مع كثرة الحديث عن شرائح M1 والهواتف الذكية من Apple هذه الأيام، قد تسمع عن تصميمات “النظام على الشريحة” (SoC) المستخدمة فيها. ولكن ما هي SoCs، وكيف تختلف عن وحدات المعالجة المركزية والمعالجات الدقيقة؟ سنشرح.
النظام على شريحة: التعريف السريع
النظام الموجود على الشريحة عبارة عن دائرة متكاملة تجمع بين العديد من عناصر نظام الكمبيوتر في شريحة واحدة. تشتمل SoC دائمًا على وحدة المعالجة المركزية (CPU)، ولكنها قد تتضمن أيضًا ذاكرة النظام، ووحدات التحكم الطرفية (لـ USB، والتخزين)، وأجهزة طرفية أكثر تقدمًا مثل وحدات معالجة الرسومات (GPUs)، ودوائر الشبكة العصبية المتخصصة، وأجهزة مودم الراديو (للبلوتوث أو Wi-Fi). فاي)، وأكثر من ذلك.
يتناقض النظام الذي يعتمد على الشريحة مع جهاز الكمبيوتر التقليدي الذي يحتوي على شريحة وحدة المعالجة المركزية وشرائح التحكم المنفصلة ووحدة معالجة الرسومات وذاكرة الوصول العشوائي التي يمكن استبدالها أو ترقيتها أو تبادلها حسب الضرورة. إن استخدام SoCs يجعل أجهزة الكمبيوتر أصغر حجمًا وأسرع وأرخص وأقل استهلاكًا للطاقة.
تاريخ موجز لتكامل الإلكترونيات
منذ أوائل القرن العشرين، اتبع تطور الإلكترونيات مسارًا يمكن التنبؤ به فيما يتعلق باتجاهين رئيسيين: التصغير والتكامل. شهد التصغير مكونات إلكترونية فردية مثل المكثفات, المقاومات، و الترانزستورات تصبح أصغر مع مرور الوقت. ومع اختراع دائرة متكاملة (IC) في عام 1958، قام التكامل بدمج مكونات إلكترونية متعددة في قطعة واحدة من السيليكون، مما يسمح بمزيد من التصغير.
ومع حدوث هذا التصغير للإلكترونيات خلال القرن العشرين، أصبحت أجهزة الكمبيوتر أصغر أيضًا. كانت أجهزة الكمبيوتر الرقمية الأولى مصنوعة من مكونات منفصلة كبيرة مثل المرحلات أو الأنابيب المفرغة. وفي وقت لاحق، استخدموا الترانزستورات المنفصلة، ثم مجموعات من الدوائر المتكاملة. في عام 1972، قامت إنتل بدمج عناصر وحدة المعالجة المركزية للكمبيوتر (CPU) في دائرة متكاملة واحدة، وولد أول معالج دقيق تجاري أحادي الشريحة. ومع وجود المعالج الدقيق، يمكن أن تصبح أجهزة الكمبيوتر أصغر حجمًا وتستخدم طاقة أقل من أي وقت مضى.
أدخل وحدة التحكم الدقيقة والنظام على الشريحة
في عام 1974، أصدرت شركة تكساس إنسترومنتس أول جهاز متحكم، وهو نوع من المعالجات الدقيقة المزودة بذاكرة وصول عشوائي (RAM) وأجهزة إدخال/إخراج مدمجة مع وحدة المعالجة المركزية (CPU) على شريحة واحدة. بدلاً من الحاجة إلى وحدات متكاملة منفصلة لوحدة المعالجة المركزية وذاكرة الوصول العشوائي ووحدة التحكم في الذاكرة ووحدة التحكم التسلسلية والمزيد، يمكن وضع كل ذلك في شريحة واحدة للتطبيقات الصغيرة المدمجة مثل حاسبات الجيب والألعاب الإلكترونية.
طوال معظم عصر الكمبيوتر الشخصي، أدى استخدام معالج دقيق مع شرائح تحكم منفصلة وذاكرة الوصول العشوائي وأجهزة الرسومات إلى إنتاج أجهزة كمبيوتر شخصية أكثر مرونة وقوة. كانت وحدات التحكم الدقيقة بشكل عام محدودة جدًا بحيث لا تكون جيدة لمهام الحوسبة العامة، لذلك ظلت الطريقة التقليدية لاستخدام المعالجات الدقيقة مع شرائح داعمة منفصلة قائمة.
في الآونة الأخيرة، أدى التوجه نحو الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية إلى دفع التكامل إلى أبعد من المعالجات الدقيقة أو وحدات التحكم الدقيقة. والنتيجة هي نظام على شريحة، يمكنه تجميع العديد من عناصر نظام الكمبيوتر الحديث (وحدة معالجة الرسومات، مودم الخلية، مسرعات الذكاء الاصطناعي، وحدة تحكم USB، واجهة الشبكة) جنبًا إلى جنب مع وحدة المعالجة المركزية وذاكرة النظام في حزمة واحدة. إنها خطوة أخرى في التكامل المستمر وتصغير الأجهزة الإلكترونية والتي من المرجح أن تستمر لفترة طويلة في المستقبل.
لماذا استخدام النظام على شريحة؟
إن وضع المزيد من عناصر نظام الكمبيوتر على قطعة واحدة من السيليكون يقلل من متطلبات الطاقة، ويقلل التكلفة، ويزيد الأداء، ويقلل الحجم المادي. كل هذا يساعد بشكل كبير عند محاولة إنشاء هواتف ذكية وأجهزة لوحية وأجهزة كمبيوتر محمولة أكثر قوة وتستهلك عمرًا أقل للبطارية.
على سبيل المثال، تفتخر شركة أبل بتصنيع أجهزة حاسوبية مدمجة وقادرة على العمل. على مدى السنوات الـ 14 الماضية، استخدمت شركة Apple شرائح SoC في خطوط iPhone وiPad الخاصة بها. في البداية، استخدموا شرائح SoC القائمة على ARM والمصممة من قبل شركات أخرى. في عام 2010، أطلقت شركة أبل لأول مرة A4 شركة نفط الجنوب، والذي كان أول iPhone SoC صممته شركة Apple. منذ ذلك الحين، قامت شركة Apple بتكرار سلسلة رقائقها A بنجاح كبير. تساعد SoCs أجهزة iPhone على استخدام طاقة أقل مع الحفاظ على صغر حجمها وزيادة قدرتها طوال الوقت. تستخدم شركات تصنيع الهواتف الذكية الأخرى SoCs أيضًا.
حتى وقت قريب، شركة نفط الجنوب نادرا ما ظهرت في أجهزة الكمبيوتر المكتبية. في عام 2020، طرحت Apple شريحة M1، وهي أول شريحة SoC خاصة بها لأجهزة Mac المكتبية والمحمولة. يجمع M1 بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والذاكرة والمزيد على قطعة واحدة من السيليكون. في عام 2021، قامت Apple بتحسين M1 مع M1 Pro وM1 Max. توفر جميع هذه الشرائح الثلاثة أداءً رائعًا لأجهزة Mac مع استهلاك الطاقة مقارنةً ببنية المعالجات الدقيقة المنفصلة التقليدية الموجودة في معظم أجهزة الكمبيوتر الشخصية.
يستخدم جهاز Raspberry Pi 4، وهو كمبيوتر هواة مشهور، أيضًا نظامًا على شريحة (a برودكوم BCM2711) لوظائفه الأساسية، مما يبقي تكلفة الجهاز منخفضة (حوالي 35 دولارًا) مع توفير الكثير من الطاقة. إن المستقبل مشرق بالنسبة لشركة SoCs، التي تواصل تقليد تكامل الإلكترونيات وتصغيرها الذي بدأ منذ أكثر من قرن من الزمان. أوقات مثيرة في المستقبل!
(علامات للترجمة) الأجهزة (ر) أجهزة الكمبيوتر (ر) الميزات