SoC คืออะไร?

หากคุณเคยดูภายในพีซีทาวเวอร์ คุณจะเห็นว่ามีส่วนประกอบต่างๆ มากมาย แล็ปท็อปทั่วไปของคุณมีส่วนประกอบส่วนใหญ่เหมือนกัน แต่ลดขนาดลง ฟอร์แมตใหม่ และลดพื้นที่ที่ "เสียเปล่า" ออกไปให้ได้มากที่สุด สมาร์ทโฟนสามารถทำสิ่งเดียวกันกับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปหรือแล็ปท็อปได้ แต่ก็ไม่เร็วเท่า ทำได้เพราะมีฮาร์ดแวร์ประเภทเดียวกัน แม้ว่าในตัวเครื่องขนาดเล็กของสมาร์ทโฟนจะมีพื้นที่ไม่เพียงพอสำหรับสิ่งที่ดูเหมือนแล็ปท็อป เพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดด้านพื้นที่ที่สำคัญ จึงใช้กระบวนทัศน์การออกแบบใหม่ทั้งหมด

ระบบบนชิป

คอมพิวเตอร์ใช้พลังงานจาก CPU สมาร์ทโฟนโดย SoC หรือระบบบนชิป SoC ประกอบด้วย CPU แต่ยังมีมากกว่านั้น และนั่นคือสิ่งที่สร้างความแตกต่าง และทำให้ฟอร์มแฟกเตอร์ของสมาร์ทโฟนขนาดเล็กสามารถนำเสนอคุณสมบัติแบบเดียวกับคอมพิวเตอร์ ในขณะที่ใส่ในกระเป๋าของคุณและแบตเตอรี่ขนาดเล็กหมด

หมายเหตุ: SoC ย่อมาจาก System on Chip อย่างไรก็ตาม การย่อ System on a Chip มีความหมายทางไวยากรณ์มากกว่า ถ้ามันช่วยคุณได้ ให้สันนิษฐานว่า "a" อยู่ในวงเล็บและสันนิษฐานแต่ยังไม่ได้พูด

กระบวนทัศน์ของคอมพิวเตอร์คือการแยกส่วนต่างๆ เพื่อให้คุณสามารถปรับแต่งแต่ละส่วนได้อย่างอิสระและระบายความร้อนอย่างเหมาะสม แม้ว่าแล็ปท็อปมักจะมีปัญหากับส่วนสุดท้ายก็ตาม กระบวนทัศน์สำหรับอุปกรณ์พกพาคือการจัดกลุ่มทุกอย่างเข้าด้วยกันเป็นชิปซุปเปอร์ที่ครอบคลุมทั้งหมดระบบเดียวบนชิปตัวเดียว

SoC ประกอบด้วยอะไรบ้าง?

ขึ้นอยู่กับ SoC และจุดประสงค์ของมันจริงๆ จำเป็นต้องมีคอร์ประมวลผลอย่างน้อยหนึ่งคอร์ นี่อาจเป็นคอร์ CPU ที่ใช้งานทั่วไป หรืออาจเป็นคอร์ไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือบางอย่างที่เจาะจงกว่านั้น เช่น ตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัล โดยทั่วไปแล้ว SoC จะประกอบด้วยคอร์ประมวลผลหลายคอร์ แม้ว่าผลิตภัณฑ์พื้นฐานบางอย่างอาจใช้เพียงคอร์เดียว SoC ต้องมีการเชื่อมต่อระหว่างกันเพื่อเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ บนชิป ในอดีต นี่เป็นบัสที่ใช้ร่วมกัน อย่างไรก็ตาม ระบบปัจจุบันและอนาคตมีแนวโน้มไปสู่ระบบคล้ายเครือข่ายที่แข็งแกร่งมากขึ้น ซึ่งเรียกว่า NoC หรือ Network on Chip

เคล็ดลับ: อย่าสับสนระหว่าง NoC กับ NOC หรือ Network Operations Center

สิ่งอื่นเกือบทั้งหมดเป็นตัวเลือกแม้ว่าจะต้องมีมากกว่านี้เพื่อให้เป็น SoC หน่วยความจำและตัวควบคุมหน่วยความจำสามารถรวมเข้ากับชิปในรูปแบบของแคช SRAM และ DRAM แม้ว่าจะสามารถใช้หน่วยความจำนอกชิปได้เช่นกัน SoC สำหรับสมาร์ทโฟนมักจะมีหน่วยประมวลผลประเภทอื่นๆ เช่น GPU, NPU และตัวประมวลผลสัญญาณดิจิทัลรวมอยู่ด้วย

zzz

ทำไมต้องเลือก SoC?

โดยทั่วไปแล้ว SoC จะเป็นชิปซิลิกอนเสาหินเดียว ที่กล่าวว่า เทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์สมัยใหม่เริ่มเปิดใช้งานการซ้อนชิปซิลิกอนแบบ 3 มิติซ้อนทับกัน การออกแบบ 3D เหล่านี้มักจะเรียกว่าชิปเดี่ยวและ SoCs SoC ที่ใช้ชิปเล็ตที่แตกต่างกันจะแยกความแตกต่างเป็น System In Package หรือ SIP

การออกแบบระบบที่รวมทุกอย่างไว้ในชิปตัวเดียวนั้นยอดเยี่ยมสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีพื้นที่จำกัด เนื่องจากความหนาแน่นของ IP บนซิลิกอนนั้นสูงมาก อย่างไรก็ตาม ความท้าทายด้านอวกาศก็เกิดขึ้น ชิปขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะให้ผลผลิตต่ำ เนื่องจากข้อบกพร่องในซิลิคอนเวเฟอร์มีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบต่อชิปใดๆ ก็ตาม การบรรจุพลังการประมวลผลจำนวนมากไว้ด้วยกันยังหมายถึงการผลิตความร้อนจำนวนมากได้อีกด้วย เมื่อรวมเข้าด้วยกันหมายความว่าต้องมีการประนีประนอมเพื่อให้แน่ใจว่าระบบมีเสถียรภาพ สิ่งนี้ยังทำงานร่วมกันได้ดีกับข้อกำหนดด้านพลังงานของอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่จำนวนมากที่ใช้ SoC ซึ่งประสิทธิภาพการใช้พลังงานเป็นกุญแจสำคัญ

สำหรับอุปกรณ์ของผู้ใช้ปลายทางโดยตรง ต้องหาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงและประสิทธิภาพสูง ด้วยเหตุนี้ SoC ของสมาร์ทโฟนส่วนใหญ่จึงใช้แกนประมวลผล CPU หลายแกนซึ่งบางแกนได้รับการปรับแต่งเพื่อประสิทธิภาพและบางอันได้รับการปรับแต่งเพื่อประสิทธิภาพ

ด้วยการวางทุกอย่างไว้บนชิปตัวเดียว เวลาในการตอบสนองจะลดลงและสามารถรับแบนด์วิธที่สูงขึ้นได้ นอกจากนี้ พลังงานที่จำเป็นในการสื่อสารสัญญาณจะลดลงเนื่องจาก "สายเคเบิล" สั้นลง ด้วยชิปที่ผสานรวมอย่างแน่นหนา ความผิดพลาดจึงน้อยลง นอกจากนี้ ต้นทุนการผลิตยังไม่รวมต้นทุนสำหรับขั้นตอนการผสมเพิ่มเติม เช่น ในการออกแบบชิปเล็ต

ข้อจำกัดของ SoC

ข้อจำกัดเดียวที่ใหญ่ที่สุดของ SoC คือความหนาแน่นของความร้อน/พลังงาน เป็นเรื่องยากที่จะระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์ โดยเฉพาะอย่างสมาร์ทโฟนที่ต้องพึ่งพาการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ ต้องปรับ SoC ให้เข้ากับซองระบายความร้อนที่คาดไว้ นี่คือปัจจัยจำกัดประสิทธิภาพของสมาร์ทโฟนในท้ายที่สุด เมื่อขยายไปยังอุปกรณ์ที่มีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟมากขึ้น เช่น Mac book รุ่นล่าสุดที่มีซิลิกอนที่ออกแบบเองโดย Apple งบประมาณด้านพลังงานจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากความร้อนนั้นสามารถกระจายออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยเหตุนี้ชิป M1 และ M2 จึงมอบพลังการประมวลผลที่เหนือกว่า SoC ของสมาร์ทโฟนอย่างมาก

มีข้อ จำกัด ในการนี้แม้ว่า ซีพียูและ GPU ระดับไฮเอนด์ที่ทันสมัยนั้นร้อนแรงอย่างไม่น่าเชื่อ คุณไม่สามารถรวมทั้งสองอย่างเข้าด้วยกันเป็น SoC ขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวได้ ความหนาแน่นของความร้อนจะสูงเกินไป และเป็นไปไม่ได้เลยที่จะระบายความร้อน อุปกรณ์เหล่านี้บางส่วน GPU มากกว่า CPU ก็มาถึงขีดจำกัดของเทคโนโลยีปัจจุบันเท่าที่ชิปขนาดใหญ่จะทำได้ สิ่งนี้สามารถเห็นได้จากการเปลี่ยนแปลงที่เริ่มไปสู่การออกแบบชิปเล็ตแล้ว

ชิปเล็ตช่วยได้หลายอย่าง ช่วยลดต้นทุนการออกแบบและเพิ่มผลผลิต แต่ไม่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อความร้อน เนื่องจากชิปเล็ตยังคงต้องบรรจุให้ใกล้กันจริงๆ และใช้อุปกรณ์กระจายความร้อนเดียวกันร่วมกัน ด้วยเหตุนี้ จึงมีพลังในการประมวลผลมากเท่านั้นที่สามารถอัดลงใน SoC ก่อนที่มันจะใหญ่เกินไปและเทอะทะ ซึ่ง ณ จุดนั้นสามารถบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้นได้โดยการแยกส่วนประกอบออกดังที่เห็นในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่

ที่กล่าวว่า คอมพิวเตอร์จะค่อยๆ รวมคุณสมบัติต่างๆ เข้ากับ CPU มากขึ้นเรื่อยๆ มีประโยชน์ด้านประสิทธิภาพในการทำเช่นนั้น กระบวนการนี้ไม่น่าจะขยายไปไกลเกินไป ที่เก็บข้อมูลขนาดใหญ่ DRAM และกราฟิกระดับไฮเอนด์โดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่น่าจะรวมเข้าด้วยกัน

บทสรุป

SoC ย่อมาจาก System on Chip อย่าสับสนกับ SOC ซึ่งย่อมาจาก Security Operations Center หรือ Systems and Organization Controls เป็นแนวคิดของการรวมส่วนประกอบส่วนใหญ่ของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์เข้ากับชิปซิลิคอนตัวเดียวโดยตรง แกนหลักของชิปคือ CPU แต่ส่วนประกอบและพลังการประมวลผลอื่นๆ ส่วนใหญ่รวมอยู่ด้วยโดยตรง กระบวนทัศน์การออกแบบ SoC ประสบความสำเร็จอย่างมากในตลาดสมาร์ทโฟน นอกจากนี้ยังเห็นการใช้งานในอุปกรณ์ฝังตัว, IoT และระบบอุตสาหกรรมที่มี "ความฉลาด" มากกว่าไมโครคอนโทรลเลอร์แบบเดิม SoC สามารถพบได้ในแท็บเล็ตและแล็ปท็อปบางรุ่น

ในตลาดของพวกเขา SoC มักจะได้รับการปรับเพื่อประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยมีตัวเลือกประสิทธิภาพสูงสุดตามความต้องการ สิ่งนี้ไม่จำเป็นสำหรับการออกแบบ ประสิทธิภาพโดยรวมถูกจำกัดโดยความหนาแน่นของความร้อน ซึ่งหมายความว่ามีข้อจำกัดว่าควรรวมฟังก์ชันการทำงานเข้ากับ SoC มากน้อยเพียงใดแทนที่จะแยกส่วนออก