SoC (System on a Chip) — co to takiego i za co odpowiada?

Gdy w 2020 roku na pokładach MacBooków po raz pierwszy pojawił się autorski chip od Apple — M1 — świat technologii naocznie przekonał się, że większość najważniejszych podzespołów (bardzo wydajnego) komputera da się zmieścić na niecałych… 100 mm2. To właśnie tzw. system on a chip; więcej o tej technologii w dzisiejszym wpisie.

SoC — co to jest?

SoC — z angielskiego System on a Chip — to innowacyjny rodzaj układu scalonego, który łączy wszystkie lub większość kluczowych komponentów urządzenia — komputera, smartfona czy tabletu — w obrębie jednego chipa.

Wyobraźmy sobie, jak wygląda układ tradycyjnego komputera. Poszczególne moduły — procesor, kości pamięci RAM, kontrolery interfejsów, karta graficzna — rozmieszczone są na (nie tak małej) płycie głównej i połączone specjalnymi ścieżkami.

W układzie System on a Chip moduły te są skondensowane tak, aby zmieściły się w układzie o wymiarach nie większych niż kilkanaście milimetrów — ale nie traciły nic ze swoich osiągów. Otrzymujemy więc wysoce zintegrowany, kompaktowy i energooszczędny układ o takich samych możliwościach, jakie oferują tradycyjne systemy. A często nawet i wyższych — o tym poniżej.

Pod jakimi względami SoC przewyższa tradycyjne układy CPU?

Z technicznego punktu widzenia najważniejszą zaletą układów SoC jest skrócenie odległości komunikacyjnych między podzespołami urządzenia w porównaniu z klasycznymi systemami umieszczanymi na płytach głównych. 

Oznacza to ograniczenie opóźnień w przesyle informacji niemal do zera i, co za tym idzie — lepszą synchronizację podzespołów w trakcie pracy. A to przekłada się już bezpośrednio na wzrost wydajności sprzętu, odczuwalną głównie przy obsłudze bardziej zaawansowanych programów — powiedzmy, Photoshopa, Final Cuta czy narzędzi korzystających z pomocy AI.

To jedna rzecz. Druga — dzięki zmniejszeniu odległości między podzespołami układy SoC mogą pochwalić się zdecydowanie niższymi poborami energii w trakcie pracy (mniejsza odległość to m.in. mniejsze straty cieplne). Dla porównania: ostatnie proponowane przez Apple MacBooki Pro z tradycyjnymi układami Intela oferowały do 10 godzin pracy na baterii; MacBook Pro z chipem M1 — dokładnie dwa razy więcej, przy identycznej pojemności baterii. W praktyce, przy codziennym użytkowaniu, to właśnie w tej kwestii można najdobitniej odczuć różnicę między chipami SoC a klasycznymi układami.

Gdzie jeszcze System on a Chip jest górą?

• Zajmowana powierzchnia — to oczywiste, ale wspomnijmy o tym. W urządzeniach, w których nie mamy do zagospodarowania zbyt dużej powierzchni (smartfonach, tabletach, smartwatchach), chipy SoC są często jedynym rozsądnym wyborem. Jednak nawet w przypadku nieco większej elektroniki zastosowanie takiego układu umożliwia o wiele lepsze wykorzystanie przestrzeni (np. pod dyski twarde i chłodzenie) oraz pozwala zmniejszyć wymiary samego sprzętu (pomyśl, jak cienkie są obecnie MacBooki z serii Air).
• Koszty produkcji — opracowanie jednego układu scalonego — nawet tak zaawansowanego technologicznie — jest tańsze niż produkcja i zintegrowanie ze sobą osobnych komponentów.
• Niezawodność — aby klasyczna płyta główna działała prawidłowo, sprawne muszą być wszystkie przyłączone do niej moduły oraz połączenia między nimi. W przypadku układów SoC mamy, po prostu, mniej rzeczy, które mogłyby się zepsuć.

System SoC — jakie pełni funkcję?

Wspomnieliśmy, że układy System on a Chip są w stanie pomieścić większość komponentów urządzenia — przynajmniej tych, które standardowo znalazłyby się na płycie głównej. SoC spełnia więc rolę:

• procesora — czyli serca (lub mózgu) komputera, dokonującego wszystkich obliczeń niezbędnych do pracy urządzenia;
• pamięci RAM oraz cache — w których przechowuje się obliczenia wykonywane przez procesor;
• karty graficznej — odpowiadającej za renderowanie grafiki (obrazu, wideo, animacji).

Niektóre chipy zintegrowane mają na swoim pokładzie również dedykowane moduły do obsługi urządzeń zewnętrznych (np. HDMI czy USB) oraz umożliwiające łączność bezprzewodową (np. za pośrednictwem Wi-Fi lub sieci komórkowej). 

Mówiąc krótko — spośród tych naprawdę najistotniejszych podzespołów System on a Chip nie zastąpi jedynie pamięci masowej (dysku twardego/SSD) oraz, jeśli znajduje się w urządzeniu, układu chłodzenia.

SoC — w jakich urządzeniach znajdziemy takiego rozwiązanie? 

Technologia System on a Chip znalazła swoje zastosowanie już niemal w każdym rodzaju domowej elektroniki. Duża w tym zasługa giganta z Cupertino; o ile większość producentów skupia się na rozwoju kompaktowych chipów dla urządzeń mobilnych, tak Apple stosuje je już nawet w desktopach i odtwarzaczach TV. Spójrzmy:

• chipy z serii A — najstarszej, bo sięgającej jeszcze pierwszej generacji iPadów — napędzają przede wszystkim iPhone’y, ale także wybrane iPady oraz… Apple TV;
• seria H to z kolei chipy dedykowane słuchawkom AirPods;
• seria M jest prawdopodobnie najmocniejszą rodziną chipów SoC na rynku — napędzającą od 2020 roku wszystkie nowe komputery Mac, MacBooki, a także iPady z linii Pro oraz Air;
• ciekawym przypadkiem są zestawy wirtualnej/rozszerzonej rzeczywistości — Apple Vision Pro — które mają na pokładzie zarówno chip SoC z serii M (w roli procesora), jak i dedykowany chip R1, umożliwiający przetwarzanie bodźców sensorycznych (czyli każdego ruchu użytkownika);
• dwa układy scalone inżynierowie z Cupertino zmieścili także w… zegarkach Apple Watch — gdzie znajdziemy serię S (główny procesor) i dedykowaną serię W (odpowiadającą za komunikację Wi-Fi oraz Bluetooth).

Krótko mówiąc — jeśli używasz jakiegokolwiek sprzętu z logo nadgryzionego jabłuszka, to znaczy, że już znasz z własnego doświadczenia możliwości układów System on a Chip.

Bezpieczeństwo Apple a System on a Chip

Warto wspomnieć o jeszcze jednej, bardzo ważnej kwestii związanej z architekturą SoC. O bezpieczeństwie.

W dużej mierze to właśnie podejście kalifornijskiego giganta do integracji niemal całej architektury urządzeń w ramach jednego chipu odpowiada za to, jak bezpieczne są urządzenia Apple. Projektując chipy typu SoC inżynierowie z Cupertino mają pełną kontrolę nad zachowaniem każdego elementu systemu i — co najważniejsze — mogą opracować je tak, aby idealnie współdziałały z oprogramowaniem Apple i całym jego ekosystemem. W przypadku mniej zintegrowanej ze sobą architektury nie byłoby to możliwe, przynajmniej nie do takiego stopnia.

Poniżej kilka rozwiązań, które wspierają bezpieczeństwo sprzętu od Apple — i które nie byłyby możliwe w tak zaawansowanej formie bez SoC:

• Kernel Integrity Protection — odpowiadający za ochronę jądra systemu operacyjnego przed wprowadzaniem do niego jakichkolwiek zmian w kodzie po pierwszym uruchomieniu systemu; czy to przez użytkownika, czy przez potencjalnie niebezpieczne programy;
• Fast Permission Restrictions — rozwiązanie na poziomie procesora, które de facto uniemożliwia CPU kompilację złośliwych fragmentów kodu;
• System Coprocessor Integrity Protection — mechanizm podobny do KIP; uniemożliwia wprowadzanie zmian na poziomie koprocesora, odpowiedzialnego m.in. za obsługę Secure Enclave (to unikalny dla urządzeń Apple “podsystem w ramach systemu”, przechowujący najbardziej wrażliwe dane);
• Pointer Authentication Codes — czyli specjalne kody wykorzystywane przez system operacyjny i wbudowane aplikacje od Apple, które uniemożliwiają wykorzystanie niezamierzonych zmian pamięci (np. na skutek błędów w kodzie, które są w praktyce nieuniknione) do ataku na system.

Podsumowanie

Architektura typu SoC już od długiego czasu jest podstawą wielu urządzeń od Apple — dziś, praktycznie wszystkich. I nic dziwnego. Bez skondensowania układów scalonych trudno byłoby inżynierom firmy z Cupertino osiągnąć takie poziomy wydajności, zużycia energii i bezpieczeństwa, jakimi mogą pochwalić się urządzenia z nadgryzionym jabłuszkiem.

Powiązane kategorie