SoC چیست ؟! دقیقا چه کاربردی دارد و کاربرد SoC  ( سیستم روی تراشه ) آیا مفید واقع می شود ؟! اجازه دهید با یک مثال واقعی از دنیای تکنولوژی شروع کنیم : در حالی که می‌توانید تقریباً هر قسمت از سخت افزار رایانه های رومیزی اعم از پردازنده، کارت گرافیک و حتی رم را تعویض کنید اما نمی‌توانید بخش کوچکی مانند RAM یا گرافیک متعلق به مک بوک یا آی مک مدرن و مبتنی بر تراشه M1 یا M2  را جایگزین کرده یا ارتقا دهید زیرا آنها با فناوری قطعات مجتمع ساخته شده است! اما چرا و چگونه ؟!

دلیل این امر که نمی توانید سیستم های مبتنی بر تراشه M1  را تغییر دهید اصلاً به دلیل نقص فنی در این دستگاه ها نیست، بلکه مربوط به توسعه فناوری به کار رفته در آن دستگاه ها است. همانطور که اپل دستگاه های مدرن را به تراشه تولید خودش مجهز کرده، اکثر شرکت‌ها به لطف فناوری چیپست SoC اکنون به تولید تراشه‌های پردازشی شخصی و سفارشی سازی شده برای رایانه‌ها و دستگاه‌هایی که آنها را تولید می‌کنند روی آورده‌اند.

داستان فناوری SoC چیست ؟!

ممکن است قبلاً در مورد SOC شنیده باشید یا خوانده باشید که مخفف System On a Chip است؛ اما سوال اینجاست که این فناوری Soc چیست و رابطه آن با پردازنده و سایر اجزا چگونه خواهد بود!؟ آیا امکان استفاده از آن بر روی دسکتاپ شخصی وجود دارد؟ بسیاری از سوالات در مورد این قضیه وجود دارد و خوشحال می شوم به شما پاسخ دهم.

کاربرد تراشه SoC یعنی همه چیز در یک قطعه کوچک !

شما باید حداقل یک بار از برنامه های فشرده سازی فایل مانند 7Zip یا WinRAR برای جمع آوری چند فایل و قرار دادن آنها در یک پوشه یا فایل فشرده با اندازه کوچکتر استفاده کرده باشید و در حقیقت با این کار تمام اطلاعات را بدون به خطر انداختن عملکرد یا دقت حفظ کرده اید. می توان گفت که شرکت های فناوری از همین اصل برای طراحی سخت افزار استفاده کردند. فناوری SoC نه تنها فشرده سازی  مدار و قطعات را انجام داده بلکه با ادغام آنها در یک تراشه یکپارچه توانسته گام بزرگی به سمت ارتقای تکنولوژی ساخت قطعات سخت افزاری بردارد.

تشریح بخش های به کار رفته در چیپست SoC

با ساخت تراشه یا همان چیپست SoC قطعاتی مانندCPU  ، GPU، RAM و حتی مودم برای دریافت سیگنال‌های Wi-Fi و بلوتوث، به همراه برخی از پردازنده‌های جانبی مانند پردازنده هوش مصنوعی و سایر اجزای اساسی، همگی در یک تراشه کوچک مجتمع قرار گرفته‌اند. یعنی  SoC همان پردازنده است امابه همرا  بقیه قسمت های اساسی سیستم در یک تراشه قرار گرفته است.

البته این برخلاف چیزی است که در کامپیوترهای معمولی رایج است. به طور مثال سوکت CPU، پورت PCIe برای کارت گرافیک، درگاه DIMM برای RAM و موارد دیگر که نیاز به فضا و انرژی زیادی دارند هر قسمت مستقل است و جای خاص خود را روی مادربرد دارد.  ناگفته نماند که سیستم خنک کننده مستقل تقریبا برای هر قسمت لازم است.

اما عملکرد SoC چیست و چطور خواهد شد؟

در واقع، تعجب خواهید کرد که در نتیجه استفاده از SoC  عملکرد بسیار بالا برای اندازه کوچک و مصرف انرژی بسیار پایین تر حاصل شده است، به خصوص با چیپست های جدید مبتنی بر همان SoC که اپل در سال های اخیر به ما ارائه کرده است.

بهترین نمونه برای این تکنولوژی مربوط به  سری M1 یا نسل دوم  M2متعلق به اپل است، که عملکرد آن شما را شگفت زده می کند. علاوه بر این، فناوری SOC چیزی است که تلفن های ما را هوشمندتر، نازک تر و سبک تر می کند و حتی کامپیوترها را قدرتمندتر، کوچکتر و ارزان تر می کند. این پیشرفت از تصمیمات اتفاقی ناشی نشده است، بلکه قدمت آن به سال‌ها برمی‌گردد.

دنیای دیجیتال قبل از SoC یا سیستم روی تراشه

مطمئناً از حجم و ابعاد بزرگ رایانه ها در ابتدای تولیدشان  که تقریباً به اندازه یک یا دو اتاق از خانه های فعلی ما بود اطلاع دارید و همانطور که اکنون مشاهده می کنید؛ سیستم های کامپیوتری با گذشت زمان کوچکتر شده است و از شنیدن این قضیه شگفت زده نخواهید شد زیرا همین سیستم کنونی شما بسیار کوچک تر از اجداد اولیه IBM خودش است .

پس از اختراع مدار مجتمع یا آی سی در دهه پنجاه ( قرن گذشته که ) به جمع آوری هزاران قطعه میکروالکترونیک در یک قطعه یا برد الکتریکی کمک کرد ؛ ترانزیستورها، مقاومت ها و خازن ها به یکدیگر متصل شده و مدارهای الکترونیکی یکپارچه را در یک تکه سیلیکون تشکیل دادند. این به روز رسانی در طراحی منجر به جایگزینی قطعات بزرگ با قطعات نسبتا کوچکتر شد و تا اوایل دهه هفتاد که اینتل از اولین پردازنده تک تراشه CPU ” اینتل 4004 ” رونمایی کرد ادامه یافت. اینتل 4004  که عناصر پردازش مرکزی را در یک مدار مجتمع واحد ترکیب می کند در واقع یک جهش کوانتومی در فناوری در آن زمان به حساب می آمد.

در ادامه این تاریخچه ، به طور خاص در سال 1974، جناب تگزاس اینسترومنتز اولین  میکروکنترلر یا “تراشه سیلیکونی قابل برنامه ریزی” را منتشر کرد که یک مینی کامپیوتر بود! این قطعه مجتمع به جای فناوری قدیمی، که نیاز به وجود یک آی سی برای هر جزء، اعم از پردازنده، رم و حتی واحد کنترل و دیگر قطعات بود، مجموعه ای از قطعات مهم را در یک قطعه جای داده بود.

این اختراع شبیه به چیپست Soc  امروزی بوده و اختراع ” تگزاس اینسترومنتز ”  آن روزهابه پیدایش رایانه های کوچک، کنسول های بازی دیجیتال و سایر دستگاه هایی که نیاز به پردازش ساده دارند کمک کرد اما میکروکنترلر به دلیل توانایی های محدود در مقایسه با پردازنده مرکزی، رم گسسته و حتی پردازنده گرافیکی که همچنان عملکرد مناسبی را ارائه می دهد، در رایانه ها استفاده نشد.

این موضوع حتی پس از ظهور تلفن‌های سنتی که پردازنده، رم و سایر اجزا به طور جداگانه روی یک مادربرد کار می‌کردند، باقی ماند تا اینکه تلفن‌های هوشمند ظاهر شدند و همه چیز را تغییر دادند! به جای تکیه بر تراشه‌های میکروکنترلر یا حتی ریزپردازنده‌ها، SoC اختراع شد که همان اصل میکروکنترلرها را اتخاذ می‌کند، اما با امکان توسعه ظرفیت تراشه ساخته شده و شامل اجزای مدرن امروزی مانند مودم وایفای است.

به خاطر ساخت تراشه های کنونی و تنها به لطف اختراع Soc که تمام اجزای اصلی، به‌ویژه پردازنده را در یک تراشه سیلیکونی به اندازه یک سکه ترکیب کرد، گوشی‌های هوشمند امروزی مانند آیفون 13 مثل یک لپ‌تاپ جیبی کار آمد و قوی شدند.

مهمترین کاربردهای سیستم در اسلاید

مطمئناً درس پشت این اختراع این است که تا حد امکان اجزای مورد نیاز رایانه را در یک قطعه قرار دهیم تا به چندین هدف از جمله کاهش مصرف انرژی، کاهش هزینه ساخت، بهبود عملکرد و کاهش اندازه واقعی دستگاه دست یابیم.

تراشه Soc  به عنوان یک قطعه ارشد و یک پارچه به طراحی تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌های قدرتمندتر با دمای کمتر و عمر باتری بیشتر و ظاهری شیک و مرتب کمک زیادی می‌کند.

بنابراین، یک گوشی هوشمند بدون فناوری سیستم روی تراشه ارائه شده توسط تراشه هایی مانند اسنپدراگون یا حتی مدیاتک ، سامسونگ Xeno و Kirin هوآوی قابل تصور نیست! بدون در نظر گرفتن تراشه هایی که اپل در 14 سال گذشته در محصولات خود استفاده کرده است دنیای گوشی آیفون به اندازه کنونی مطرح نبود. تراشه‌های SoC بر اساس معماری ARM و توسط شرکت‌های Others ساخته شده‌اند و سپس در سال 2010 اپل اولین تراشه SoC خود را با نام A4 برای کار با آیفون‌ها و آی‌پدها معرفی کرد.

تراشه‌های SoC ا ابتدا تا 2020در میان تبلت‌ها و تلفن‌های هوشمند محبوب باقی ماندند، تا اینکه در سال 2020 تراشه Apple M1 اولین SoC بود که می‌توان از آن در رایانه‌ها، اعم از رایانه‌های رومیزی یا لپ‌تاپ مانند مک‌بوک و iMac استفاده کرد.

آیا فناوری SoC را در رایانه های آینده بیشتری خواهیم دید؟

اگرچه چیپست SoC یک فناوری عالی است، اما کاربردهای فعلی آن به گوشی های هوشمند، تبلت ها، دستگاه های اپل از جمله رایانه های رومیزی iMac و همچنین رایانه های کوچک مانند Raspberry Pi محدود می شود، زیرا در مصرف انرژی صرفه جویی می کند، عملکرد بالاتری ارائه می دهد و اندازه کوچکی دارد.

• ممکن است تا چند سال آینده SoC را در رایانه های رومیزی ویندوزی که نیاز به خنک کننده کیفی دارند، نبینیم.
• فناوری SoC به شما امکان ارتقاء قطعاتی مانند پردازنده، کارت گرافیک و حتی رم را نمی دهد.

 اما با وجود همه از موارد فوق، ما نمی دانیم آینده چه چیزی را برای ما رقم می زند و شاید در آینده نزدیک شاهد ابررایانه هایی باشیم که از SoC یا سیستم یکپارچه روی تراشه استفاده می کنند.

تاریخچه و تکامل SoCs
مفهوم ادغام چندین مؤلفه در یک تراشه واحد به اواخر دهه 1960 برمی گردد. با این حال، توسعه SoC ها به دلیل فناوری و هزینه ساخت مدارهای مجتمع در آن زمان محدود بود. در دهه 1980، با پیشرفت تکنولوژی و کاهش هزینه های ساخت، SoC ها محبوبیت پیدا کردند. امروزه SoC ها بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های الکترونیکی مدرن هستند و در طیف گسترده ای از محصولات، از گوشی های هوشمند گرفته تا تجهیزات پزشکی استفاده می شوند.

SoC ها معمولاً شامل اجزای زیر هستند:

ریزپردازنده: واحد پردازش مرکزی (CPU) SoC که مسئول اجرای دستورالعمل ها و انجام محاسبات است.
حافظه: SoC ها معمولاً شامل رم (حافظه دسترسی تصادفی) و حافظه فلش هستند که به ترتیب داده ها را به طور موقت و دائم ذخیره می کنند.

رابط های ورودی/خروجی: این ها رابط های ارتباطی هستند که به SoC اجازه می دهند با دستگاه های دیگر مانند نمایشگرها، دوربین ها و سایر حسگرها تعامل داشته باشد.
اجزای دیگر: SoCها همچنین ممکن است شامل اجزای اضافی مانند پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP)، واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و سایر اجزای خاص برنامه مورد نظر باشند.

SoC ها چندین مزیت نسبت به سیستم های الکترونیکی سنتی دارند:

اندازه کوچک چیپست SoC : با ادغام چندین مؤلفه در یک تراشه واحد، SoCها به طور قابل توجهی اندازه سیستم های الکترونیکی را کاهش می دهند و آنها را برای استفاده در دستگاه های کوچک مانند تلفن های هوشمند ایده آل می کند.
صرفه جویی در هزینه: ادغام چندین مؤلفه در یک تراشه واحد، هزینه کلی سیستم را کاهش می دهد، زیرا نیاز به اجزا و اتصالات جداگانه را از بین می برد.
افزایش کارایی: SoCها با کاهش تعداد مسیرهای ارتباطی و کاهش مصرف برق، کارایی سیستم های الکترونیکی را افزایش می دهند.
عملکرد بهبود یافته: SoC ها با فعال کردن اجزای سازنده به طور موثرتر با هم کار می کنند.
چالش های SoC ها
با وجود مزایای فراوان SoCها، چالش‌های متعددی نیز در طراحی و ساخت آنها وجود دارد، از جمله:

پیچیدگی: SoC ها سیستم های پیچیده ای هستند که به سطح بالایی از یکپارچگی و هماهنگی بین اجزای مختلف نیاز دارند.
مصرف برق: ادغام چندین جزء در یک تراشه واحد، مصرف برق سیستم را افزایش می دهد که می تواند یک چالش بزرگ در دستگاه های باتری دار باشد.
قابلیت اطمینان: SoC ها می توانند در برابر مسائل مربوط به قابلیت اطمینان آسیب پذیر باشند، مانند خرابی های یک نقطه، که می تواند باعث از کار افتادن کل سیستم شود.

نتیجه: SoC ها بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های الکترونیکی مدرن هستند که مزایای زیادی نسبت به سیستم های سنتی دارند، از جمله اندازه کوچک، صرفه جویی در هزینه، افزایش کارایی و بهبود عملکرد. با وجود چالش‌های مرتبط با طراحی و ساخت، SoCها همچنان نقش مهمی در توسعه محصولات الکترونیکی جدید و نوآورانه ایفا خواهند کرد.