تراشه (SoC) گوشی هوشمند چیست و چگونه عملکرد دستگاه را تعیین می‌کند؟

طراحی گوشی هوشمند بعدی شما توسط برندی که نامش روی جعبه حک شده تعیین نمی‌شود، بلکه در دست گروه کوچکی از معماران سیلیکون در شرکت‌هایی مانند کوالکام، مدیاتک و اپل است که تولیداتشان تقریباً به طور انحصاری توسط TSMC ساخته می‌شود.

هر ساله، این طراحان با یک محدودیت فیزیکی سخت روبرو هستند: چه تعداد میلیارد ترانزیستور را می‌توانند در قطعه‌ای سیلیکونی به اندازه یک ناخن جای دهند. آنچه آن‌ها تصمیم می‌گیرند در این «سیستم روی تراشه» (SoC) بگنجانند، دقیقاً دیکته می‌کند که دستگاه شما چه کاری می‌تواند انجام دهد و از چه کاری ناتوان است.[1]

در هسته مرکزی خود، یک SoC در واقع یک مادربرد کامل کامپیوتر است که تا مقیاس میکروسکوپی کوچک شده است. در یک رایانه رومیزی سنتی، پردازنده مرکزی (CPU)، کارت گرافیک (GPU) و حافظه (RAM) قطعات فیزیکی جداگانه‌ای هستند که توسط مسیرهای مسی روی برد به هم متصل شده‌اند.

اما یک SoC تمام این عناصر را به همراه مودم‌ها، پردازنده‌های تصویر و موتورهای عصبی روی یک قالب واحد ادغام می‌کند. این ادغام شدید، مسافتی را که داده‌ها باید طی کنند به شدت کاهش می‌دهد؛ این همان دلیل اصلی است که گوشی‌های هوشمند می‌توانند قدرت محاسباتی عظیمی را ارائه دهند در حالی که با یک باتری کوچک کار می‌کنند و در دست شما ذوب نمی‌شوند.[2]

پایه و اساس تقریباً هر SoC موبایل، معماری ARM است. برخلاف معماری x86 که در تراشه‌های سنتی رایانه‌های شخصی استفاده می‌شود، ARM از مدل دستورالعمل‌های ساده‌شده (RISC) بهره می‌برد تا بهره‌وری انرژی را به حداکثر برساند. تراشه‌های مدرن از چیدمان هسته‌های ناهمگن (big.LITTLE) استفاده می‌کنند.

به عنوان مثال، پردازنده اسنپدراگون ایکس ۲ الیت کوالکام از ترکیبی از هسته‌های «اصلی» (Prime) برای کارهای سنگین و هسته‌های «عملکرد/کارایی» برای عملیات پس‌زمینه استفاده می‌کند. این معماری به تراشه اجازه می‌دهد هنگام خواندن ایمیل انرژی بسیار کمی مصرف کند، اما هنگام باز کردن یک برنامه سنگین فوراً قدرت خود را افزایش دهد.[2]

فراتر از پردازنده مرکزی، SoC بخش قابل توجهی از فضای سیلیکون را به واحد پردازش گرافیکی (GPU) و پردازشگر سیگنال تصویر (ISP) اختصاص می‌دهد. پردازنده گرافیکی همه چیز را از انیمیشن‌های روان رابط کاربری تا رندر بازی‌های سه‌بعدی مدیریت می‌کند. در حالی که مواد تبلیغاتی مرتباً به «گیمینگ در سطح کنسول» و رهگیری پرتو (Ray Tracing) شتاب‌یافته سخت‌افزاری می‌بالند - مانند بهبود ۱۸۲ درصدی که شیائومی برای تراشه XRING O3 خود ادعا می‌کند - واقعیت توسط گلوگاه‌های حرارتی محدود می‌شود.

یک گوشی هوشمند فاقد فن‌های خنک‌کننده فعال است، به این معنی که حداکثر عملکرد گرافیکی اغلب تنها برای چند دقیقه قابل حفظ است و پس از آن تراشه باید برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، سرعت خود را کاهش دهد.

تهاجمی‌ترین بخش بازاریابی در تراشه‌های مدرن، واحد پردازش عصبی (NPU) است. سازندگان تراشه در یک مسابقه تسلیحاتی برای اعلام بالاترین میزان «TOPS» (تریلیون عملیات در ثانیه) هستند. کوالکام واحد عصبی Hexagon خود را ۸۰ TOPS ارزیابی می‌کند، در حالی که دایمنسیتی ۹۶۰۰ پرو مدیاتک از واحدهای عصبی دوگانه برای انتقال استنتاج هوش مصنوعی از فضای ابری به صورت مستقیم روی دستگاه استفاده می‌کند.

با این حال، یک نگاه شکاکانه در اینجا ضروری است: در حالی که NPUها واقعاً عکاسی محاسباتی را تسریع می‌کنند، ویژگی‌های «هوش مصنوعی عامل‌محور» که در کنفرانس‌ها به شدت تبلیغ می‌شوند، اغلب به اکوسیستم‌های نرم‌افزاری وابسته‌اند که هنوز سال‌ها تا بلوغ فاصله دارند. سخت‌افزار عرضه شده است، اما موارد استفاده تحول‌آفرین هنوز در حد معرفی باقی مانده‌اند.

یک SoC اگر نتواند داده‌ها را به سرعت کافی جابجا کند، عملاً بی‌فایده است. اینجاست که کنترلرهای حافظه و مودم‌ها وارد عمل می‌شوند. جدیدترین نسل تراشه‌ها، مانند XRING O3، اولین نمونه‌هایی هستند که از حافظه LPDDR6 پشتیبانی می‌کنند و پهنای باندی تا ۱۱۳.۸ گیگابایت بر ثانیه ارائه می‌دهند.

این خط لوله عظیم ضروری است زیرا CPU، GPU و NPU همگی از یک استخر حافظه مشترک استفاده می‌کنند. به طور همزمان، مودم‌های یکپارچه 5G و کنترلرهای وای‌فای، گیگابیت‌ها داده بی‌سیم را مدیریت می‌کنند، در حالی که همگی برای دریافت سهمی از بودجه محدود انرژی با هم رقابت می‌کنند.

ما در حال نزدیک شدن به محدودیت‌های فیزیکی طراحی سیلیکون‌های یکپارچه (Monolithic) هستیم. همانطور که TSMC به سمت گره‌های تولیدی ۳ نانومتری و ۲ نانومتری حرکت می‌کند، هزینه کوچک کردن ترانزیستورها به شدت در حال افزایش است. برای دور زدن این محدودیت‌ها، صنعت در حال تغییر مسیر به سمت معماری‌های «چیپلت» (Chiplet) و انباشت سه‌بعدی است.

به جای یک تراشه عظیم، طراحان در حال روی هم قرار دادن عمودی ویفرهای حافظه و محاسباتی هستند - مانند انباشت یک واحد عصبی ۶ نانومتری با حافظه DRAM در شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی اخیر. این تغییر معماری تأیید می‌کند که آینده عملکرد موبایل صرفاً از کوچک‌تر کردن ترانزیستورها ناشی نخواهد شد، بلکه از تغییر بنیادین در نحوه بسته‌بندی و اتصال آن‌ها به یکدیگر سرچشمه می‌گیرد.[1]

در نهایت، معماری SoC نشان‌دهنده یک بازی مداوم با مصالحه‌ها است. هر میلی‌متر مربعی که به پردازشگر هوش مصنوعی اختصاص می‌یابد، فضایی است که از هسته‌های پردازشی یا گرافیکی گرفته شده است. درک این تعادل به کاربران اجازه می‌دهد تا فراتر از اعداد تبلیغاتی، دستگاهی را انتخاب کنند که معماری آن با نیازهای واقعی و روزمره آن‌ها همخوانی داشته باشد.[3]