Hầu hết bên trong các thiết bị di động, máy tính bảng đều có hệ thống chip (SoC) nhỏ gọn nhưng vô cùng mạnh mẽ. Vậy SoC là gì, cấu tạo của nó ra sao và System on Chip khác gì so với CPU, hãy cùng bài viết tìm hiểu nhé.

SoC là gì?

Thuật ngữ SoC là viết tắt của System on a Chip, hay còn được gọi là hệ thống trên Chip. Sở dĩ có tên như vậy bởi vì nó bao gồm nhiều thành phần tính toán thiết yếu, tất cả đều được nén vào một con chip. SoC chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị di động bởi kích thước nhỏ gọn và sử dụng ít điện năng mà vẫn đem lại hiệu suất cao.

Từ những năm 1970, một số công ty đã cố gắng đưa nhiều thành phần vào một con chip để cung cấp sức mạnh cho đồng hồ kỹ thuật số. Intel đã thành công trong việc này với sự ra mắt của Đồng hồ kỹ thuật số Microma vào năm 1974, tạo ra SoC thực sự đầu tiên. Hãng đã tích hợp các chức năng định giờ và các bóng bán dẫn trình điều khiển LCD vào một con chip.

SoC thực sự phát triển mạnh vào những năm 80 và 90. Máy tính cá nhân trở nên phổ biến vào những năm 80 và cần được cung cấp sức mạnh bởi những con chip nhỏ hơn. Vào những năm 90, điện thoại di động dùng SoC và xu hướng đó vẫn tiếp tục cho đến ngày nay.

Cấu tạo của SoC

Các thiết bị di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng đều có xu hướng thu nhỏ dần về kích thước. Đây cũng chính là lý do cho sự tồn tại của SoC. 

Các nhà sản xuất SoC nén một số thành phần thiết yếu vào một con chip. Việc tất cả các thành phần ở cùng một vị trí giúp tiết kiệm một lượng lớn không gian hơn là để chúng nằm rải rác khắp bo mạch chủ.

CPU (Central Processing Unit)

Một trong những thành phần chính trong SoC là CPU, hay còn được gọi là bộ não của thiết bị. Mọi tác vụ của thiết bị đều được xử lý thông qua CPU. Giống như cách bộ não xử lý thông tin đến từ các giác quan của bạn, CPU xử lý thông tin đến từ RAM và bộ nhớ đệm.

GPU (Graphics Processing Unit)

Cũng giống như CPU nhưng GPU xử lý những tác vụ khác. CPU có thể xử lý mọi thứ từ code đến đồ họa, nhưng như vậy nó sẽ tốn quá nhiều công sức. Để giảm tải cho CPU cũng như tối ưu hóa hiệu năng, GPU được sử dụng để chuyên xử lý thông tin đồ họa, tức là mọi thứ mà bạn nhìn thấy trên màn hình.

RAM (Random Access Memory)

RAM hay bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, chứa dữ liệu cần được truy cập ngay. Máy tính từng phải truy cập dữ liệu trực tiếp từ các đơn vị lưu trữ vật lý (ổ cứng), và quá trình đó diễn ra rất chậm.

RAM khắc phục vấn đề này với tốc độ đọc và ghi dữ liệu nhanh hơn so với bộ lưu trữ thông thường, kể cả SSD. Sau khi tải dữ liệu vào RAM, CPU có thể dễ dàng truy cập dữ liệu hữu ích từ bộ nhớ cực nhanh.

Giả sử bạn cần mở một ứng dụng ở trên ổ đĩa cứng. Khi mở ứng dụng, nó sẽ được tải từ ổ cứng vào RAM mà CPU có thể truy cập. Tùy thuộc vào những gì xảy ra trong ứng dụng, dữ liệu có thể được truy cập nhanh chóng, giúp cho mọi thứ diễn ra suôn sẻ. CPU tải dữ liệu mà nó cho rằng bạn có thể sử dụng vào RAM, giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu.

Cache

Một dạng bộ nhớ khác thậm chí còn nhanh hơn RAM được gọi là bộ đệm (cache) CPU. RAM chứa dữ liệu mà CPU cần dùng, nhưng nếu có thông tin được truy cập thường xuyên, nó sẽ được chuyển vào bộ đệm. Bộ đệm có thể gửi dữ liệu đến CPU nhanh hơn RAM.

Giả sử bạn mở một chương trình nhiều lần trong một thời gian ngắn. Chương trình đó sẽ được lưu trữ trong bộ đệm để tải lên nhanh hơn. Các trang web cũng được lưu trữ trong bộ đệm để tải nhanh hơn.

IPU (Image Processing Unit)

IPU hay đơn vị xử lý hình ảnh chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu đến từ máy ảnh. Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến hình ảnh, dữ liệu đó sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số rồi gửi đến SoC. Dữ liệu đó sẽ được IPU xử lý trong khi CPU có thể đảm nhận các tác vụ khác.

Bộ mã hóa video

Nếu có video trên thiết bị, dữ liệu đó sẽ cần được chuyển đổi thành tín hiệu analog để xem được. Bộ mã hóa video (Video Encoder) chịu trách nhiệm lấy tín hiệu kỹ thuật số và chuyển đổi nó thành tín hiệu analog. Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi thành ánh sáng trong màn hình.

Modem tín hiệu

Các modem tín hiệu chịu trách nhiệm chuyển đổi tín hiệu điện từ thành tín hiệu kỹ thuật số mà thiết bị di động của bạn có thể hiểu được. Modem cũng làm điều ngược lại khi chúng gửi dữ liệu đến các máy chủ.

Tùy thuộc vào từng thiết bị, SoC có thể có các thành phần khác nhau. Ví dụ: một số SoC không có RAM tích hợp, trong khi những SoC khác có một phần được gọi là NPU, viết tắt của đơn vị xử lý thần kinh (neural processing unit) để xử lý các tác vụ liên quan đến trí tuệ nhân tạo và học máy.

So sánh SoC với CPU

• Tích hợp: SoC là một chip tích hợp nhiều thành phần khác nhau như CPU, GPU, bộ nhớ, bộ điều khiển, các cổng kết nối các thiết bị ngoại vi,… Trong khi đó CPU chỉ là một bộ xử lý trung tâm trong một máy tính hoặc thiết bị điện tử.
• Hiệu suất: SoC có thể cung cấp hiệu suất cao hơn so với CPU vì nó tích hợp nhiều thành phần khác nhau trên cùng một chip. Điều này giúp giảm thiểu độ trễ và tăng tốc độ xử lý.
• Tiêu thụ năng lượng: SoC tiêu thụ ít năng lượng hơn so với CPU vì nó tích hợp nhiều thành phần khác nhau trên cùng một chip. Điều này giúp giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sử dụng PIN.
• Ứng dụng: SoC được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, máy tính bảng, máy ảnh, máy quay phim,…. Trong khi đó CPU được sử dụng chủ yếu trong các máy tính để bàn và máy chủ.
• Giá thành: SoC có giá thàn thấp hơn so với CPU vì nó tích hợp nhiều thành phần khác nhau trên cùng một chip. Điều này giúp giảm thiểu chi phí sản xuất và giá thành của sản phẩm.

Tại sao lại sử dụng SoC

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 nhiều 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 có hiệu năng mạnh mẽ. Các nhà sản xuất điện thoại thông minh khác cũng sử dụng SoC.

Trong những năm 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 ít hơn 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 hệ thống trên một chip ( Broadcom BCM2711 ) cho các chức năng cốt lõi của nó, mà vẫn giữ cho chi phí thiết bị thấp (khoảng $ 35) trong khi cung cấp nhiều tính năng hữu dụng.

Microcontroller và System on a Chip

Năm 1974, Texas Instruments phát hành bộ vi điều khiển (Microcontroller) 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.

Tương lai của SoC

SoC trước đây chủ yếu được dùng trong các thiết bị di động, nhưng chúng ta đang đứng trước một cuộc cách mạng mới trong công nghệ SoC: SoC cung cấp năng lượng cho toàn bộ máy tính desktop. Công nghệ SoC đang đạt đến mức có thể chạy phần mềm desktop đầy đủ, điển hình là chip M1 của Apple, một SoC dựa trên ARM cung cấp năng lượng cho một số MacBook mới nhất.

Viêc sử dụng SoC để cung cấp năng lượng cho máy tính mang lại nhiều lợi ích. Cùng với việc tiết kiệm không gian, SoC còn sử dụng năng lượng hiệu quả, dẫn đến thời lượng PIN tốt hơn cho máy tính xách tay.

SoC cũng không nóng bằng bộ xử lý lớn nên các thiết bị, đặc biệt là máy tính xách tay, sẽ thoải mái hơn khi sử dụng nó. Không chỉ vậy, nó sẽ loại bỏ nhu cầu về quạt, vốn được đưa vào máy tính và máy chơi game để loại bỏ nhiệt mà bộ vi xử lý tạo ra. Loại bỏ các quạt sẽ giúp tiết kiệm nhiều không gian và điện cho thiết bị.