آشنایی با سخت افزارهای SOC

تمامی پلتفرم های دیجیتالی-پردازشی نیازمند 3 سخت افزار اصلی هستند که بدون آنها کار برای آنها غیر ممکن است. این قطعات شامل پردازنده اصلی (CPU)، پردازنده گرافیکی (GPU) و چیپست/کنترلر (Chipset) است. هر یک از قطعات فوق دارای ویژگی هایی هستند و در نهایت برای هر کدام از آنها کاربردی خاص مد نظر است. تمامی این سیستم ها قطعات مورد بحث را بر روی یک برد واحد که عموما “مادربرد” نامیده می شود حمل می کنند. مادربرد می تواند برد یک میکرو کامپیوتر Raspberry باشد و یا یک مادربرد حرفه ای و با عملکرد بالا مانند مدل های مجهز به چیپست X99. تفاوتی نمی کند، هر دو محصول به 3 قطعه سخت افزاری نیازمند بوده و بدون آنها قادر به فعالیت نیستند. در گذشته و سیستم های قدیمی، هر 3 قطعه به صورت کاملا مجزا در مدارات مجتمع (IC) مورد استفاده قرار می گرفتند. به همین علت مواردی از جمله پهنای باند (Bandwidth)، مصرف انرژی و پرفورمنس، با عملکردی پایین تر از سطح انتظار روی می داد. از سوی دیگر با کوچک شدن تجهیزات دیجیتالی مانند تبلت و موبایل، امکان استفاده از 3 قطعه به صورت مجزا وجود نداشت و باز هم توان حرارتی (TDP) و مصرف انرژی دست و پای توسعه آنها را می بست. در نتیجه کمپانی ها به فکر ادغام این قطعات افتاده و استانداردی با نام SOC تولید شد.

سیستم روی یک تراشه (System on a chip) یا سیستم روی تراشه (System on chip) به‌معنای یکپارچه سازی اجزای یک کامپیوتر یا دیگر سیستم‌های الکترونیکی شامل پردازشگرهای سیستم یا موبایل در یک مدار مجتمع (تراشه) است. سیستم بر روی مدار مجتمع به منظور هماهنگ کردن سخت‌افزار و نرم‌افزار یک پردازشگر و یا یک سامانه کامپیوتری است. در تراشه های SOC حداقل 2 قطعه اصلی شامل پردازنده گرافیکی و پردازنده اصلی سیستم وجود دارد. در برخی دیگر نیز چیپست و کنترلر نیز وجود دارد. این نوع از تراشه ها (SOC) را می توان با عناوین دیگر نیز جستجو کرد. مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (Application-specific integrated circuit ) (به اختصار ASIC) مدارهای مجتمعی هستند که به منظور انجام عملیات خاص، طراحی و بهینه سازی شده‌اند . به عنوان مثال یک پردازنده ویژه که در گوشی موبایل مورد استفاده قرار می گیرد نمونه ای از این نوع تراشه ها هستند. استفاده از تراشه های ASIC به افزایش کارایی سیستم منتهی می شود اما طرح ایجاد شده از انعطاف پذیری لازم برخوردار نیست. در مقابل، پردازنده ها با وجود انعطاف پذیری از قابلیت های لازم برخوردار نیستند . FPGA ها راه حلی برای ایجاد یک سیستم با انعطاف پذیری بالا و کارایی مورد نیاز هستند. در ‌ASIC‌‌های اولیه از فن‌اوری آرایه گیت استفاده می‌شد. اولین برنامه‌ی تجاری موفق در سال‌های ۱۹۸۱ و ۱۹۸۲ در کامپیوترهای ۸ ‌بیتی‌ سری ‌ZX‌ اتفاق افتاد.

اما با وجود مزایای بسیار، تراشه های ASIC دارای مشکلاتی نیز بودند؛ به عنوان مثال تولید آنها در تعداد پایین به هیچ وجه توجیه اقتصادی ندارد و هزینه اولیه لازم برای تولید این تراشه ها بسیار بالاست به طوری که اگر تعداد تراشه های مورد نیاز از حد خاص کمتر باشد تولید آن ها از دیدگاه اقتصادی قابل توجیه نیست. دومین ایراد آنها این است که زمان اولیه لازم برای طراحی و تولید آن ها نسبتاً طولانی است که این موضوع به افزایش زمان ارائه محصول به بازار منجر می شود. مشکل دیگر این تراشه ها آن است که در صورت نیاز به ایجاد یک تغییر کوچک در طراحی، باید پروسه زمان بر و پر هزینه فوق مجددا طی شود. پس از ورودی تراشه های FPGA به دنیای دیجیتال، این مشکلات تا حد بسیار زیاد برطرف گردید؛ تا آن جا که یکی از کاربرد های تراشه های FPGA در انجام مراحل تست و راه اندازی ASIC ها است. به این ترتیب که طرح مورد نظر توسط تراشه FPGA تست می شود و پس از رفع اشکالات و انجام تصحیحات لازم، به روی تراشه ASIC پیاده سازی می شود. مزیت این روش آن است که از تکرار پروسه زمان بر و پر هزینه تولید تراشه های ASIC جلوگیری می کند. تراشه های FPGA یا Field-programmable gate array یک مدار مجتمع هستند که به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا بعد از تولید انبوه، قابل پیکربندی توسط طراح یا مشتری باشد. به این علت به آن برنامه‌پذیر در میدان می‌گویند.

امروزه کمپانی هایی مانند ARM در جهان وجود دارند که معماری پردازنده های خود را به شرکت های تولید کننده تجهیزات دیجیتالی و سخت افزاری عرضه می کنند و آنها مختار هستند تا این معماری را به شیوه های دلخواه خود مورد استفاده قرار دهند. بیشترین استفاده از معماری های مورد نظر نیز در تراشه های SOC روی می دهد. از جمله این تراشه ها می توان به SOC های Nvidia Tegra اشاره کرد. این تراشه ها از جمله مدل های توسعه یافته انویدیا به حساب می آیند که با هدف استفاده در تجهیزاتی مانند گوشی های موبایل، تبلت، کنسول های دستی و… طراحی شده اند. SOC های Nvidia Tegra از ترکیب معماری ARM در بخش پردازنده، پردازنده گرافیکی، کنترلر، چیپست پل شمالی و جنوبی (Northbridge و Southbridge) تشکیل شده اند. مدل های اولیه تگرا تنها برای انجام کاربردهای مولتی مدیا طراحی شده بودند اما پس از مدت کوتاهی مدل هایی روانه بازار شد که حتی قابلیت اجرای بازی ها را بدون به خطر افتادن منابع انرژی (باتری) در خود داشت. تگرا APX 2500 در فوریه سال 2008 معرفی شد و تگرا APX 2600 نیز در سال 2009 با هدف استفاده در گوشی های هوشمند راهی بازار شد. نخستین محصولی که از تراشه های تگرا در سیستم خود بهره گرفت، Zune HD از کمپانی مایکروسافت بود و سپس در سپتامبر سال 2009 سامسونگ الکترونیک دومین مصرف کننده تراشه های Tegra در M1 بود. سپس مایکروسافت به اولین استفاده کننده ی تگرا در گوشی های هوشمند خود، آن را در دنیای موبایل های هوشمند وارد کرد. با این وجود توانایی این SOC کمتر از انتظار مایکروسافت از آب در آمد.

پس از آن Nvidia با برخی از توسعه دهندگان نرم افزار وارد همکاری شد و نرم افزارهایی مانند Opera و مرورگرهای دیگر نیز با سازگاری بیشتری با SOC های Tegra تولید شدند. در ژانویه سال 2010 برای اولین بار شاهد عرضه محصولی قدرتمند در زمینه SOC ها بودیم که Nvidia Tegra 250 نام داشت. این پردازنده مجتمع با توانایی های بالای خود می توانست در تبلت هایی با عملکرد بالا، نوت بوک های متوسط، مادربردهای آماده و … مورد استفاده قرار گیرد. پشتیبانی از سیستم عامل های “اندروید” و انواع توزیع های “لینوکس” نیز بدان اضافه شد. تراشه Tegra 3 در فوریه سال 2011 و در جریان کنفرانس جهانی موبایل واقع در بارسلونا رونمایی شد. این تراشه به عنوان نخستین محصول 4 هسته ای در SOC های این شرکت به حساب می آید و دستاوردهای چشمگیری را به نسبت دیگر مدل های رقیب از خود نشان داد. در ژانویه سال 2012 انویدیا به طور رسمی تائید کرد که کمپانی “آئودی” برای سیستم های هدایت ناوبری و سرگرمی داخلی خودروهای خود از کامپیوترهای Tegra 3 بهره خواهد گرفت. در تابستان همان سال “تسلا موتور” نیز خودروهای هیبریدی خود را به NVIDIA Tegra 3D Visual Computing Modules (VCM) مجهز کرد. در 20 اکتبر سال 2016، در نهایت انویدیا آخرین تراشه های Tegraرا در کنسول Nvidia Shield به خدمت گرفت.

در این مطلب با تراشه های SOC، انواع آن، کاربرد و مواردی از این دست آشنا شدیم؛ در ادامه به معرفی بخش هایی خواهیم پرداخت که در SOC های امروزی موجود هستند.

پردازنده های چند هسته ای، ریزپردازنده، کنترلر ها، پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP) و MPSOC

بلوک های حافظه اعم از EEPROM، RAM و ROM

منابع زمان بندی از جمله اسیلاتورهای و حلقه قفل فاز

رابط های خارجی از جمله استانداردهای صنعتی از قبیل USB ، FireWire و ، اترنت ، USART ، SPI

رابط های آنالوگ و مبدل ها از جمله DAC

مدار مدیریت جریان رگولاتور ولتاژ