Với rất nhiều lời bàn tán về chip M1, M1 Pro, M1 Max và điện thoại thông minh của Apple những ngày này, bạn có thể nghe nói về thiết kế “System on a Chip” (SoC) được sử dụng trong chúng. Nhưng SoC là gì và chúng khác với CPU và bộ vi xử lý như thế nào? Chúng tôi sẽ giải thích.
Mục lục
System on a Chip (hệ thống trên chip): Định nghĩa nhanh
System on a Chip (hệ thống trên chip) là một mạch tích hợp kết hợp nhiều phần tử của hệ thống máy tính thành một chip duy nhất. SoC luôn bao gồm CPU, nhưng nó cũng có thể bao gồm bộ nhớ hệ thống, bộ điều khiển ngoại vi (cho USB, bộ lưu trữ) và các thiết bị ngoại vi nâng cao hơn như bộ xử lý đồ họa (GPU), mạch mạng nơ-ron chuyên dụng, modem radio (cho Bluetooth hoặc Wi- Fi), và hơn thế nữa.
Hệ thống dựa trên cách tiếp cận chip trái ngược với PC truyền thống với chip CPU và chip điều khiển riêng biệt, GPU và RAM có thể được thay thế, nâng cấp hoặc hoán đổi cho nhau khi cần thiết. Việc sử dụng SoC làm cho máy tính nhỏ hơn, nhanh hơn, rẻ hơn và ít tiêu tốn năng lượng hơn.
Lược sử tích hợp điện tử
Kể từ đầu thế kỷ 20, sự phát triển của điện tử đã đi theo một con đường có thể dự đoán trước liên quan đến hai xu hướng chính: thu nhỏ và tích hợp. Quá trình thu nhỏ đã chứng kiến các thành phần điện tử riêng lẻ như tụ điện , điện trở và bóng bán dẫn nhỏ hơn theo thời gian. Và với sự phát minh ra mạch tích hợp (IC) vào năm 1958, sự tích hợp đã kết hợp nhiều thành phần điện tử vào một miếng silicon duy nhất, cho phép thu nhỏ hơn nữa.
Khi quá trình thu nhỏ của thiết bị điện tử diễn ra trong thế kỷ 20, máy tính cũng trở nên nhỏ hơn. Các máy tính kỹ thuật số đầu tiên được làm bằng các thành phần rời rạc lớn như rơ le hoặc ống chân không. Sau đó, họ sử dụng các bóng bán dẫn rời rạc, sau đó là các nhóm mạch tích hợp. Năm 1972, Intel kết hợp các yếu tố của bộ xử lý trung tâm máy tính (CPU) thành một mạch tích hợp duy nhất, và bộ vi xử lý một chip thương mại đầu tiên ra đời. Với bộ vi xử lý, máy tính có thể nhỏ hơn và sử dụng ít năng lượng hơn bao giờ hết.
Microcontroller (bộ vi điều khiển) & System on a Chip (hệ thống trên chip)
Năm 1974, Texas Instruments phát hành bộ vi điều khiển đầu tiên, đây là một loại bộ vi xử lý có RAM và các thiết bị I / O được tích hợp với CPU trên một con chip duy nhất. Thay vì cần các IC riêng biệt cho CPU, RAM, bộ điều khiển bộ nhớ, bộ điều khiển nối tiếp, v.v., tất cả những thứ đó có thể được đặt vào một con chip duy nhất cho các ứng dụng nhúng nhỏ như máy tính bỏ túi và đồ chơi điện tử.
Trong hầu hết thời đại PC, việc sử dụng bộ vi xử lý với chip điều khiển riêng biệt, RAM và phần cứng đồ họa đã tạo ra những máy tính cá nhân linh hoạt và mạnh mẽ nhất. Các bộ vi điều khiển nói chung là quá hạn chế để có thể đáp ứng tốt các tác vụ tính toán nói chung, vì vậy phương pháp truyền thống sử dụng bộ vi xử lý với các chip hỗ trợ rời rạc vẫn còn.
Gần đây, xu hướng hướng tới điện thoại thông minh và máy tính bảng đã đẩy sự tích hợp đi xa hơn cả vi xử lý hoặc vi điều khiển. Kết quả là hệ thống trên một con chip, có thể đóng gói nhiều yếu tố của một hệ thống máy tính hiện đại (GPU, modem di động, bộ tăng tốc AI, bộ điều khiển USB, giao diện mạng) cùng với CPU và bộ nhớ hệ thống thành một gói duy nhất. Đó là một bước nữa trong việc tiếp tục tích hợp và thu nhỏ các thiết bị điện tử có thể sẽ tiếp tục lâu dài trong tương lai.
Tại sao lại sử dụng “System on a Chip”?
Việc đưa nhiều phần tử hơn của hệ thống máy tính lên một miếng silicon giúp giảm yêu cầu về điện năng, giảm chi phí, tăng hiệu suất và giảm kích thước vật lý. Tất cả những điều đó sẽ giúp ích rất nhiều khi cố gắng tạo ra những chiếc điện thoại thông minh, máy tính bảng và máy tính xách tay ngày càng mạnh mẽ hơn nhưng lại sử dụng ít pin hơn.
Ví dụ, Apple tự hào về việc tạo ra các thiết bị máy tính nhỏ gọn, có khả năng hoạt động tốt. Trong 14 năm qua, Apple đã sử dụng SoC trong các dòng iPhone và iPad của mình. Lúc đầu, họ sử dụng các SoC dựa trên ARM do các công ty khác thiết kế. Năm 2010, Apple ra mắt SoC A4 , đây là SoC iPhone đầu tiên do Apple thiết kế. Kể từ đó, Apple đã lặp lại các dòng chip A-series của mình với thành công rực rỡ. SoC giúp iPhone sử dụng ít năng lượng hơn trong khi vẫn nhỏ gọn và luôn hoạt động tốt hơn. Các nhà sản xuất điện thoại thông minh khác cũng sử dụng SoC.
Cho đến gần đây, SoC hiếm khi xuất hiện trong máy tính để bàn. Năm 2020, Apple giới thiệu M1 , SoC đầu tiên của hãng dành cho máy tính để bàn và máy tính xách tay Mac. M1 kết hợp CPU, GPU, bộ nhớ và nhiều thứ khác trên một miếng silicon. Vào năm 2021, Apple đã cải tiến M1 với M1 Pro và M1 Max . Cả ba loại chip này đều mang lại cho máy Mac hiệu suất ấn tượng trong khi vẫn tiêu thụ điện năng so với kiến trúc bộ vi xử lý rời truyền thống được tìm thấy trong hầu hết các PC.
Các Raspberry Pi 4 , một máy tính hobbyist phổ biến, cũng sử dụng một hệ thống trên một chip ( Broadcom BCM2711 ) cho các chức năng cốt lõi của nó, mà giữ cho chi phí thiết bị thấp (khoảng $ 35) trong khi cung cấp nhiều tính năng hữu dụng. Tương lai tươi sáng cho các SoC, tiếp nối truyền thống tích hợp và thu nhỏ điện tử đã bắt đầu hơn một thế kỷ trước. Thời gian thú vị phía trước!