什麼是片上系統 (SoC)？

這些天來，關於 Apple M1 芯片和智能手機的討論太多了，你可以聽到他們使用的片上系統 (SoC) 設計。但什麼是 SoC，它們與處理器和微處理器有何不同？我們將解釋。

片上系統：簡要定義

片上系統是將計算機系統的許多元件組合到單個芯片中的集成電路。SoC 始終包括 CPU，但也可能包括系統內存、外圍控制器（用於 USB、存儲）和更高級的外圍設備，例如圖形處理單元 (GPU)、專用神經網絡電路、無線電（用於藍牙或 Wi-Fi） . Fi) 等等。

片上系統不同於具有 CPU 芯片和單獨的控制器芯片、GPU 和 RAM 的傳統 PC，可以根據需要進行更換、升級或更換。SoC 的使用使計算機更小、更快、更便宜且能耗更低。

電子集成簡史

自 20 世紀初以來，電子學的發展遵循了可預見的兩大趨勢：小型化和集成化。隨著時間的推移，小型化導致電容器、電阻器和晶體管等單個電子元件變得更小。隨著1958 年集成電路(IC) 的發明，集成將多個電子元件組合到一塊矽中，從而實現了更大的小型化。

隨著電子產品的小型化發生在 20 世紀，計算機也變得更小。最早的數字計算機由大型分立元件組成，例如繼電器或真空管。後來他們使用分立晶體管，然後是集成電路組。1972年，英特爾將計算機中央處理器（CPU）的元素組合成一個單一的集成電路，第一個商用單片微處理器誕生了。有了微處理器，計算機可以比以往更小，耗電更少。

進入微控制器和片上系統

1974 年，德州儀器發布了第一款微控制器，這是一種將主存儲器和 I/O 設備與 CPU 集成在一個芯片上的微處理器。CPU、RAM、內存控制器、串口控制器等不需要單獨的IC，它們都可以放在一個芯片中，用於袖珍計算器和電子玩具等小型嵌入式應用。

在 PC 時代的大部分時間裡，使用帶有獨立控制器芯片、RAM 和圖形硬件的微處理器產生了最靈活、最強大的個人計算機。微控制器通常受限於一般計算任務，因此使用帶有離散支持芯片的微處理器的傳統方法仍然存在。

最近，對智能手機和平板電腦的推動已經比微處理器或微控制器進一步推動了集成。結果是一個片上系統，可以將現代計算機系統的許多元素（GPU、蜂窩調製解調器、AI 加速器、USB 控制器、網絡接口）與處理器和系統內存一起打包到單個封裝中。這是電子產品持續集成和小型化的又一步，可能會持續到未來。

為什麼要使用片上系統？

在單個裸片上放置更多計算機系統元件可降低功率需求、降低成本、提高性能並減小物理尺寸。所有這些都有助於創造更強大的智能手機、平板電腦和筆記本電腦，從而減少電池壽命。

例如，Apple 以製造功能強大、緊湊的計算設備而自豪。在過去的 14 年中，Apple 在其 iPhone 和 iPad 產品線中使用了 SoC。起初，他們使用其他公司開發的基於 ARM 的 SoC。2010 年，Apple 推出了A4 SoC，這是 Apple 設計的第一款 iPhone SoC。從那時起，Apple 對其 A 系列芯片的改進取得了巨大成功。SoC 幫助 iPhone 消耗更少的電量，同時保持緊湊並不斷提高其功能。其他智能手機製造商也在使用 SoC。

直到最近，SoC還很少出現在台式電腦中。2020 年，Apple 推出了 M1，這是其首款適用於 Mac 台式機和筆記本電腦的 SoC。M1 將 CPU、GPU、內存等集成在一個矽芯片上。2021 年，Apple 通過發布 M1 Pro 和 M1 Max 改進了 M1。這三款芯片都提供了令人印象深刻的 Mac 性能，同時比大多數 PC 中的傳統分立微處理器架構消耗更少的功率。

Raspberry Pi 4 是一款深受愛好者歡迎的計算機，它的核心功能也使用了片上系統 ( Broadcom BCM2711 )，這降低了設備成本（約 35 美元）並提供了足夠的功率。SoC 擁有美好的未來，因為它們延續了一個多世紀前開始的集成和小型化電子產品的傳統。未來激動人心的時刻！