
چیپست موبایل چیست و چطور کار میکند؟
عاشقان دنیای تکنولوژی هیچچیز را بیشتر از صحبت راجع به توان پردازشی و چیپهای گوناگون دوست ندارند، چه موضوع صحبت کامپیوترها و کنسولهای گیمینگ باشد و چه آخرین اسمارتفونهایی که روانه بازار شدهاند. حقیقتا هم باید اعتراف کرد که صحبت راجع به آخرین پردازندههای شرکتهای آرم، هواوی، کوالکام، سامسونگ، مدیاتک و دیگر شرکتها کاری هیجانانگیز است. اما برای افرادی که آشنایی کمتری با دنیای فناوری یا موبایلهای هوشمند دارند، این موضوعات میتوانند شکلی بسیار گنگ و بیمعنا به خود بگیرد و ظاهرا هیچکس هم نیست که به سوالات سادهای مانند اینکه «اصلا چیپست چیست؟» پاسخ بدهد.
اگر مصرفکنندهای عادی باشید که میخواهید از برخی قواعد کلی هنگام خرید موبایل هوشمند سر در بیاورید، کسب دانش راجع به جزییات مربوط به طراحی چیپستها میتواند کاری ملالآور و بسیار طولانی باشد. به همین خاطر امروز قصد داریم در مقالهای کوتاه اما پرجزییات، هرآنچه لازم است راجع به چیپهای موبایل بدانید را توصیف کنیم و تمام تلاشمان بر این بوده که از عبارات دشوار فنی و جادو جمبلهای غیر ضروری فاصله بگیریم.
چیپست موبایل دقیقا چیست؟
نام درستتر چیپست System on a Chip (به اختصار SoC) به معنای «سیستم بر چیپ» است. همانطور که از نام این تکنولوژی پیداست، سیستم بر چیپ یا چیپست یک سیستم پردازشی گسترده است که انبوهی از قطعات مختلف را درون پکیجی واحد جای میدهد. این پکیج تنها میزبان واحد پردازش مرکزی نیست که احتمالا در دنیای کامپیوترهای شخصی با آن آشنایی داشته باشید. در عوض، چیپست چندین قطعه پردازشی مختلف، حافظه رم، مودمها و دیگر قطعات ضروری را در خود جای داده و تمام اینها روی یک مدار یکپارچه کنار یکدیگر لحیم شدهاند.
با تعبیه چندین قطعه مختلف روی چیپی واحد، میتوان در فضا، هزینهها و مصرف انرژی صرفهجویی کرد. چیپست اساسا مغز موبایل هوشمند شما است و به مدیریت هر چیزی، از سیستم عامل اندروید گرفته تا تشخیص زمانی که دکمه پاور دستگاه را نگه میدارید میپردازد. چیپست ضمنا به سایر قطعات موجود در موبایل مانند دوربینها، نمایشگر، رم، حافظه فلش و چیزهایی از این دست نیز متصل شده است.
لیست پایین حاوی قطعات رایجی است که به صورت معمول درون یک چیپست موبایل هوشمند یافته میشوند. در ادامه مقاله به برخی از مهمترین قطعات را مورد پوشش قرار میدهیم.
واحد پردازش مرکزی (CPU): واحد پردازش مرکزی یا خیلی ساده پردازنده، مغز چیپست است. این قطعه اکثر کدهای نوشته برای سیستم عامل اندروید و همینطور اپلیکیشنهای گوناگون موبایل را خوانده و به اجرا در میآورد.
واحد پردازش گرافیکی (GPU): این قطعه به وظایف مربوط به گرافیک رسیدگی میکند، برای مثال میتوان به تصویرسازی رابط کاربری یک اپلیکیشن یا اجرای بازیهای دوبعدی یا سهبعدی اشاره کرد.
واحد پردازش تصویر (ISP): این قطعه داده را از دوربین موبایل شما دریافت کرده و فایلهای تصویری یا ویدیویی را به عنوان خروجی تحویل میدهد.
پردازنده سیگنال دیجیتال (DSP): این پردازنده به وظایفی که از لحاظ ریاضیاتی سنگینتر هستند میپردازد. به عنوان مثال میتوان به غیر فشردهسازی فایلهای موزیک یا تحلیل داده سنسور ژیروسکوپ درون موبایل اشاره کرد.
واحد پردازش عصبی (NPU): از این قطعه درون موبایلهای پیشرفتهتر و گرانقیمتتر استفاده میشود تا وظایف مربوط به یادگیری ماشینی (یا همان هوش مصنوعی) با سرعت بیشتری انجام شوند. از جمله این وظایف میتوان به تشخیص صدا (برای دستیارهای صوتی نظیر گوگل اسیستنت یا سیری اپل) و پردازش جزییات تصویر دوربین اشاره نمود.
انکدر/دیکدر ویدیو: این قطعه به تبدیل فایلها و فرمتهای ویدیویی، به شکلی که از لحاظ مصرف انرژی بهینه باشد میپردازد.
مودم: مودمها سگنال وایرلس را تبدیل به دادهای میکنند که برای موبایل هوشمند شما قابل فهم است. از جمله مودمهای موجود در چیپست موبایل میتوان به 4G LTE و 5G و WiFi و بلوتوث اشاره کرد.
در نهایت هنگام صحبت راجع به چیپستها، باید درباره چیزی دیگر به نام «پروسه تولید» نیز صحبت کنیم که واحدی است که براساس «نانومتر» سنجیده میشود. به عنوان یک قاعده کلی، هرچه عدد نانومتر کمتر باشد، سیمکشی داخلی چیپست و قطعات موجود در آن نیز کوچکتر هستند. و هرچه از نانومتر کمتری استفاده شود، چیپست فضای کمتری درون موبایل اشغال خواهد کرد و در مصرف انرژی بهینهتر عمل میکند. البته پروسه تولید میتواند شامل متدهای گوناگونی باشد که مقایسه مستقیمشان را دشوار میکنند. در زمانی که این مقاله نوشته میشود، ۵ نانومتر کوچکترین پروسه تولید در دسترس برای چیپستهای موبایلهای هوشمند به حساب میآید.
مثالهایی از چیپست
حالا که به صورت کلی میدانیم چیپست چیست، زمانش رسیده که چند مثال بزنیم. در دنیای موبایلهای هوشمند، شرکتهای کوالکام، Samsung Semiconductor، هایسیلیکون (زیرمجموعه هواوی) و مدیاتک بزرگترین نامها و تولیدکنندگان به حساب میآیند. به احتمال زیاد موبایلی که همین حالا در اختیار دارید به چیپستی مجهز باشد که توسط یکی از این کمپانیها توسعه یافته.
کوالکام بزرگترین تامینکننده چیپستهای اسمارتفون است و بخش اعظمی از چیپستهای پرچمدار، میانرده و حتی اقتصادی موبایلهای هوشمند را به صورت سالانه عرضه میکند. چیپستهای شرکت کوالکام تحت برند «اسنپدراگون» عرضه میشوند. چیپستهای پریمیوم کمپانی که به بهترین تکنولوژیهای روز مجهز هستند تحت برند «اسنپدراگون سری ۸۰۰» عرضه میشوند و به عنوان مثال میتوان به اسنپدراگون ۸۸۸ اشاره کرد که راهش را به موبایلهای پرچمدار ۲۰۲۱ باز کرده. محصولات میانرده و میانردههای پریمیوم با نامهای «اسنپدراگون سری ۶۰۰» و «اسنپدراگون سری ۷۰۰» روانه بازار میشوند و اسنپدراگون ۷۶۵ با پشتیبانی از اتصالات 5G یکی از آخرین مثالها است. و در نهایت به چیپستهای اقتصادی کوالکام میرسیم که در قالب سری ۴۰۰سر از موبایلهای هوشمند در میآورند.
چیپستهای «اگزینوس» سامسونگ هم به شکلی مشابه در سه دستهبندی پریمیوم، میانرده و اقتصادی قرار میگیرند. این چیپستها قبلا در سه سری اگزینوس ۹۹۰۰ و اگزینوس ۹۸۰۰ و اگزینوس ۹۶۰۰ عرضه میشدند و سری اگزینوس ۷۰۰۰ هم شامل ضعیفترین و اقتصادیترین چیپستهای سامسونگ میشد. اما این نامگذاریها اخیرا تغییر کردهاند. برای مثال بهترین چیپست پرچمدار شرکت کرهای اگزینوس ۲۱۰۰ نام گرفته و اگزینوس ۱۰۸۰ هم یک پردازنده میانرده با قابلیت پشتیبانی از شبکههای مخابراتی نسل پنجم است.
در واقع نامگذاری قبلی سامسونگ شباهت زیادی به برندینگ هواوی داشت و اکنون تغییر کرده. کایرین ۹۰۰۰ آخرین چیپست پرچمدار شرکت هایسیلیکون هواوی است که در دو مدل با پشتیبانی از 4G و5G عرضه میشود. سری کایرین ۶۰۰ هواوی هم شباهت زیادی به سری اسنپدراگون ۶۰۰ دارد و مشخصات میانرده را برای موبایلهای مقرون به صرفهتر به ارمغان میآورد. در نهایت به خانواده چیپستهای «هلیو» شرکت مدیاتک میرسیم که از چیپستهای اقتصادی سری P آغاز و به سری G که روی تواناییهای گیمینگ متمرکز است منتهی میشوند. آخرین سری پرچمدار این کمپانی Dimensity 1200 است و یک مدل ضعیفتر به نام Dimensity 1100 هم داریم.
همهچیز از پردازنده شروع میشود
شاید با عبارت پردازنده آشنایی داشته باشد که به صورت معمول در مباحثات مختلف به عنوان مترادفی برای «واحد پردازش مرکزی» مورد استفاده قرار میگیرد. واحد پردازش مرکزی، رایجترین نوع از پردازندههایی است که مورد استفاده قرار میگیرند. این قطعه طراحی شده تا به شکلی بسیار انعطافپذیر عمل کرده و گستره وسیعی از وظایف را به انجام برساند. به این ترتیب پردازنده میتواند سیستم عامل اندروید و اپلیکیشنهای شما را به اجرا درآورد. این قطعه ضمنا تا حدی مسئول همگامسازی داده میان پردازندههای گوناگون درون چیپست نیز هست.
برای اینکه مروری کلی بر ماجرا داشته باشیم، واحدهای پردازنده مرکزی از «واحدهای پیشبینی»، «رجیسترها» و «واحدهای اجرایی» بهره میبرند. این چیزی است که به آن معماری پردازنده گفته میشود. رجیسترها حاوی دادههایی هستند که معمولا در فرمت «۶۴ بیت» نوشته شدهاند. واحدهایی اجرایی هم در همکاری با رجیسترها به کارهایی مانند خواندن و نوشتن دادههای حافظه یا رسیدگی به ریاضیات میپردازند. چندین واحد اجرایی مختلف را میتوان به صورت همزمان درون واحد پردازش مرکزی به کار گرفت و هرکدام به یک یا دو سیکل کلاک برای به انجام رساندن وظایف خود نیاز دارند.
واحدهای پردازش مرکزی آنقدر انعطافپذیر ظاهر میشوند که میتوانند گستره وسیعی از وظایف را به انجام برسانند. با تغییر سرعت کلاک این قطعات (که براساس واحد هرتز سنجیده میشود) میتوان عملکرد خالص آنها را بهبود بخشید یا تضعیف کرد. به همین شکل، تعداد هستههای موجود در پردازنده و تغییرات پنهان معماری هم میتوانند پرفورمنس را در هر سیکل کلاک تحت تاثیر قرار دهند. با معماری میتوان واحدهای پردازش مرکزی اصطلاحا «عریضتر» یا «بزرگتر» ساخت و با استفاده از همین متد بوده که چیپهای موبایل شرکت اپل تا این حد قدرتمند شدهاند. اما باید این را نیز در نظر داشت که هرچه طراحی معماری عریضتر باشد، مصرف انرژی بالاتر میرود و بهینگی کاهش مییابد.
واحدهای پردازش مرکزی موجود در چیپستهای اسمارتفون میتوانند بسیار گوناگون باشند، اما تمامی آنها براساس معماری ARM CPU طراحی میشوند که محصول شرکتی با همین نام Arm است. آخرین هستههایی که شرکت Arm برای چیپستهای موبایل طراحی کرده، هستههای قدرتمند Cortex-A78 و Cortex-X1 و همینطور هسته بهینه Cortex-A55 است. پردازندههای موجود در اسمارتفونها معمولا با هشت هسته به دست مشتریان میرسند. اما تمام هشت هسته کاملا یکسان نیستند. تعدادی از هستهها قدرت پردازشی بیشتر دارند و برای اجرای سنگینترین اپلیکیشنها طراحی شدهاند و هستههای باقی مانده به وظایف کوچکتر رسیدگی کرده و با بهینگی بیشتر در مصرف انرژی، عمر باتری موبایل را بالا میبرند.
گرافیک یکپارچه
در کنار واحد پردازش مرکزی، واحد پردازش گرافیکی (GPU) یا پردازشگر گرافیکی را هم داریم که در تمام چیپستهای موبایل یافت میشوند. پردازشگرهای گرافیکی کارکردی به گستردگی واحدهای پردازش مرکزی ندارند و بنابراین با ساختاری بسیار متفاوت طراحی میشوند. پردازشگرهای گرافیکی طراحی شدهاند تا مداوما به وظایف ریاضیاتی و به صورت موازی رسیدگی کنند و این کار را با سرعت بسیار بالاتری نسبت به یک پردازنده عادی به انجام میرسانند. به یاد داشته باشید، نمایشگرموبایل 1080pشما از میلیونها پیکسل تشکیل شده که هنگام اجرای اپلیکیشن یا بازی محبوب شما، تک تک آنها باید به صورت جداگانه محاسبه و پردازش شوند.
اکثر عملیاتهای گرافیکی بارها و بارها و بارها تکرار میشوند تا تمام پیکسلها روی صفحه نقش ببندند. به این ترتیب، پردازشگرهای گرافیکی باید با دادههای کلان سر و کله زده و انبوهی از محاسبات ریاضیاتی را به صورت آنی و همزمان پیش ببرند. برخلاف پردازندهها که در هر سیکل به یک یا دو عملیات رسیدگی میکنند، این رقم در پردازشگرهای گرافیکی به دهها، صدها و حتی هزاران عملیات موازی در هر سیکل میرسد. همهچیز بستگی به ابعاد و عملکرد طراحی پردازشگر گرافیکی دارد.
اصلیترین پردازشگرهای گرافیکی در دنیای چیپستهای اندروید،Mali شرکت آرم و Adreno شرکت کوالکام هستند. هر دو کمپانی دو ورژن کوچک و بزرگ از تکنولوژی پردازشگر گرافیکی خود ارائه میکنند و چیپهای پرچمدارشان حاوی قدرتمندترین سختافزار برای گیمینگ سهبعدی است. کوالکام معمولا تمایلی به صحبت راجع به تکنولوژیهای درونی آدرنو نشان نمیدهد، اما هرچه لازم است را راجع به مالی میدانیم. ناگفته نماند که اپل از پردازشگر گرافیکی مخصوص به خودش در چیپست آیفونها استفاده میکند و شرکت AMD هم قراردادی در راستای تولید پردازشگر گرافیکی موجود در چیپستهای اگزینوس سامسونگ امضا کرده است.
پردازندههای خوب و دوربینهای عالی
با گذشت هر روز، اهمیت دوربین در موبایلهای هوشمند بیشتر میشود و مصرفکنندگان انتظار بهترین قابلیتها و کیفیت تصویربرداری را در دیوایس گرانقیمت خود دارند. اگرچه سنسورهای پیشرفته و سختافزار لنز برای ثبت تصاویر و ویدیوهای باکیفیت ضروری هستند، اما توانایی پردازش تصویر قدرتمند هم عنصری به همان اندازه مهم به حساب میآید. فقط کافیست نگاهی به نتایج تحسینبرانگیز دوربین موبایل گوگل پیکسل ۴ بیندازید که با دوربینی ساده و واحد به دست آمدهاند.
اگرچه ویرایش و اعمال تنظیمات تصویر معمولا روی پردازنده و پردازشگر گرافیکی انجام میشود، پیش از اینکه تصویر حتی به موبایل شما ارسال شود، انبوهی از پردازش روی داده سنسور دوربین صورت میگیرد. یک پردازنده سیگنال تصویر نوعی پردازنده سیگنال دیجیتال پیشرفته است که به وظایف رایج در تصویربرداری مانند رنگبندی، فوکوس، شفافسازی و کاهش نویز رسیدگی میکند. به عبارت دیگر، این پردازنده اطلاعات دیجیتالی ثبت شده با سنسور دوربین را برداشته و آنها را تبدیل به تصویری باکیفیت و زیبا میکند.
دو وظیفه آخر به صورت خاص از بیشترین اهمیت درون اسمارتفونها برخوردار هستند. موبایلهای ارزانقیمتتر معمولا تصاویر را بیش از حد شفاف میکنند و بسیاری از جزییات را از بین میبرند. در این بین، چیپست کایرین ۹۹۰ شرکت هواوی نخستین چیپستی بود که همراه با قابلیت Black-Matching مشابه به دوربینهای حرفهای DSLR و همینطور فیلترینگ سهبعدی برای کاهش نویز از راه رسید. این تکنولوژیها باعث شدند در موبایلهای سری هواوی پی ۴۰ و همینطور میت ۳۰ پرو شاهد تصاویری بسیار دلچسب باشیم. کوالکام هم البته در این بین بیکار نبوده و قابلیتهای پردازش تصویر مخصوص به خودش را در چیپستهای پرچمدار اخیر توسعه داده. از میان قابلیتهای موجود در چیپستهای اسنپدراگون میتوان به قابلیت اعمال افکت بوکه نرمافزاری به ویدیوهای 4K، آن هم به صورت بلادرنگ اشاره کرد.
سخن آخر اینست که برای ثبت تصاویر باکیفیت نیازمند یک پردازنده تصویر قدرتمند هستیم و سنسورها و لنزها به تنهایی کفایت نخواهند کرد.
پردازش هوش مصنوعی نسل بعد
عباراتی مانند واحدهای پردازش عصبی، پردازندههای هوش مصنوعی یا هستههای یادگیری ماشینی معمولا برای اشاره به معنایی واحد مورد استفاده قرار میگیرند، اما تمام آنها معنایی متفاوت از دیگری درون یک چیپست موبایل هوشمند دارند: در دنیای مدرن، چیپست نوعی پردازنده است که به صورت خاص برای ریاضیات و الگوریتمهای مورد استفاده از سوی «شبکههای عصبی» بهینهسازی شده است.
درست همانطور که پردازشگرهای گرافیکی برای ریاضیات گرافیکی بهینه شدهاند و پردازندههای سیگنال تصویر برای وظایف مرتبط با تصویربرداری، واحدهای پردازش عصبی هم به صورت خاص برای به اجرا درآوردن وظایف یادگیری ماشینی و شبکههای عصبی، به شکلی سریعتر و بهینهتر از پردازندههای طراحی شدهاند. واحدهای پردازش عصبی معمولا حافظه کش مخصوص به خود را دارند و وظایف را بدون کاهش سرعت حافظه رم به پیش میبرند.
شبکههای عصبی معمولا اینطور کار میکنند که چندین ورودی داده را برمیدارند و یک خروجی واحد از آنها پدید میآورند. این رویهای بسیار متفاوت از ریاضیات درون واحد پردازش مرکزی است، هرچند که برخی عملیاتها را روی بعضی پردازشگرهای گرافیکی انعطافپذیرتر میتوان شتاب داد. واحدهای پردازش عصبی یکی از آخرین تکنولوژیهایی هستند که سر از چیپستهای موبایل درآوردهاند. اگرچه این قطعه را عمدتا درون موبایلهای رده پرچمدار مییابیم، اما به خاطر پیشرفتهای تکنولوژی و کاهش هزینههای تولید، شبکههای عصبی خیلی زود سر از چیپستها و موبایلهای ارزانتر هم در خواهند آورد.
مودمهای 4G و 5G برای دستیابی به سرعت بالاتر
آخرین قطعه در یک چیپست اسمارتفون مدرن، مودم دیتا است که به شما اجازه میدهد به شبکه مخابراتی اپراتور سیم کارت خود دسترسی پیدا کنید. مودمهای مختلف، سرعت و کیفیت اتصالات مخابراتی را درون موبایل هوشمند شما تعیین میکنند. قدرتمندترین مودمها قادر به دستیابی به سرعتی بالاتر از ۱ گیگابیت بر ثانیه نیز خواهند بود، البته به شرطی که اپراتور شما چنین سرعتی را ارائه کند. از سوی دیگر شاهد مودمهای وایفای و بلوتوث هم درون چیپست هستیم، اما در این مقاله تمرکز را روی مودمهای 4G و 5Gمیگذاریم.
به عنوان یک استاندارد کلی، تمام چیپستهای موبایل نزدیک به ده سال اخیر از یک مودم4G یکپارچه بهرهمند بودهاند. استفاده از لغت یکپارچه بدین معناست که مودم4G درون خود چیپست تعبیه شده و به شکلی جداگانه درون موبایل قرار نگرفته است. نخستین مودمهای 5Gبرای موبایلهای هوشمند اکسترنال بودند، یعنی در جایی بیرون از چیپست تعبیه میشدند و صرفا به آن متصل بودند. این رویکردی بود که اتلاف انرژی بیشتری با خود به همراه میآورد، اما به تولیدکنندگان موبایلهای هوشمند اجازه میداد به شکلی آسانتر و انعطافپذیرتر قادر به قرار دادن آن درون موبایلها و سرعت بخشیدن به روند دسترسپذیری 5Gباشند.
مودمهای یکپارچه5G اما اکنون از راه رسیدهاند. پردازندههای پرچمدار کوالکام، سامسونگ و هواوی همگی از مودمهای یکپارچهای بهره میبرند که از هر دو شبکه زیر ۶ گیگاهرتز و mmWave در اینترنت نسل پنجم پشتیبانی میکنند. موبایلهای پرچمدار5G سال ۲۰۲۱ به این مودمهای یکپارچه مجهز شدهاند و برخلاف همتایان چند سال پیش خود، هنگام دستیابی به پیک سرعت بهینگی بیشتری در مصرف انرژی از خود نشان میدهند.
جمعبندی
عاشقان موبایلهای هوشمند علاقه فراوانی به مقایسه مشخصات پردازندهها و پردازشگرهای گرافیکی دارند، اما همینطور که عملکرد خالص چیپستها بهبود مییابد و شاهد رونمایی از قابلیتهای جدیدتر هستیم، مقایسه بغل به بغل شکلی بیمعنیتر به خود میگیرد. چیپستهای موجود در موبایلهای هوشمند دیگر صرفا بر مبنای ارائه یک قابلیت توسعه نمییابند و با تمرکز بر پردازش ناهمگن، در صدد دستیابی به تواناییهای گستردهتر برآمدهاند. به عبارت دیگر، چیپستهای امروزی به گونهای ساخته میشوند که به بهینهترین حالت ممکن قادر به رسیدگی به وظایف باشند.
موبایلهای امروزی به وظایفی گستردهتر از هر زمان دیگر رسیدگی میکنند. در نتیجه، شمار پردازندههای مخصوص موجود در هر چیپست روز به روز افزایش مییابد. از پردازندهها و پردازشگرهای گرافیکی ساده در چیپستهای سالیان دور حالا به پردازندههای پیشرفته سیگنال تصویر و پردازندههای عصبی رسیدهایم. این قطعات که هنوز آنقدرها راجع به آنها صحبت نمیشود، مهمترین و برجستهترین پیشرفتها در سه حوزه امنیت، یادگیری ماشینی و 5Gرا با خود به همراه خواهند آورد.