System on a Chip (SoC) คือ อะไร ? ต่างจาก CPU ที่เรารู้จักอย่างไร ?

System on a Chip (SoC) คือ อะไร ?

คำว่า "System on a Chip (SoC)" เป็นคำที่ผู้ที่มีความสนใจในวงการสมาร์ทโฟน น่าจะคุ้นเคยกันเป็นอย่างดี หรือใน MacBook ที่ใช้ชิป M1 ซึ่งทาง Apple ออกแบบเองก็เป็นชิปแบบ SoC เช่นกัน คำถาม คือ แล้วชิปแบบ SoC เนี่ย มัน คือ ชิปแบบไหน ? มันต่างไปจากซีพียูที่เราใช้ในคอมพิวเตอร์อย่างไร ?  

หากสงสัยล่ะก็ ในบทความนี้เราจะพาคุณผู้อ่านไปทำความรู้จักกับ System on a Chip หรือ SoC กันให้มากขึ้น

System on a Chip (SoC) คืออะไร ?

System on a Chip หรือที่เขียนโดยย่อว่า "SoC (อ่านว่า เอส-โอ-ซี)" เป็นชิปรูปแบบหนึ่งที่ออกแบบโดยรวมเอาวงจร และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญทั้งหมดเข้าไว้ด้วยกันใส่เข้าไปในชิปตัวเดียว จุดนี้ทำให้ SoC มีความแตกต่างไปจากระบบคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิม อย่างคอมพิวเตอร์แบบ Desktop มันต้องมี หน่วยประมวลผลกลาง (CPU), หน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ที่มากับการ์ดจอ (Graphic Card), การ์ดเสียง (Sound Card) ฯลฯ ที่ทำงานร่วมกันผ่านการเชื่อมต่อบน แผงวงจรหลัก (Mainboard) แต่ SoC คือ การรวมชิปทั้งหมดที่กล่าวไปเมื่อสักครู่เอาไว้ภายในชิปเพียงตัวเดียวเลย

ชิป Qualcomm - Snapdragon 888
ภาพจาก : https://audioxpress.com/news/qualcomm-unveils-snapdragon-888-mobile-processing-platform

ข้อได้เปรียบของ System on a Chip (SoC) คือ พอรวมทุกอย่างที่จำเป็นเอาไว้ในชิปตัวเดียวแล้ว มันทำให้ระบบมีขนาดเล็กลง, ต้นทุนการผลิตถูก, ใช้พลังงานต่ำ ซึ่งการใช้พลังงานต่ำทำให้ปริมาณความร้อนในระบบลดลงด้วย ด้วยเหตุผลนี้ในสมาร์ทโฟน, แท็บเล็ต และสมาร์ทวอทช์ จึงไม่จำเป็นต้องมีพัดลมระบายความร้อนเหมือนกับคอมพิวเตอร์

จุดเริ่มต้นของ System on a Chip (SoC)

เรื่องราวของ System on a Chip (SoC) ได้เริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ช่วงต้นของศตวรรษที่ 20 ณ เวลานั้น มีการทำนายความก้าวหน้าของการพัฒนาระบบอิเล็กทรอนิกส์ออกเป็น 2 แนวทางใหญ่ คือ Miniaturization (การย่อขนาด) และ Integration (บูรณาการ)

การทำ Miniaturization นี่เห็นได้อย่างชัดเจนจากการที่ Capacitors (ตัวเก็บประจุ), Resistors (ตัวต้านทาน) และ Transistors (ทรานซิสเตอร์) สามารถพัฒนาให้มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ มาโดยตลอด

และต่อมาในปี ค.ศ. 1958 (พ.ศ. 2501) ก็มีการพัฒนาวงจรรวม Integrated circuit (IC) มันเป็นวงจรที่รวมไดโอด, ทรานซิสเตอร์, ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ และองค์ประกอบของวงจรต่าง ๆ มาประกอบรวมกันบนแผ่นวงจรขนาดเล็กลงบนแผ่นซิลิคอน (เดิมทีทำบนแผ่นเซรามิกส์ ต่อมาก็เจอร์มาเนียม จนมาลงตัวที่ซิลิคอน) หรือที่ปัจจุบันนี้เรานิยมเรียกมันว่า Chip (ชิป) ขึ้นมาได้สำเร็จ ซึ่งนั่นทำให้การ Miniaturization มีความเติบโตอย่างก้าวกระโดด

Integrated circuit ตัวแรกที่สร้างบนแผ่นเจอร์มาเนียม โดย Jack Kilby ในปี ค.ศ. 1958 (พ.ศ. 2501)
ภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit

การมาของ IC ทำให้ขนาดของคอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลงกว่าเดิมมาก ต้องขออนุญาตอธิบายเพิ่มเติมว่า เดิมทีเหตุผลที่ทำให้คอมพิวเตอร์มีขนาดใหญ่โตมโหฬารสืบเนื่องมาจากการที่มันต้องใช้หลอดสุญญากาศที่มีขนาดใหญ่เป็นจำนวนมาก แต่ Transistors และ Integrated circuit ได้มาแทนที่หลอดสุญญากาศเหล่านั้น

ในปี ค.ศ. 1972 (พ.ศ. 2515) บริษัท Intel ได้ประสบความสำเร็จในการสร้าง CPU ที่รวมองค์ประกอบที่จำเป็นเอาไว้ใน Integrated Circuit เพียงชิ้นเดียว เรียกว่า Microprocessor ซึ่งมีขนาดเล็ก และใช้พลังงานต่ำ มันได้ทำให้คอมพิวเตอร์กลายเป็นอุปกรณ์ที่คนทั่วไปก็สามารถซื้อหามาใช้งานได้เป็นครั้งแรก

ในปี ค.ศ. 1974 (พ.ศ. 2517) บริษัท Texas Instruments ได้เปิดตัว Microcontroller ตัวแรกของโลกออกมา มันมี CPU, RAM และ I/O devices รวมทั้งหมดเอาไว้ในชิปเดียว แทนที่จะต้องมี IC แยกสำหรับ CPU, RAM และ Memory controller, Serial Controller ฯลฯ ชิปจาก Texas Instruments ถูกนำมาใช้เครื่องคิดเลขพกพา และของเล่นอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ

ตลอดยุคการพัฒนาคอมพิวเตอร์ที่ผ่านมา ส่วนใหญ่จะเป็นการใช้ Microprocessor ที่มีชิป Controller แยกออกจากกัน อย่างที่เราเห็นกันเป็น CPU, GPU, RAM ฯลฯ แม้การทำเช่นนี้จะทำให้คอมพิวเตอร์มีประสิทธิภาพในการทำงานสูง แต่มันก็มีข้อจำกัด

ข้อจำกัดที่ว่า เห็นได้อย่างชัดเจนเมื่อเข้าสู่ยุคของสมาร์ทโฟน และแท็บเล็ต ที่การออกแบบตัวอุปกรณ์มีพื้นที่จำกัด การใช้ Microprocessors หรือ Microcontrollers มันไม่สามารถตอบโจทย์ได้ ผลลัพธ์ที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาก็คือ System on a Chip (SoC) นั่นเอง

System on a Chip (SoC) จะว่าไปก็คล้ายคลึงกับ Microprocessor แต่มันมีส่วนประกอบที่มากกว่า เพื่อรองรับการทำงานของเทคโนโลยีในยุคปัจจุบัน ซึ่ง SoC ในปัจจุบันนี้มีการพัฒนาให้ดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ทำไมต้องใช้ System on a Chip (SoC) ?

เป้าหมายของการออกแบบชิปในปัจจุบันนี้ มีเป้าหมายร่วมกันอยู่อย่างหนึ่ง คือ การทำให้มันมีประสิทธิภาพสูงขึ้น โดยที่ใช้พลังงานน้อยลง ซึ่ง SoC สามารถตอบโจทย์ในข้อนี้ได้เป็นอย่างดี

การรวมองค์ประกอบที่จำเป็นต่อการทำงานของคอมพิวเตอร์ทั้งหมดมาไว้ในแผ่นซิลิคอนเล็ก ๆ เพียงอันเดียว ทำให้พลังงานที่ต้องใช้ในการทำงานน้อยลงเป็นอย่างมาก, ลดต้นทุนในการผลิต และลดขนาดของชิป ทำให้เราได้เห็นสมาร์ทโฟน, แท็บเล็ต หรือโน้ตบุ๊กที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น แต่ใช้งานได้ยาวนานกว่าเดิม เพราะใช้แบตเตอรี่ในการทำงานลดลง

ตัวอย่างที่เห็นได้อย่างชัดเจน คือ บริษัท Apple ที่มีความภาคภูมิใจในความสามารถในการสร้างคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง แต่มีน้ำหนักเบา ทาง Apple ได้ใช้ชิปแบบ SoC ตั้งแต่ 14 ปีที่แล้ว ใน iPhone รุ่นแรก โดยใช้ชิปที่แบบ ARM ที่ออกแบบโดยบริษัท Samsung

แต่ภายหลัง ในปี ค.ศ. 2010 (พ.ศ. 2553) ก็ได้พัฒนา A4 SoC ชิปของตนเองขึ้นมาเป็นครั้งแรกโดยใส่เข้ามาใน iPad รุ่นแรก และ iPhone รุ่นที่ 4 หลังจากนั้น Apple ก็ใช้ชิป SoC ที่ออกแบบเองมาโดยตลอดจนถึงปัจจุบัน สมาร์ทโฟนของค่ายอื่น ๆ ก็เลือกใช้ SoC ด้วยเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่แล้ว SoC จะใช้งานกันอยู่ในสมาร์ทโฟน หรือแท็บเล็ตเป็นหลัก แม้จะมีโน้ตบุ๊กที่ใช้ SoC เปิดตัวอยู่บ้าง แต่ยังเป็นส่วนน้อย เนื่องจากประสิทธิภาพของ SoC ยังไม่อาจสู้คอมพิวเตอร์ที่ใช้ Microprocessor แยกส่วนออกจากกันได้ แต่ในปี ค.ศ. 2020 (พ.ศ. 2563) ทาง Apple ได้เปิดตัวชิป M1 ซึ่งเป็นชิป SoC รุ่นแรกที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานใน Mac ทั้งในคอมพิวเตอร์ Desktop อย่าง iMad หรือโน้ตบุ๊กอย่าง MacBook โดยเฉพาะ

และต่อมาในปี ค.ศ. 2021 (พ.ศ. 2564) Apple ก็ได้เปิดตัวชิป M1 Pro และ M1 Max ชิป SoC รุ่นใหม่นี้ทำให้ Mac มีประสิทธิภาพสูงกว่าเดิมมาก มีประสิทธิภาพไม่ต่างจากคอมพิวเตอร์แบบดั้งเดิมที่ใช้ Microprocessor แบบแยกชิ้นส่วน แต่แบตเตอรี่มีอายุการทำงานยาวนานกว่า

ภาพจาก : https://www.howtogeek.com/769198/what-is-a-system-on-a-chip-soc/

นอกจากนี้แล้ว Raspberry Pi 4 คอมพิวเตอร์ขนาดเล็กขวัญใจนักประดิษฐ์ ก็ใช้ชิปแบบ SoC เช่นกัน (ชิป Broadcom BCM2711) ทำให้ราคาในการผลิตถูกมาก วางจำหน่ายในราคาเพียง $35 (ประมาณ 1,180 บาท) เท่านั้น โดยที่มีประสิทธิภาพในการทำงานที่ดีพอสมควร

ข้อมูลเพิ่มเติม : Raspberry Pi คืออะไร ? มีประโยชน์อย่างไร ทำไมถึงน่าใช้ ?

คาดการณ์กันว่า ในอนาคตเราน่าจะได้เห็น SoC รุ่นใหม่ประสิทธิภาพสูงในคอมพิวเตอร์มากกว่าในปัจจุบันกันอย่างแน่นอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคอมพิวเตอร์แบบพกพาอย่างโน้ตบุ๊ก