چیپست در گوشی موبایل چیست و چه کاربردی دارد

علاقه‌مندان به فناوری دوست دارند در مورد قدرت پردازش و تراشه‌ها صحبت کنند، از رایانه‌های شخصی و کنسول‌های بازی گرفته تا جدیدترین تلفن‌های هوشمند. چیپست‌ها به اندازه‌ای متنوع و پیچیده هستند که در واقع ممکن است به سال‌ها مطالعه برای درک عملکرد آن‌ها نیاز باشد. ما در این مطلب قصد داریم مفهوم ساده‌تری از چیپست موبایل را ارائه دهیم. اگر علاقه‌مند هستید تا بدانید گوشی هوشمندی که از آن استفاده می‌کنید به کدام چیپست مجهز است و نحوه عملکرد و توان پردازشی آن تا چه میزان است تا انتهای این مطلب با مجله اعتبارکالا همراه باشید.

مرکز عملیات SoC چیست و چه کاربردی دارد؟

مرکز عملیات یا SoC مخفف کلمه system-on-a-chip است. همانطور که از نام آن پیداست، SoC یک سیستم پردازش کامل بوده که در یک واحد قرار دارد. برای روشن شدن مطلب، SoC فقط یک پردازنده مانند آنچه در رایانه شخصی شاهد آن هستید نیست، بلکه یک SoC شامل چندین بخش پردازش، حافظه، مودم و سایر قطعات ضروری بوده که با هم در یک تراشه و بر روی برد مدار لحیم شده‌اند.

ترکیب چندین جزء در یک تراشه واحد باعث صرفه جویی در فضا، هزینه و مصرف انرژی می‌شود. اساساً یک SoC مغز گوشی هوشمند شماست که همه چیز را از سیستم عامل اندروید گرفته تا تشخیص زمان فشار دادن دکمه خاموش کردن را کنترل می‌کند. همچنین SoC ها به اجزای دیگر گوشی هوشمند مانند دوربین، نمایشگر، رم، حافظه فلش و موارد دیگر نیز متصل می‌شوند. در ادامه رایج ترین اجزای داخل یک چیپست گوشی هوشمند را معرفی خواهیم کرد.  

• واحد پردازش مرکزی (CPU) مغز SoC؛ اکثر کدها را برای سیستم عامل اندروید و بیشتر برنامه‌های شما اجرا می‌کند.
• واحد پردازش گرافیک (GPU)؛ وظایف مربوط به گرافیک، مانند اجرای رابط کاربری برنامه و بازی‌ها را انجام می‌دهد.
• واحد پردازش تصویر (ISP)؛ داده‌های دوربین گوشی را به فایل‌های تصویری و ویدیویی تبدیل می‌کند.
• پردازشگر سیگنال دیجیتال (DSP)؛ عملکردهای محاسباتی فشرده‌تری را نسبت به یک CPU انجام می‌دهد که شامل فشرده سازی فایل‌های موسیقی و تجزیه و تحلیل داده‌های حسگر ژیروسکوپ است.
• واحد پردازش عصبی (NPU)؛ در گوشی‌های هوشمند پیشرفته برای تسریع وظایف یادگیری ماشینی (AI) استفاده می‌شود که شامل تشخیص صدای آفلاین و تقسیم بندی اشیا دوربین است.
• رمزگذار/ رمزگشای ویدئو؛ تبدیل فایل‌های ویدئویی و فرمت‌های ویدئویی را به صورت کارآمد انجام می‌دهد.
• مودم؛ سیگنال‌های بی‌سیم را به داده‌هایی تبدیل می‌کند که تلفن شما قادر به پشتیبانی از آن است. قطعات شامل مودم‌های 4G LTE، 5G، WiFi و بلوتوث است.

ممکن است مطالبی در راستای فرآیند تولید در زمینه SoC ها خوانده و یا دیده باشید که اغلب به عنوان یک عدد در نانومتر (nm) ذکر می‌شود. به طور کلی، هر چه اندازه نانومتر کوچکتر باشد، اجزای داخلی SoC کوچکتر است و در نتیجه بهره‌وری قدرت پردازش را افزایش می‌دهد. روش‌های مختلفی برای تولید وجود دارد که می‌تواند مقایسه مستقیم را دشوار کند.

معرفی نمونه‌هایی از SoC

اکنون که مروری کوتاه بر چیستی SoC داریم، بیایید به چند نمونه نگاهی بیندازیم. در حوزه گوشی‌های هوشمند، Qualcomm، Samsung Semiconductor، HiSilicon هوآوی و MediaTek چهار نام بزرگ در این تجارت هستند. این احتمال وجود دارد که گوشی هوشمند شما به یکی از تراشه‌ی تولید شده توسط یکی از این شرکت‌ها مجهز شده باشد.

کوالکام بزرگ‌ترین ارائه‌دهنده تراشه‌های گوشی‌های هوشمند است که تراشه‌هایی را برای اکثر گوشی‌های پرچمدار، میان‌رده و حتی پایین‌رده عرضه می‌کند. تراشه‌های کوالکام تحت نام تجاری اسنپدراگون قرار می‌گیرند. تراشه‌های ممتاز که دارای بهترین فناوری این شرکت هستند، تحت پرچم Snapdragon 8، مانند Snapdragon 8 Gen 1 قرار دارند. به عنوان مثال، Snapdragon 7 Gen 1 یک تراشه میان رده نسبتاً جدید است که از اتصال 5G بهره می‌برد. در نهایت، محصولات سطح ابتدایی زیر سری ۴۰۰ را نیز تولید می‌کند.

تراشه‌های Exynos سامسونگ در مقیاس پرچمدار، میان‌رده و اقتصادی، درست مثل رده‌بندی تراشه‌های اسنپدراگون کمپانی کوالکام دسته بندی شده‌اند. ​در حال حاضر آخرین تراشه رده بالای سامسونگ، Exynos 2200 است.

طرح نامگذاری اگزینوس سامسونگ در گذشته شباهت زیادی به هوآوی داشت، اما اکنون تغییر کرده است. تراشه Kirin 9000 جدیدترین تراشه پرچمدار هواوی است که در انواع 4G و 5G عرضه می‌شود. سری Kirin 600 بسیار شبیه به اسنپدراگون ۶۰۰ است و مشخصات متوسطی را برای گوشی‌های هوشمند مقرون به صرفه‌تر ارائه می‌دهد.

در نهایت، طیف هلیو مدیاتک از محصولات مقرون به صرفه سری P تا سری G متمرکز بر بازی را در بر می‌گیرد. آخرین سری پرچمدار این سازنده، Dimensity 9000 است و پس از آن Dimensity 8100 قرار دارد.

همه چیز با CPU شروع می‌شود

ممکن است با واژه پردازنده آشنا باشید زیرا اغلب بجای واحد پردازش مرکزی (CPU) استفاده می‌شود. واحد پردازش مرکزی یا CPU رایج ترین نوع پردازنده است. بسیار انعطاف پذیر بوده و برای طیف وسیعی از وظایف طراحی شده است. به این ترتیب، CPU، سیستم عامل اندروید و برنامه‌های شما را اجرا می‌کند. همچنین تا حدی مسئول همگام سازی داده‌ها بین سایر پردازنده‌های داخل SoC است.

در یک نگاه کلی، CPU ها با استفاده از واحدهای پیش بینی، ثبات‌ها و واحدهای اجرا کار می‌کنند که به معماری CPU معروف است. رجیسترها، بیت‌های داده یا اشاره گرها را در حافظه و اغلب در قالب‌های داده ۶۴ بیتی نگه می‌دارند. واحدهای اجرایی با یک یا چند رجیستر کار می‌کنند، مانند خواندن و نوشتن در حافظه یا انجام محاسبات مورد نیاز. چندین واحد اجرایی را می‌توان به طور همزمان با CPU استفاده کرد که هر کدام یک یا دو چرخه ساعت را برای تکمیل عملکرد خود نیاز دارند.

واحد پردازش مرکزی (CPU)ها به اندازه کافی منعطف هستند تا بتوانند وظایف مختلفی را انجام دهند. عملکرد را می‌توان با تغییر سرعت ساعت (به گیگاهرتز)، تعداد هسته‌ها، یا با تغییر معماری زیربنایی برای انجام کارهای بیشتر با هر چرخه ساعت، کاهش داد. این نکته اخیر اغلب چیزی است که از آن به عنوان ساخت یک CPU عریض تر یا بزرگتر یاد می‌شود، به همین دلیل تراشه‌های گوشی اپل بسیار قدرتمند هستند.

پردازنده‌های داخل SoC گوشی‌های هوشمند دارای مدل‌های مختلفی بوده که همه آن‌ها بر اساس معماری Arm CPU هستند. جدیدترین هسته‌های پردازنده Arm Cortex-X3 و Cortex-A715 بزرگ به همراه Cortex-A510 کوچک هستند. این سه مورد همگی بر اساس آخرین معماری Armv9 شکل گرفته‌اند. پردازنده‌های تلفن هوشمند اغلب در پیکربندی‌های هشت هسته‌ای ظاهر می‌شوند، با هسته‌های قدرتمند برای برنامه‌های کاربردی‌تر و هسته‌های کوچک‌تر کم مصرف برای اطمینان از عمر طولانی باتری.

گرافیک یکپارچه در SoC

در کنار CPU، واحد پردازش گرافیکی (GPU) قطعه دیگری از سخت‌افزار پردازشی در SoC گوشی هوشمند شما است. پردازنده‌های گرافیکی بسیار کمتر از پردازنده‌های مرکزی کاربرد عمومی دارند و در نتیجه بسیار متفاوت طراحی شده‌اند. آن‌ها برای چرخش مکرر توابع ریاضی به صورت موازی ساخته شده‌اند که می‌توانند این عملیات را بسیار سریعتر از یک CPU معمولی انجام دهند. به یاد داشته باشید، میلیون‌ها پیکسل برای پر کردن سطح نمایشگر گوشی هوشمند شما وجود دارد که هر کدام باید هنگام اجرای یک برنامه یا بازی، محاسبه شوند.

اکثر عملیات گرافیکی بارها و بارها تکرار می‌شوند تا تمام پیکسل‌های روی نمایشگر پر شوند. به این ترتیب، پردازنده‌های گرافیکی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تعداد حجم زیادی از محاسبات را به‌طور هم‌زمان روی دسته‌های بزرگ داده اجرا کنند. برخلاف CPU هایی که در هر چرخه یک یا دو عملیات را اجرا می‌کنند، GPU ها در هر چرخه ده‌ها، صدها و حتی هزاران عملیات موازی را اجرا می‌کنند که به اندازه و عملکرد طراحی GPU بستگی دارد.

دو پردازنده گرافیکی اصلی در فضای SoC اندروید Arm’s Mali و Qualcomm’s Adreno هستند. هر دو، نسخه‌های بزرگ‌تر و کوچک‌تری از فناوری GPU را با تراشه‌های پرچم‌دار برای بازی‌های سه بعدی ارائه می‌کنند. البته کوالکام در مورد عملکرد درونی آدرنو زیاد صحبت نمی‌کند. اپل همچنین پردازنده گرافیکی مخصوص به خود را برای پردازنده‌های آیفون خود دارد و AMD با Exynos سامسونگ وارد همکاری شده است.

دوربین‌های بزرگ به پردازنده‌های خوب نیاز دارند

گوشی‌های هوشمند به طور فزاینده‌ای بر اساس قابلیت‌های عکاسی خود قضاوت می‌شوند. در حالی که یک حسگر رده بالا و سخت افزار لنز ضروری هستند، قابلیت‌های قدرتمند پردازش تصویر، بخش مهمی از داستان هستند.

در حالی که ویرایش و بهینه سازی تصویر اغلب بر روی CPU و GPU انجام می‌شود، پردازش‌های زیادی روی داده‌های سنسور دوربین قبل از ذخیره شدن تصویر در گوشی هوشمند انجام می‌شود. یک ISP یک DSP تخصصی است که وظایف تصویربرداری رایج مانند تبدیل Bayer، فوکوس، پاکسازی، شارپ کردن و کاهش نویز را انجام می‌دهد. به عبارت دیگر، اطلاعات دیجیتالی از حسگر دوربین را به تصویری زیبا تبدیل می‌کند.

چیپست‌های رده بالا به طور فزاینده‌ای ویژگی‌های رده بالایی را ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، Kirin 990 هوآوی اولین SoC با تطبیق بلوک درجه DSLR و کاهش نویز فیلتر سه بعدی (BM3D) بود، و جدیدترین ISP های کوالکام و سامسونگ امکان تاری بوکه ویدیوی نرم‌افزاری در زمان واقعی را فراهم می‌کند. نکته اصلی این است که تصاویر با کیفیت، به یک پردازشگر تصویر قدرتمند نیاز دارند.

پردازش هوش مصنوعی نسل بعدی

عباراتی مانند واحدهای پردازش عصبی، پردازنده‌های هوش مصنوعی یا هسته‌های یادگیری ماشین اغلب به جای یکدیگر استفاده می‌شوند، که همه آن‌ها در داخل SoC های مدرن تلفن هوشمند به معنای یکسان هستند؛ پردازنده‌ای که به‌طور خاص برای محاسبات و الگوریتم‌هایی که معمولاً توسط شبکه‌های عصبی استفاده می‌شود بهینه‌سازی شده است.

می‌توان گفت، پردازنده‌های گرافیکی، پردازنده‌هایی هستند که برای محاسبات گرافیکی و ISP ها برای کارهای تصویری بهینه‌سازی شده‌اند، NPU ها پردازنده‌هایی هستند که به‌طور خاص برای اجرای شبکه‌های عصبی و وظایف یادگیری ماشینی سریع‌تر و کارآمدتر از CPU طراحی شده‌اند. همچنین NPU ها حافظه نهان محلی خود را دارند تا سرعت اجرا را بدون نیاز به استفاده از رم، افزایش دهند.

شبکه‌های عصبی اغلب به عملیاتی نیاز دارند که چندین قطعه از داده‌های ورودی را برای تولید تنها یک خروجی، تحویل می‌گیرند. عملیات انباشت چندگانه اغلب در اندازه‌های مختلف داده از ۱۶ بیت تا ۸ و حتی ۴ بیت داده عمل می‌کند که بسیار متفاوت از انواع محاسبات و داده‌هایی است که توسط CPU ها استفاده می‌شود، اگرچه برخی از عملیات‌ها را می‌توان در GPU های انعطاف پذیر تسریع کرد.

می‌توان گفت NPU ها جدیدترین پردازنده‌های تخصصی هستند که به SoC های تلفن راه پیدا کرده‌اند و یادگیری ماشین روی دستگاه را فعال می‌کنند. در حالی که این فناوری بیشتر برای تراشه‌های سطح پرچمدار در نظر گرفته شده است، به سرعت راه خود را به چیپست‌ها و گوشی‌های مقرون به صرفه‌تر باز می‌کند. به عنوان مثال، Tensor SoC گوگل، شامل واحد پردازش تنسور سفارشی (TPU) است که ویژگی‌های انحصاری مانند گفتار به متن آنی و طیف گسترده‌ای از ویژگی‌های دوربین را فعال می‌کند.

مودم‌های 4G و 5G برای داده‌های سریع‌تر در SoC

قطعه نهایی یک SoC گوشی هوشمند مدرن مودم داده است که به شما این امکان را می‌دهد تا از اپراتور خود به شبکه‌های داده دسترسی داشته باشید. مودم‌های مختلف نیز سرعت و کیفیت اتصال داده شما را تعیین می‌کنند. قوی‌ترین مودم‌ها سرعت دانلود بالای ۱ گیگابیت بر ثانیه دارند. مودم‌هایی برای داده‌های Wi-Fi و بلوتوث نیز وجود دارد، اما امروزه روی مودم‌های 4G و 5G تمرکز شده است.

در سال‌های گذشته، SoC های گوشی‌های هوشمند دارای مودم‌های 4G یکپارچه بودند. این بدان معناست که مودم 4G در داخل SoC قرار دارد. اولین مودم‌های 5G خارج از SoC گوشی‌های هوشمند قرار داشتند، بنابراین باید به SoC اصلی متصل می‌شدند.

پردازنده‌های پرچم‌دار کوالکام، سامسونگ و هواوی همگی دارای مودم‌های یکپارچه هستند که از قابلیت‌های زیر ۶ گیگاهرتز و میلی‌متر ویو 5G پشتیبانی می‌کنند. جدیدترین گوشی‌های پرچمدار 5G همگی دارای مودم‌های یکپارچه هستند که باعث افزایش بهره‌وری انرژی در هنگام رسیدن به اوج سرعت داده می‌شوند.

سخن پایانی

گوشی‌های امروزی طیف وسیع‌تری از حجم کاری را نسبت به قبل تحمل می‌کنند. در نتیجه، تعداد پردازنده‌های اختصاصی داخل هر چیپ همچنان در حال افزایش است. از اجزای اصلی CPU و GPU چند سال پیش گرفته تا DSPها، ISP های پیشرفته و NPU های امروزی. این‌ها بخش‌هایی هستند که کمتر در مورد آن صحبت می‌شود و با پیشرفت‌هایی در زمینه امنیت، یادگیری ماشینی و 5G اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.