مصنوعی

اصطلاحاتی مثل واحد پردازش عصبی، پردازنده‌های هوش مصنوعی یا هسته‌های یادگیری ماشینی معمولا به جای یکدیگر به کار می‌روند اما تمامی آن‌ها درون تراشه‌های موبایل امروزی یک معنی دارند: پردازنده‌ای که به صورت اختصاصی برای اجرای عملیات‌های ریاضی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی شده شبکه‌های عصبی استفاده می‌شوند.

همان طور که GPU پردازنده‌ای اختصاصی برای عملیات‌های ریاضی بخش گرافیک و ISP پردازنده‌ای اختصاصی برای عملیات‌های تصویرسازی است، NPU یا واحد پردازش عصبی هم پردازنده‌ای است که طوری طراحی شده تا سریع‌تر و بهینه‌تر از CPU شبکه‌های عصبی و عملیات‌های یادگیری ماشینی را اجرا کند. پردازنده‌های عصبی کَش حافظه اختصاصی خودشان را دارند تا نیازی به رم‌های متداولی که معمولا کندتر هستند نداشته باشند و سریع‌تر بتوانند عملیات‌های خود را انجام دهند.

شبکه‌های عصبی معمولا عملیات‌هایی را اجرا می‌کنند که چند اطلاعات ورودی را دریافت کرده و از آن‌ها یک خروجی می‌سازند. عملیات‌های چند-انباشتی در این شبکه‌ها رایج هستند و معمولا بر مقادیر مختلف اطلاعات، از ۱۶ بیتی گرفته تا ۸ و حتی ۴ بیتی، عمل می‌کنند. این نوع اطلاعات با انواعی که از آن‌ها در پردازنده‌های مرکزی استفاده می‌شود بسیار متفاوت است اما برخی از عملیات‌های آن‌ها می‌تواند با کمک پردازنده‌های گرافیکیِ منعطف با سرعت بیشتری انجام شود.

واحدهای پردازش عصبی جدیدترین پردازنده‌هایی هستند که به SoC راه پیدا کرده‌اند. هرچند اکثر این واحدها در تراشه‌های پرچمدار به چشم می‌خورند، اما این فناوری در آینده نزدیک وارد گوشی‌های میان‌رده و ارزان‌تر نیز خواهد شد.

مودم‌های 4G و 5G

آخرین قطعه مهم در SoC مودم است که اجازه می‌دهد از شبکه‌های مخابراتی به اطلاعات دسترسی داشته باشید. سرعت و کیفیت اطلاعات دریافتی شما به مودم‌های مختلف بستگی دارد. قوی‌ترین مودم‌ها سرعتی بالاتر از ۱ گیگابیت بر ثانیه را به ثبت می‌رسانند. در کنار این‌ها مودم‌های وای فای و بلوتوث هم وجود دارند، اما ما در این مطلب می‌خواهیم به مودم‌های 4G و 5G بپردازیم.

در حال حاضر تقریبا تمام سیستم‌های روی تراشه مودم داخلی 4G دارند. با این حال نخستین مودم‌های 5G خارجی هستند، یعنی درون خود تراشه قرار نگرفته‌اند و باید به SoC وصل شوند. این روش از نظر انرژی به‌صرفه نیست اما انعطاف‌پذیری را بالا می‌برد و پیاده‌سازی قابلیت‌ها را آسان می‌کند تا افراد بیشتری تحت پوشش شبکه‌های نسل پنجم قرار بگیرند.

اکنون مدتی است که مودم‌های یکپارچه داخلی 5G وارد سیستم‌های روی تراشه شده‌اند. هوآوی با نسخه‌ای از Kirin 990 و کوآلکام با اسنپدراگون ۷۶۵ این قابلیت را ارائه می‌کنند. با این حال، قدرتمندترین مودم‌های 5G موجود هنوز خارجی‌اند. برای مثال مودم اسنپدراگون X55 کوآلکام و اگزینوس ۵۱۲۳ سامسونگ از جمله مودم‌هایی هستند که سرعت بالاتری مهیا می‌کنند و با شبکه‌های mmWave نیز سازگارند. اگر با انواع 5G آشنا نیستید و نمی‌دانید که شبکه mmWave چیست پیشنهاد می‌کنیم این مقاله را مطالعه کنید. پرچمداران سال ۲۰۲۰ همچنان از مودم‌های 5G خارجی استفاده خواهند کرد اما سال آینده احتمال یکپارچه شدن این مودم‌ها وجود دارد.

اطلاعات بیشتر درباره SoC

عاشقان تلفن‌های هوشمند دائما در حال مقایسه قابلیت‌ها و توانایی‌های انواع مختلف CPU و GPU هستند، اما این موضوع کم‌کم در حال منسوخ شدن است، چون توانمندی‌ها توسعه می‌یابند و ما به قابلیت‌های جدید نیاز پیدا می‌کنیم. سیستم‌های روی تراشه دیگر به یک یا دو قابلیت خاص متکی نیستند و پردازش همگن و یکپارچه بیش از هر زمان دیگری برای رفع نیازهای کاربر استفاده می‌شوند.

موبایل‌های امروزی حالا حجم بسیار زیادی از وظایف و عملیات‌ها را برعهده دارند. در نتیجه تعداد پردازنده‌های اختصاصی داخل تراشه‌ها دائما در حال افزایش است. روزگاری فقط CPU و GPU درون این تراشه‌ها وجود داشت، اما حالا شاهد حضور DSP ،ISP و NPU هستیم. اکنون با توجه به پیشرفت‌هایی که در زمینه‌های امنیت، یادگیری ماشینی و 5G حاصل می‌شود، بیش از پیش به اهمیت قابلیت‌های این اجزای کمترشناخته‌شده پی می‌بریم.