SoC: كل ما تحتاج لمعرفته حول المعالجات المحمولة

تم تحديث الملف في أغسطس 2018

إذا كنت لا تعرف شيئًا عن ذلك، ولكنك فضولي: عظيم! يهدف هذا الملف إلى مساعدتك في اكتشاف ما هو مخفي داخل هاتفك الذكي. إذا كنت بالفعل خبيرًا في عالم SoCs ورقائق الأجهزة المحمولة، فلن يضرك القليل من التحديث أبدًا، خاصة في هذا العالم المتطور باستمرار.

ما هي شركة نفط الجنوب؟

داخل الكمبيوتر "الكلاسيكي" مثل الكمبيوتر المكتبي، تكون الأمور بسيطة للغاية.المعالج (وحدة المعالجة المركزية)مسؤول عن تنفيذ الحسابات الأكثر شيوعًا، تلك التي تسمح على سبيل المثال بتشغيل نظام التشغيل أو متصفح الويب. نجد أيضابطاقة الرسومات (أو GPU)وهي المسؤولة عن عرض الصورة سواء كانت ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد كما في الألعاب.اللوحة الأميلعب دور الموصل من خلال ربط جميع المكونات معًا، مثل وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات وأيضًا ذاكرة الوصول العشوائي والرقائق الصغيرة الأخرى.

ولكن منذ بداية عصر الهواتف الذكية، شهدنا ظهور أنظمة الكل في واحد. لذا،ينتهي كل محتوى الكمبيوتر تقريبًا في النهاية في شريحة واحدة على الهاتف الذكي: SoC. تصبح المكونات بعد ذلك أكثر ترابطًا، على سبيل المثال تردد المعالج الذي يختلف وفقًا لتردد بطاقة الرسومات بسبب القيود الحرارية وقيود الاستهلاك. طريقة جديدة تمامًا مقارنة بالكمبيوتر الكلاسيكي حيث كان كل مكون مستقلاً إلى حد ما.

عمليات النقش الجديدة (الحالية محفورة في 10 نانومترعلى سبيل المثال، متىالجيل القادم سيكون 7 نانومتر) جعلت من الممكن تقليل حجم المكونات بشكل كبير. ثم لدينا اليومقوة جهاز الكمبيوتر الذي كان موجودًا منذ سنوات قليلة مضت في جيبك. ومع ذلك، فقد جاء ذلك على حساب التعقيد المتزايد الذي يجعل من الصعب فهم مجال SoCs بالنسبة للشخص العادي.

غالبًا ما نسيء استخدام لغة المعالج عندما يتعين علينا التحدث عن قلب هاتف ذكي جديد أو أثناء الإعلانالأجهزةمن الشركة المصنعة. ومع ذلك، فإلى جانب الدور "البسيط" للمعالج الذي تدمجه، تتضمن شركة SoC مجموعة كاملة من المكونات. يمكننا المقارنةالمعالج إلى الموصل، في حين أن شركة نفط الجنوب تمثل الأوركسترا بأكملها، بما في ذلك الآلات النفخية والأوتار والآلات الإيقاعية.

تتولى المكونات المختلفة لـ SoC مهمة أداء وظائف مختلفة، مثل الكمبيوتر الشخصي، ولكنها مصغرة إلى أقصى الحدود. إذا كان المعالج يمثل عنصرًا أساسيًا، فإن SoC تتضمن أيضًا جميع المكونات الأخرى التي تسمح بتشغيل الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي أو الساعة المتصلة.

يمكننا العثور ضمن الهواتف الذكية الحالية على مجموعة واسعة من شرائح SoC، بما في ذلك:

• إكسينوس 9810 في سامسونج
• A11 في أبل
• Snapdragon 845 من كوالكوم
• هيليو تشي ميديا ​​تيك
• Kirin 970 في HiSilicon (شركة تابعة لشركة Huawei)

ويمكننا أيضًا أن نذكرنفيديا تيجرا، حتى لو كانت هذه لا تستهدف الهواتف الذكية حقًا، أو Allwiner وRockchip، الموجودين في عدد كبير من الأجهزة المباعة في الصين. هناك العديد والعديد من الشركات المصنعة لـ SoC، لذا ليس المقصود من هذه القائمة أن تكون شاملة.

ماذا يوجد داخل شركة نفط الجنوب

إن SoC، كما قلنا، يشبه جهاز كمبيوتر مصغر للغاية. وبالتالي فهو يتضمن مكونات ووحدات تحكم تسمح له بإدارة جميع المعدات الموجودة على هاتفك الذكي، سواء كانت الكاميرا، الذاكرة الداخلية، أو حتى المودم.

المعالج (وحدة المعالجة المركزية)

يوجد بالطبع معالج داخل شركة نفط الجنوب. يلعب المعالج (أو وحدة المعالجة المركزية) داخل شركة نفط الجنوب نفس الدور الذي يلعبه في جهاز الكمبيوتر. ومع ذلك، مع فارق واحد مهم.

وسيسعى المعالج "الكلاسيكي" إلى تنفيذ المهمة الموكلة إليه من خلال استهداف أعلى أداء ممكن دون القلق بشأن استهلاك الطاقة. يعمل معالج SoC ضد هذا المبدأ ويسعى المصنعون قبل كل شيء إلى ذلكجعلها فعالة (كفاءة في استخدام الطاقة) قدر الإمكانفي جميع مهامه. الهدف هو استخدام أقل قدر ممكن من الطاقة. ولكن أيضًا من الأفضل استخدام الطاقة التي تستخدمها، القادمة من البطارية، لجعلها مربحة. ينطبق هذا المبدأ أيضًا على أجهزة الكمبيوتر المحمولة، حيث يمكن العثور على معالجات متنقلة أو SoCs.

لتحقيق أداء جيد مع تقليل استهلاك المعالج، من الممكن ضبط عدة عوامل. هناكتكرارالمعالج،نوع منقلبداخل المعالج، وكذلكعملية النقش.

التردد (ميجاهرتز)

التردد التشغيليعد عاملاً مهمًا في استهلاك المعالج، لكن خفضه كثيرًا له عواقب وخيمة على أدائه. توجد حاليًا شرائح ذات تردد تشغيل يتراوح بين 1.3 و 3 جيجا هرتز تقريبًا.

قلوب

النوع منقلوبداخل المعالج أيضا دورها الذي تلعبه. هكذا قلبيستهلك Cortex-A53 أقل بكثير من نواة Cortex-A72، لكنه لا يقدم نفس المستوى من الأداء على الإطلاق. إذا كان الأول مصممًا خصيصًا لاستهلاك قدر قليل للغاية من الطاقة، فإن الثاني يركز بشكل أكبر على الأداء، ولكنه يستهلك قدرًا أكبر من ذلك بكثير.

لا تخلط بين المعالج والنوى

المعالج هومكونة من عدةقلوب، الذين يتقاسمون عبء العمل فيما بينهم. بعض الهواتف الذكية اليوم لديهاما يصل إلى 8 أو 10 النوى،وهو ليس بالضرورة مؤشرا للقوة. على سبيل المثال، يحتوي معالج Snapdragon 830 من Qualcomm على أربعة أنوية Kryo، بينما يدمج معالج Exynos 8890 من سامسونج أربعة أنوية Exynos M1 وأربعة أنوية Cortex-A53 للحصول على طاقة مكافئة.

ولهذا السبب، غالبًا ما يتم استخدام Cortex-A53 بواسطة أربعة أو ثمانية مراكز، في حين يتم استخدام Cortex-A72 غالبًا بواسطة اثنين أو أربعة مراكز.ثم نجد غالبًا تكوينات هجينةاستخدام النوى عالية الأداء للمهام الثقيلة (مثل الألعاب ثلاثية الأبعاد) جنبًا إلى جنب مع النوى ذات الاستهلاك المنخفض جدًا (للتحقق من رسائل البريد الإلكتروني على سبيل المثال).

النقش

وأخيرا لعمليات النقش الجديدةتعد أيضًا عاملاً حاسماً في مجال SoCs لتقديم أداء جيد مع استهلاك منخفض. فهو يجعل من الممكن الحصول على تحسين في الأداء (عن طريق زيادة عدد الترانزستورات) مع الحد من الزيادة في حجم الشريحة وكذلك استهلاكها للطاقة.

وبالتالي، فإن الانتقال من نقش 28 نانومتر إلى 16 نانومتر واستخدام نوى Cortex-A72 الجديدة بدلاً من Cortex-A15 يجعل من الممكناستخدم طاقة أقل بنسبة 75% لنفس المهام، كما هو موضح أدناه بواسطة ARM.

أندرويد مقابل iOS

سيتم ملاحظة تأثير المعالج القوي في السلاسة العامة للهاتف الذكي، على سبيل المثال استجابته عند تشغيل أحد التطبيقات. في هذه اللعبة الصغيرة، تعد شركة Apple هي الشركة الرائدة نظرًا لأن الشركة المصنعة تقوم فقط بتسويق عدد قليل جدًا من الأجهزة (iPhone وiPad وiWatch). ولذلك فهو لهمن الممكن تحسين نظام التشغيل iOS بشكل شامل للغايةاعتمادًا على المعالج المستخدم والاستفادة من نسبة الاستهلاك إلى الأداء المناسبة للغاية.

علىAndroid أكثر تعقيدًانظرًا لأن كل هاتف يختلف عن الآخر من حيث الأجهزة والبرامج. وبالتالي، يجب أن تأخذ Google في الاعتبار مجموعة واسعة جدًا من التكوينات في نظام Android البيئي. هناك في الواقع العشرات من المعالجات المختلفة، وآلاف الهواتف الذكية المختلفة، وتقريبًا نفس العدد من إصدارات Android المخصصة مع واجهات الشركة المصنعة.

وهذا التنوع، الذي يعد أحد نقاط القوة في نظام Android البيئي، يمكن أن ينقلب ضده أيضًا. يمكن أن يؤدي هذا في الواقع إلى أداء أقل من الأمثل في طرز معينة أو أن بعض التطبيقات لا تعمل ببساطة على هواتف ذكية معينة.

إنهاأحد الأسبابالتي تستخدم المعالجات في SoCsيتم تسجيل الهواتف الذكية التي تعمل بنظام Android عمومًا بترددات أعلىولديها المزيد من النوى مقارنة بجهاز iPhone، دون القدرة على تحقيق نفس المستوى من التحسين كما هو الحال في Apple.

شريحة الرسومات (GPU)

قد تكون شريحة الرسومات أو وحدة معالجة الرسومات أمرًا مألوفًا للاعبي الكمبيوتر. على الرغم من اختلاف نطاقها داخل الهاتف الذكي، إلا أن وحدة معالجة الرسومات تؤدي بشكل أساسي نفس المهام التي تؤديها على جهاز الكمبيوتر. ويتمثل دورها في حساب الصور ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد ثم عرضها على الشاشة عبر وحدات البكسل الموجودة في اللوحة.

فيما يتعلق بحساب الصور ثنائية الأبعاد، فإنه يتم بشكل مستمر، وبشكل ملموس للغاية،تم تمكين GPUكلما كان ذلك ضروريا لعرضصفحة الويبأو انتقل إلى خرائط Google أوعرض فيديو، وهذا يعني بشكل مستمر تقريبًا، ولكن على مستويات مختلفة على هاتف ذكي حديث.

فيما يتعلق بهذا الموضوع، ربما تكون قد جربته بالفعل: مقطع فيديو لا يتم تشغيله أو يكون متشنجًا جدًا على أحد الهواتف الذكية، ويكون سلسًا تمامًا على هاتف آخر. وهذه نتيجة ملموسة للغاية لتحسين وحدات معالجة الرسومات، خاصة على مقاطع الفيديو بدقة 4K أو في تنسيقات التشفير الجديدة، مثل H.265، والتي يتم دعمها بشكل متزايد. بالفعل،على الرغم من أن وحدة المعالجة المركزية قوية جدًا، فهي ليست مناسبة لهذا النوع من المهام، وبالتالي فهي مسألة استخدامGPU(ووحداتها المختلفة) من أجل فك التشفير بطريقةأكثر كفاءة واقتصاديةفي تشغيل مقاطع الفيديو.

تكلفة البكسل

نجد تعريفات عالية بشكل متزايد في الهواتف الذكية المتطورة، ولا سيما QHD (2560 × 1440 بكسل) أي.3,7 مليونبكسل لعرضها أو حتى بدقة 4K UHD (3840 × 2160 بكسل) أو8.3 مليون بكسل. كلما زاد عدد وحدات البكسل التي يتعين على وحدة معالجة الرسومات حسابها وعرضها، زادت صعوبة عرض صورة غير متشنجة. لذا، فإن الانتقال من لوحة Full HD إلى QHD بنفس وحدة معالجة الرسومات يؤدي إلى خسارة حوالي 50% في الأداء في الألعاب.

ومن بين الرقائق الرسومية البارزة يمكننا أن نذكر:

• مالي G72 دارم
• كوالكوم الكظر 630
• هندسة PowerVR المارقة

أخيراً،واجهة برمجة التطبيقات للرسوماتفولكانعلى وحدات معالجة الرسومات SoCتبين أنها أخبار جيدة جدًا. توفر واجهة برمجة التطبيقات هذه إمكانية إنشاء تطبيقات ثلاثية الأبعاد مثللعبةبطريقة ماعبر منصةبينالكمبيوتر الشخصي والأندرويد.هذا وقت مثير بشكل خاص في المستقبل. يجب أن تجعل هذه التكنولوجيا العمل أسهل للمطورين، وكذلك أفضل للمستخدمين. وعلى المدى الطويل، ينبغي أن يكون لهذا تأثير يجعل من الممكن القيام بذلكدفع حدود الألعاب المحمولة.

للذهاب أبعد من ذلك
وحدات معالجة الرسومات ورقائق الرسومات: من هم وفيم يتم استخدامها؟

المودم والشبكات

إذا كنت تبحث عن هاتف ذكي يمكنه توفير خدمة 4G+ بالإضافة إلى اتصالات Wi-Fi وBluetooth المعتادة، فإن المودم هو الجزء الذي يجب أن يلفت انتباهك. في الواقع، بالإضافة إلى وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات، تدمج شركة SoC جزءًا من المودم لإدارة عدة أنواع من الاتصالات والشبكات.

ل4G، سيكون عليه دعمالفئات من 1 إلى 5، وبالنسبة ل4G+الالفئات من 6 إلى 12. على الرغم من أن الموضوع كثيف بشكل خاص حول هذه المكونات على وجه الخصوص، إلا أن عدد الممثلين أبسط بكثير، لأنه يقتصر على ثلاثة لاعبين رئيسيين:

• كوالكوم مع X20
• إنتل على أجهزة آيفون
• سامسونج وإكسينوس لها

لاحظ أن هؤلاء الممثلين أنفسهم يستعدون لوصول5G، معولا سيما كوالكوم X50.

نماذج منتقوم شركة Qualcomm بتجهيز عدد مثير للإعجاب من الهواتف الذكية، وذلك بسبب دمج أجهزة المودم الخاصة بها ضمن Snapdragon SoCs. ومع ذلك، فإن هيمنتها على السوق أصبحت أقل أهمية مما كانت عليه قبل بضع سنوات، خاصة منذ ذلك الحيندخلت سامسونج السوق أيضًا. وهكذا بدأ في التسويقأجهزة المودم الخاصة بها منذ عام 2015.

المودم مجال صعب للغاية. لذلك من الضروري معرفة كيفية الجمع بين الخبرة القوية في سوق الهاتف المحمول والرؤية طويلة المدى، وهذا هو ما يحدثربما فاتتها شركة Nvidia التي انفصلت عن شركة Icera التابعة لها في بداية عام 2015.

وبالمثل، فإن أوقات تطوير المودم لا يمكن مقارنتها على الإطلاق بأي مكون آخر، وربما يكون هذا هو الوقت المناسبالعنصر الأكثر أهميةعلى الهاتف الذكي والأكثر تعقيدالإنتاج. وهكذا، في وقت الإعلان عن أول مودم من سامسونج، وهو Exynos 333، ذكرت إحدى الشائعات أ7 سنوات وقت التطوير. وحتى بالنسبة للمتخصصين، فإنه في بعض الأحيان ليس مربحا، وهو ما حدثدفعت برودكومللتركيز على 5G وتقنيات الشبكات الأخرى.

لكن،هذا النادي الصغير، وذلك بسبب التعقيد الفني لتصنيع هذا الجزء المهم، مما يسمح للهاتف بإجراء مكالمةيمكن أن تتوسع مع الوافدين الجددوالتي قد تصبح ضرورية في غضون سنوات قليلة. والواقع أن اللاعبين الجدد مثل شركة هايسيليكون، وهي شركة فرعية تابعة لشركة هواوي، أصبحت أكثر أهمية من أي وقت مضى.

المكونات الأخرى

هناك العديد من الوظائف الأخرى التي تؤديها المكونات المختلفة داخل شركة نفط الجنوب. وعلى الرغم من وجود العديد من وحدات التحكم، إلا أنه يمكننا أن نذكر القليل منها.

مزود خدمة الإنترنت (ISP) أو معالج إشارة الصور، مثل Qualcomm Spectra، الذي يعتني بالمعالجة الرقمية المتنوعة المتعلقة بالصور التي تلتقطها الكاميرا. وقد اكتسبت هذه الأمور أهمية أكبر بكثير الآن بعد أن أصبحت أجهزة استشعار الصور المزدوجة سائدة على الهاتف المحمول.

يمكننا أيضًا أن نذكر وحدة التحكم في التخزين المسؤولة عن إدارة ذاكرة الهاتف الذكي. وهذه أيضًا حالة مثيرة للاهتمام، نظرًا لأن الذاكرة كانت أحد المكونات النادرة التي لم يتم دمجها مباشرة على نفس الشريحة مثل بقية المكونات.

ومع ذلك، فإن أحدث SoCs أصبحت الآن على متن الطائرةوحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات والمودم وذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة التخزين مباشرة على نفس الحزمة، مثلفي حالة أحدث رقائق سامسونج. ذاكرة الوصول العشوائي وذاكرة الفلاش ليستا في شركة نفط الجنوب، ولكنها ملحومة فوقها.

لذلك يمكننا أن نرى أن الاتجاه نحو تكامل جميع المكونات مستمر حتى اليوم. الهدف هو نفسه دائمًا تقريبًا: زيادة تصغير الدوائر للسماح لمصنعي الهواتف الذكية بذلكتصميم تصميمات جديدة، مع استهلاك طاقة أقل أو زيادة الأداء.

شركة نفط الجنوب، نحو الاندماج بين أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية؟

كما أوضحنا في الجزء الأول، تعمل شركة SoC بأولويات مختلفة تمامًا عن معالج الكمبيوتر الشخصي الكلاسيكي. وبالتالي فإنهما تقريبًا عكس بعضهما البعض، معالج كلاسيكي يسعى إلى تحقيق أقصى قدر من الأداء، بينما ستبحث شركة SoC دائمًا عن المللي واط الذي يمكن توفيره.

ومع ذلك، منذ عدة سنوات، تغيرت أولويات المعالجات "الكلاسيكية"، بسبب المكانة المتزايدة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة في إجمالي مبيعات أجهزة الكمبيوتر الشخصية. ونتيجة لذلك، أصبحت الاستقلالية موضوعًا رئيسيًا للمستخدمين، مما دفع شركة Intel إلى تطوير شرائح مشابهة لـMobile SoC، ولكنه مخصص لأجهزة الكمبيوتر الشخصية، Core M وAtom الشهيرين.

على العكس من ذلك، جعلت مايكروسوفت نفسها متوافقةنظام التشغيل Windows 10 مع منصات ARMوذلك بالشراكة مع Qualcomm والتي ستوفر لهم التوافق مع Snapdragon 835 في نفس الوقت. إذا كان الاتجاه جديدا، فإن الشركة المصنعة تخططعلى Snapdragon 850تم تحسينه لتوفير المزيد من الطاقة والاستقلالية لأجهزة الكمبيوتر ARM المستقبلية.