这些天,关于苹果M1和智能手机芯片的讨论如此之多,你可能会听说其中使用的“芯片上系统”(SoC)设计。但什么是SoC,它们与CPU和微处理器有何不同?我们会解释的。
芯片上的系统:快速定义
芯片上的系统是一种集成电路,它将计算机系统的许多元件组合成一个芯片。SoC通常包括一个CPU,但也可能包括系统内存、外围控制器(用于USB、存储)和更高级的外围设备,如图形处理单元(GPU)、专用神经网络电路、无线电调制解调器(用于蓝牙或Wi-Fi)等。
片上系统方法与传统的PC不同,它具有CPU芯片和独立的控制器芯片、GPU和RAM,可以根据需要进行更换、升级或交换。SoC的使用使计算机更小、更快、更便宜、耗电更少。
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电子集成简史
自20世纪初以来,电子技术的发展一直遵循着两大趋势:微型化和集成化。随着时间的推移,小型化已经见证了单个电子元件,如电容器、电阻器和晶体管变得越来越小。随着1958年集成电路(IC)的发明,集成已经将多个电子元件组合到一块硅上,从而实现了进一步的小型化。
随着20世纪电子产品的小型化,计算机也变得更小了。最早的数字计算机是由继电器或真空管等大型分立元件制成的。后来,他们使用分立晶体管,然后是集成电路组。1972年,英特尔将计算机中央处理器(CPU)的元件组合成一个集成电路,第一个商业化的单片微处理器诞生了。有了微处理器,计算机可以比以前更小,耗电更少。
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在芯片上输入微控制器和系统
1974年,德州仪器公司发布了第一款微控制器,它是一种微处理器,带有RAM和I/O设备,与CPU集成在一块芯片上。不需要为CPU、RAM、内存控制器、串行控制器等单独的IC,所有这些都可以放在一个芯片中,用于小型嵌入式应用,如袖珍计算器和电子玩具。
在PC时代的大部分时间里,使用带有独立控制器芯片、RAM和图形硬件的微处理器产生了最灵活、功能最强大的个人计算机。微控制器通常太有限,无法胜任一般的计算任务,因此保留了使用带有离散支持芯片的微处理器的传统方法。
最近,智能手机和平板电脑的发展推动了集成,甚至比微处理器或微控制器更进一步。结果是系统在芯片上,它可以将现代计算机系统的许多元素(GPU、蜂窝调制解调器、AI加速器、USB控制器、网络接口)以及CPU和系统内存打包到一个单独的包中。这是电子产品持续集成和小型化的又一步,很可能会持续很长时间。
为什么要在芯片上使用系统?
在单片硅上安装更多的计算机系统元件可以降低电源需求、降低成本、提高性能并减小物理尺寸。所有这些都大大有助于创建更强大的智能手机、平板电脑和笔记本电脑,它们使用更少的电池寿命。
例如,苹果以制造功能强大、紧凑的计算设备而自豪。在过去14年中,苹果在iPhone和iPad系列中使用了SoC。起初,他们使用其他公司设计的基于ARM的SoC。2010年,苹果推出了A4 SoC,这是苹果设计的第一款iPhone SoC。从那时起,苹果在其A系列芯片上进行了迭代,取得了巨大成功。SoC有助于iPhone使用更少的电量,同时始终保持紧凑和更强大的功能。其他智能手机制造商也使用SoC。
直到最近,SoC很少出现在台式计算机中。2020年,苹果推出了M1,这是其首款用于台式机和笔记本电脑Mac的SoC。M1将CPU、GPU、内存等组合在一块硅上。2021,苹果使用M1 Pro和M1 Max对M1进行了改进。这三种芯片都为Mac带来了令人印象深刻的性能,同时与大多数PC中的传统离散微处理器架构相比,它们的功耗较小。
Raspberry Pi 4是一款广受欢迎的业余爱好者电脑,它的核心功能也使用了芯片上的系统(Broadcom BCM2711),这使得设备成本低(约35美元),同时提供了充足的电力。SoC的未来是光明的,它延续了一个多世纪前开始的电子集成和小型化的传统。接下来是激动人心的时刻!
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