¿Qué es un SoC?

Si alguna vez ha mirado dentro de una torre de PC, puede ver que hay muchos componentes diferentes. Su computadora portátil promedio contiene la mayoría de los mismos componentes, pero los reduce, los vuelve a formatear y elimina la mayor cantidad de espacio "desperdiciado" posible. Un teléfono inteligente puede hacer las mismas cosas que una computadora de escritorio o una computadora portátil, aunque es cierto que no tan rápido. Lo hace porque contiene el mismo tipo de hardware. Sin embargo, en el pequeño cuerpo de un teléfono inteligente, realmente no hay suficiente espacio para que las cosas se vean como una computadora portátil. Para sortear las importantes limitaciones de espacio, se utiliza un paradigma de diseño completamente nuevo.

Sistema en chip

Una computadora funciona con una CPU, un teléfono inteligente con un SoC o un sistema en chip. El SoC contiene una CPU, pero también contiene mucho más que eso. Y eso es lo que lo diferencia, y permite que el pequeño factor de forma de teléfono inteligente ofrezca las mismas características que una computadora mientras cabe en su bolsillo y funciona con una batería pequeña.

Nota: SoC es la abreviatura de System on Chip; sin embargo, la contracción System on a Chip tiene más sentido gramatical. Si te ayuda, puedes suponer que la "a" está entre paréntesis y se asume pero no se dice.

El paradigma de la computadora es separar las partes para que pueda optimizar cada una de ellas de forma independiente y enfriarlas adecuadamente, aunque las computadoras portátiles tienden a tener problemas con esa última parte. El paradigma móvil es agrupar todo en un superchip que lo abarca todo, un sistema informático completo en un solo chip.

¿Qué contiene un SoC?

Realmente depende del SoC y para qué está destinado. Necesita contener al menos un núcleo de procesamiento. Puede ser un núcleo de CPU de propósito general, o puede ser un núcleo de microcontrolador o algo más específico como un procesador de señal digital. Por lo general, un SoC contendrá múltiples núcleos de procesamiento, aunque algunos productos simples pueden usar solo uno. Un SoC también debe contener algún tipo de interconexión para conectar diferentes componentes en el chip. Históricamente, este ha sido un bus compartido, sin embargo, los sistemas actuales y futuros tienden hacia un sistema similar a una red más robusto denominado NoC o Network on Chip.

Sugerencia: un NoC no debe confundirse con un NOC o un Centro de operaciones de red.

Prácticamente todo lo demás es opcional, aunque se debe contener más para que sea un SoC. La memoria y el controlador de memoria se pueden integrar en el chip en forma de caché SRAM y DRAM, aunque también se puede usar memoria fuera del chip. Los SoC destinados a teléfonos inteligentes tienden a tener integrados otros tipos de unidades de procesamiento, como GPU, NPU y procesador de señal digital.

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¿Por qué elegir un SoC?

Por lo general, un SoC será un único chip de silicio monolítico. Dicho esto, las modernas tecnologías de empaquetado están comenzando a permitir el apilamiento 3D de chips de silicio uno encima del otro. Estos diseños 3D tienden a seguir denominándose chips únicos, al igual que los SoC. Un SoC que hace uso de distintos chiplets se diferencia como System In Package o SIP.

Diseñar un sistema que integre todo en un solo chip es excelente para entornos con limitaciones de espacio, ya que la densidad de IP en el silicio es extremadamente alta. Sin embargo, los desafíos espaciales ocurren. Los chips más grandes tienden a tener rendimientos más bajos, ya que es más probable que los defectos en la oblea de silicio afecten a cualquier chip. Juntar mucha potencia de procesamiento también significa que puede haber mucha producción de calor. Combinado, esto significa que se deben hacer compromisos para garantizar un sistema estable. Esto también tiene una buena sinergia con los requisitos de energía de muchos dispositivos alimentados por batería que utilizan SoC donde la eficiencia energética es clave.

Para dispositivos de usuario final directo, se debe encontrar un equilibrio entre alta eficiencia energética y alto rendimiento. Con ese fin, la mayoría de los SoC de teléfonos inteligentes utilizan una gama de núcleos de CPU, algunos de los cuales están ajustados para el rendimiento y otros para la eficiencia.

Al colocar todo en un solo chip, se minimiza la latencia y se pueden lograr mayores anchos de banda. Además, la energía necesaria para comunicar las señales se reduce ya que los "cables" son más cortos. Con un chip estrechamente integrado, hay menos cosas que pueden salir mal. Además, los costos de fabricación no incluyen los costos de los pasos de combinación adicionales, como en un diseño de chiplet.

Limitaciones de un SoC

La mayor limitación individual de un SoC es la densidad de calor/potencia. Es difícil enfriar los dispositivos, especialmente algo como un teléfono inteligente que tiene que depender del enfriamiento pasivo. Un SoC debe ajustarse a su envolvente térmica esperada. Este es, en última instancia, el factor limitante del rendimiento en los teléfonos inteligentes. Cuando se expande a dispositivos con enfriamiento más activo, como los libros Mac recientes con silicio de diseño propio de Apple, el presupuesto de energía se puede aumentar ya que el calor se puede disipar de manera más eficiente. Como tal, los chips M1 y M2 ofrecen una potencia de procesamiento significativamente mayor que un SoC de teléfono inteligente.

Sin embargo, hay un límite para esto. Las CPU y GPU modernas de gama alta ya están increíblemente de moda. Simplemente no puede integrar ambos en un gran SoC. La densidad térmica sería demasiado alta y sería esencialmente imposible de enfriar. Algunos de estos dispositivos, GPU más que CPU, también están llegando a los límites de la tecnología actual en lo que respecta a los chips monolíticos. Esto se puede ver con el cambio que ya ha comenzado hacia los diseños de chiplet.

Los chiplets ayudan de muchas maneras, reduciendo algunos costos de diseño y aumentando los rendimientos, pero no tienen un efecto masivo en las térmicas, ya que los chiplets aún deben empaquetarse muy cerca uno del otro y compartir el mismo equipo de disipación de calor. Como tal, solo hay cierta potencia de procesamiento que se puede incluir en un SoC antes de que se vuelva demasiado grande y difícil de manejar, momento en el que se puede lograr un mayor rendimiento al dividir los componentes como se ve en las computadoras modernas.

Dicho esto, las computadoras están integrando lentamente más y más funciones en la CPU. Hay beneficios de rendimiento al hacerlo. Sin embargo, es poco probable que este proceso se extienda demasiado. Es poco probable que se integren especialmente el almacenamiento masivo, la DRAM y los gráficos de gama alta.

Conclusión

SoC significa Sistema en Chip. No debe confundirse con SOC, que significa Centro de Operaciones de Seguridad o Controles de Sistemas y Organización. Es el concepto de integrar la mayoría de los componentes de un dispositivo informático directamente en un solo chip de silicio. El núcleo del chip es la CPU, pero la mayoría de los demás componentes y la potencia de procesamiento también se incluyen directamente. El paradigma de diseño de SoC ha tenido un gran éxito en el mercado de los teléfonos inteligentes. También ve uso en dispositivos integrados, IoT y sistemas industriales donde ofrece más "inteligencia" que los microcontroladores tradicionales. Los SoC también se pueden encontrar en tabletas y algunas computadoras portátiles delgadas y livianas.

Dado su mercado, los SoC generalmente se ajustan para la eficiencia energética con un rendimiento máximo opcional bajo demanda. Sin embargo, esto no es necesariamente parte integral del diseño. El rendimiento general está limitado por la densidad térmica, lo que implica que existen límites en cuanto a la cantidad de funcionalidad que debe integrarse en un SoC en lugar de dividirse.