ما هو النظام الموجود على شريحة (SoC)؟
مع كثرة الحديث عن M1 من Apple وشرائح الهواتف الذكية هذه الأيام ، قد تسمع عن تصميمات “النظام على شريحة” (SoC) المستخدمة فيها. ولكن ما هي SoCs ، وكيف تختلف عن وحدات المعالجة المركزية والمعالجات الدقيقة؟ سنشرح.
نظام على رقاقة: التعريف السريع
النظام الموجود على الشريحة عبارة عن دائرة متكاملة تجمع بين العديد من عناصر نظام الكمبيوتر في شريحة واحدة. تتضمن SoC دائمًا وحدة المعالجة المركزية (CPU) ، ولكنها قد تتضمن أيضًا ذاكرة النظام ، ووحدات التحكم الطرفية (لـ USB ، والتخزين) ، والأجهزة الطرفية الأكثر تقدمًا مثل وحدات معالجة الرسومات (GPUs) ، ودوائر الشبكة العصبية المتخصصة ، وأجهزة المودم الراديوية (للبلوتوث أو Wi- Fi) والمزيد.
يتناقض النظام الذي يعتمد على نهج الرقاقة مع جهاز الكمبيوتر التقليدي المزود بشريحة وحدة المعالجة المركزية وشرائح وحدة تحكم منفصلة ووحدة معالجة الرسومات وذاكرة الوصول العشوائي التي يمكن استبدالها أو ترقيتها أو تبديلها حسب الضرورة. استخدام SoCs يجعل أجهزة الكمبيوتر أصغر وأسرع وأرخص وأقل استهلاكًا للطاقة.
تاريخ موجز لتكامل الإلكترونيات
منذ أوائل القرن العشرين ، اتبعت تطور الإلكترونيات مسارًا يمكن التنبؤ به فيما يتعلق باتجاهين رئيسيين: التصغير والتكامل. شهد التصغير أن المكونات الإلكترونية الفردية مثل المكثفات والمقاومات والترانزستورات تصبح أصغر بمرور الوقت. ومع اختراع الدائرة المتكاملة (IC) في عام 1958 ، دمج التكامل عدة مكونات إلكترونية في قطعة واحدة من السيليكون ، مما يسمح بمزيد من التصغير.
نظرًا لأن هذا التصغير للإلكترونيات حدث خلال القرن العشرين ، فقد أصبحت أجهزة الكمبيوتر أصغر أيضًا. كانت أجهزة الكمبيوتر الرقمية الأولى مصنوعة من مكونات منفصلة كبيرة مثل المرحلات أو الأنابيب المفرغة. في وقت لاحق ، استخدموا ترانزستورات منفصلة ، ثم مجموعات من الدوائر المتكاملة. في عام 1972 ، جمعت إنتل عناصر وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر (CPU) في دائرة متكاملة واحدة ، وولد أول معالج تجاري دقيق أحادي الرقاقة. باستخدام المعالج الدقيق ، يمكن أن تكون أجهزة الكمبيوتر أصغر حجمًا وتستخدم طاقة أقل من أي وقت مضى.
أدخل وحدة التحكم الدقيقة والنظام على رقاقة
في عام 1974 ، أصدرت شركة Texas Instruments أول متحكم دقيق ، وهو نوع من المعالجات الدقيقة مع ذاكرة الوصول العشوائي وأجهزة الإدخال / الإخراج المدمجة مع وحدة المعالجة المركزية على شريحة واحدة. بدلاً من الحاجة إلى دوائر متكاملة منفصلة لوحدة المعالجة المركزية وذاكرة الوصول العشوائي ووحدة التحكم في الذاكرة ووحدة التحكم التسلسلية والمزيد ، يمكن وضع كل ذلك في شريحة واحدة للتطبيقات المدمجة الصغيرة مثل حاسبات الجيب والألعاب الإلكترونية.
طوال معظم عصر الكمبيوتر الشخصي ، أدى استخدام المعالج الدقيق مع شرائح تحكم منفصلة وذاكرة الوصول العشوائي وأجهزة الرسومات إلى إنتاج أجهزة الكمبيوتر الشخصية الأكثر مرونة وقوة. كانت المتحكمات الدقيقة بشكل عام محدودة للغاية بحيث لا تكون جيدة لمهام الحوسبة العامة ، لذلك ظلت الطريقة التقليدية لاستخدام المعالجات الدقيقة ذات الرقائق الداعمة المنفصلة قائمة.
في الآونة الأخيرة ، دفع الاتجاه نحو الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية التكامل إلى أبعد من المعالجات الدقيقة أو وحدات التحكم الدقيقة. والنتيجة هي النظام الموجود على شريحة ، والذي يمكنه تجميع العديد من عناصر نظام الكمبيوتر الحديث (وحدة معالجة الرسومات ، ومودم الخلية ، ومسرعات الذكاء الاصطناعي ، ووحدة تحكم USB ، وواجهة الشبكة) جنبًا إلى جنب مع وحدة المعالجة المركزية وذاكرة النظام في حزمة واحدة. إنها خطوة أخرى في التكامل المستمر وتصغير الإلكترونيات التي من المحتمل أن تستمر لفترة طويلة في المستقبل.
لماذا سيتم استخدام نظام على رقاقة؟
يؤدي وضع المزيد من عناصر نظام الكمبيوتر على قطعة واحدة من السيليكون إلى تقليل متطلبات الطاقة وتقليل التكلفة وزيادة الأداء وتقليل الحجم المادي. كل ذلك يساعد بشكل كبير عند محاولة إنشاء هواتف ذكية وأجهزة لوحية وأجهزة كمبيوتر محمولة أكثر قوة من أي وقت مضى والتي تستخدم عمر بطارية أقل.
على سبيل المثال ، تفخر Apple بنفسها في صنع أجهزة حوسبة مدمجة وقادرة. على مدار الـ 14 عامًا الماضية ، استخدمت Apple SoCs في خطوط iPhone و iPad الخاصة بها. في البداية ، استخدموا SoCs القائمة على ARM والتي صممتها شركات أخرى. في عام 2010 ، طرحت Apple لأول مرة A4 SoC ، والذي كان أول هاتف iPhone SoC صممه Apple. منذ ذلك الحين ، كررت Apple سلسلة الرقائق A بنجاح كبير. تساعد SoCs أجهزة iPhone على استخدام طاقة أقل مع الحفاظ على صغر حجمها وزيادة قدراتها طوال الوقت. تستخدم شركات تصنيع الهواتف الذكية الأخرى SoCs أيضًا.
حتى وقت قريب ، نادرًا ما ظهرت SoCs في أجهزة الكمبيوتر المكتبية. في عام 2020 ، طرحت شركة آبل M1 ، وهو أول معالج SoC لأجهزة Mac المكتبية والمحمولة. يجمع M1 بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والذاكرة والمزيد في قطعة واحدة من السيليكون. في عام 2021 ، قامت Apple بتحسين M1 باستخدام M1 Pro و M1 Max. تمنح جميع هذه الرقائق الثلاثة أجهزة Mac أداءً مذهلاً مع احتساء القوة مقارنةً ببنية المعالجات الدقيقة التقليدية الموجودة في معظم أجهزة الكمبيوتر.
يستخدم Raspberry Pi 4 ، وهو كمبيوتر هواة شهير ، أيضًا نظامًا على شريحة (Broadcom BCM2711) لوظائفه الأساسية ، مما يجعل تكلفة الجهاز منخفضة (حوالي 35 دولارًا) مع توفير الكثير من الطاقة. المستقبل مشرق لشركة SoCs ، التي تواصل تقليد تكامل الإلكترونيات وتصغيرها الذي بدأ منذ أكثر من قرن. أوقات ممتعة في المستقبل!