SoC, czyli co to jest System on a Chip i jakie są jego cechy?

Szukając odpowiedniego urządzenia w niektórych kategoriach (np. w smartfonach, czy konsolach do emulacji) możemy natrafić na skrót SoC w specyfikacji. W tym artykule wyjaśnię czym dokładnie jest SoC, jakie są cechy tego komponentu i w jakich sprzętach jest on używany.

Spis treści

Co to jest SoC?

SoC (ang. System on a chip), czasem nazywany po prostu chipem to nazwa dla komponentu, który zawiera w sobie większość lub wszystkie moduły potrzebne do funkcjonowania komputera/ innego urządzenia elektronicznego. Standardowy komputer składa się z wielu elementów rozmieszczonych na płycie głównej. Mamy tam np. procesor, kartę graficzną, pamięć RAM, czy kontrolery urządzeń zewnętrznych. Wszystkie te urządzenia mogą działać wspólnie dzięki wzajemnemu połączeniu odpowiednimi ścieżkami na płycie głównej. W przypadku SoC sprawa wygląda inaczej, bo zamiast na płycie głównej, wspomniane podzespoły są umieszczane bardzo blisko siebie w obrębie pojedynczego układu. O SoC można więc myśleć trochę jak o takim komponencie “wszystko w jednym”, będącym w stanie zastąpić większość tradycyjnych podzespołów wymaganych do prawidłowego działania sprzętu.

Diagram pokazujący budowę SoC Apple M1 | źródło: Apple

Jakie elementy zawiera w sobie SoC?

Przeznaczeniem SoC jest zastąpienie większości, jak nie wszystkich komponentów obecnych na płycie głównej zwykłego komputera/innego urządzenia. Oznacza to, że najczęściej spotykanymi elementami zintegrowanymi w SoC są:

Procesor/CPU — Jeden z najważniejszych elementów urządzenia dokonujący niezbędnych obliczeń potrzebnych do działania komputera i uruchamianych na nim programów. Często określa się go jako serce/mózg komputera.
Pamięć Cache — Pamięć Cache/pamięć podręczna to jeden z najszybszych rodzajów pamięci w komputerze. Trafiają tu wszystkie obliczenia i wyniki, które procesor zaraz będzie przetwarzał.
Pamięć RAM — Nieco wolniejszy rodzaj pamięci, który także służy do składowania wszelkich działań oraz obliczeń wykonywanych przez procesor. Pojemność RAM jest zazwyczaj o wiele większa niż pamięci Cache, co pozwala na składowanie (i późniejsze przetwarzanie) wielu obliczeń jednocześnie. Im więcej RAM-u tym więcej operacji może być przetrzymywane w tle jednocześnie, bez nadmiernego spowalniania urządzenia.
Wszelakiej maści kontrolery (np. USB lub HDMI) — Kontrolery służące do obsługi zewnętrznych urządzeń USB, prawidłowego przekazywania obrazu na monitor i innych aspektów pracy komputera.
Moduły łączności LTE/5G/Bluetooth/Wi-Fi — Moduły integrujące w sobie funkcje łączności mobilnej, Bluetooth, czy też Wi-Fi.
Karta graficzna/GPU — Komponent odpowiedzialny za renderowanie grafiki (co wskazuje zresztą sama nazwa). Wbrew pozorom nie jest to tylko element, którym powinni zainteresować się gracze, bo dzięki odpowiednio mocnej karcie graficznej możliwe jest też płynne odtwarzanie animacji systemowych, czy wideo.

Zalety stosowania SoC

Stosowanie SoC w urządzeniu zamiast rozmieszczanie kilku elementów na płycie głównej ma kilka naprawdę sporych zalet. Będą to:

Lepsza wydajność — Cechą System on a Chip jest to, że wszystkie moduły znajdują się bardzo blisko siebie. Oznacza to, że dane komponenty mogą komunikować się ze sobą szybciej, bo sama droga, którą sygnał musi przebyć, jest krótsza, niż w przypadku kilku osobnych podzespołów umieszczonych na płycie głównej. Właśnie dlatego SoC może zaoferować lepszą wydajność niż porównywalne komponenty w “standardowym” wydaniu..
Mniejsza zajmowana powierzchnia — SoC ze zintegrowanymi komponentami w jednej “paczce” zajmuje mniej miejsca niż rozmieszczanie wszystkich poszczególnych podzespołów na płycie głównej. Właśnie dlatego SoC stosuje się w urządzeniach, gdzie jak najlepsze zagospodarowanie przestrzenią gra dużą rolę.
Usprawniona efektywność energetyczna — To też jeden z efektów tego, że przy System on a Chip komponenty są zintegrowane blisko siebie w ramach jednego układu. Zintegrowana konstrukcja, mniejsza odległość komunikacyjna i mniejsze straty cieplne oznacza SoC potrzebuje do działania mniej energii.
Ogólnie niższy koszt produkcji — Zaprojektowanie i wyprodukowanie jednego scalonego układu, jest dla producentów po prostu tańsze niż opracowywanie wielu komponentów o różnym przeznaczeniu.

Raspberry Pi — popularny komputerek korzystający z SoC

Wady urządzeń z System on a Chip

SoC posiadają też oczywiście liczne wady w porównaniu z tradycyjnymi systemami. Najważniejszymi z nich są:

Trudności w ewentualnej naprawie — Większa integralność komponentów oznacza, że w przypadku awarii naprawa pojedynczego elementu jest bardzo utrudniona lub praktycznie niemożliwa. Weźmy na przykład sytuację, gdzie w laptopie psuje się pamięć RAM. Przy standardowej konstrukcji wystarczy wyjąć/wylutować niesprawny moduł i zastąpić go nowym działającym komponentem. W przypadku System on a Chip konieczna będzie za to wymiana całego układu (pomimo tego, że poszczególne elementy SoC wciąż działają poprawnie).
Gorsza skalowalność — To znowu wada spowodowana przez ciaśniejsze zintegrowanie komponentów. Wrócę tutaj do naszego wcześniejszego przykładu z pamięcią RAM. W standardowym komputerze, jeśli po kilku latach zauważymy, że aktualna ilość pamięci nam nie wystarcza, to będziemy mogli ją w miarę łatwo dołożyć. W przypadku urządzenia SoC, jeśli jedynym rodzajem pamięci operacyjnej jest pamięć zintegrowana, to nie damy rady zmodernizować naszego sprzętu.
Potencjalne problemy ze schłodzeniem System on a Chip — W SoC wiele komponentów wytwarzających ciepło znajduje się bardzo blisko siebie. Jednocześnie muszą być one schłodzone przez jeden układ chłodzenia. Przez to producenci nie mogą pozwolić sobie na ułożenie wielu bardzo mocnych i prądożernych elementów (np. na poziomie procesora Intel Core i9 + karty graficznej RTX 4090), ponieważ prawidłowe schłodzenie takiego układu byłoby po prostu niemożliwe.

Urządzenia najczęściej korzystające z SoC

System on a Chip stosuje się wszędzie tam, gdzie ważna jest wysoka efektywność energetyczna oraz miejsce zajmowane przez komponenty. Jednocześnie większość producentów patrzy na to, aby gorsza skalowalność nie była wielkim problemem. Przykłady urządzeń korzystających z SoC to:

Sprzęty mobilne, takie jak smartfony, tablety, przenośne konsole do gier (np. Nintendo Switch), smartwatche itp.
Routery i inne urządzenia sieciowe.
Urządzenia IoT typu inteligentne termostaty/czujniki.
Standardowe laptopy i komputery (głównie te od Apple korzystające z Apple Silicon, czyli procesorów M1,M2 i M3).
Komputery jednopłytkowe np. Raspberry Pi, Orange Pi, czy sprzęty Odroid.
Telewizory oraz monitory z funkcjami Smart.