O que é um SoC?

Se você já olhou dentro de uma torre de PC, pode ver que há muitos componentes diferentes. Seu laptop comum contém a maioria dos mesmos componentes, mas os reduz, reformata e elimina o máximo de espaço “desperdiçado” possível. Um smartphone pode fazer as mesmas coisas que um computador desktop ou laptop, embora reconhecidamente não tão rapidamente. Ele faz isso porque contém o mesmo tipo de hardware. No entanto, no corpo minúsculo de um smartphone, não há espaço suficiente para que as coisas pareçam um laptop. Para contornar as restrições de espaço significativas, um paradigma de design totalmente novo é usado.

Sistema no chip

Um computador é alimentado por uma CPU, um smartphone por um SoC ou um System on Chip. O SoC contém uma CPU, mas também contém muito mais do que isso. E é isso que o diferencia e permite que o minúsculo formato do smartphone ofereça os mesmos recursos de um computador, cabendo no seu bolso e funcionando com uma pequena bateria.

Nota: SoC é a abreviação de System on Chip, no entanto, a contração System on a Chip faz mais sentido gramaticalmente. Se ajudar, você pode presumir que o “a” está entre parênteses e é assumido, mas não dito.

O paradigma do computador é separar as partes para que você possa otimizar cada uma delas de forma independente e resfriá-las adequadamente, embora os laptops tendam a ter dificuldades com essa última parte. O paradigma móvel é agrupar tudo em um superchip abrangente, um sistema de computador completo em um único chip.

O que um SoC contém?

Realmente depende do SoC e para o que se destina. Ele precisa conter pelo menos um núcleo de processamento. Pode ser um núcleo de CPU de propósito geral ou pode ser um núcleo de microcontrolador ou algo mais específico como um processador de sinal digital. Normalmente, um SoC conterá vários núcleos de processamento, embora alguns produtos simples possam usar apenas um. Um SoC também deve conter algum tipo de interconexão para conectar diferentes componentes no chip. Historicamente, este tem sido um barramento compartilhado, no entanto, os sistemas atuais e futuros estão tendendo a um sistema semelhante a uma rede mais robusta, conhecido como NoC ou Network on Chip.

Dica: Um NoC não deve ser confundido com um NOC ou Centro de Operações de Rede.

Praticamente todo o resto é opcional, embora mais deva ser contido para que seja um SoC. A memória e o controlador de memória podem ser integrados ao chip na forma de cache SRAM e DRAM, embora a memória fora do chip também possa ser usada. Os SoCs destinados a smartphones tendem a ter outros tipos de unidades de processamento, como GPU, NPU e processador de sinal digital integrado.

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Por que escolher um SoC?

Normalmente, um SoC será um único chip de silício monolítico. Dito isso, as modernas tecnologias de embalagem estão começando a permitir o empilhamento 3D de chips de silício uns sobre os outros. Esses designs 3D tendem a ser chamados de chips únicos, assim como os SoCs. Um SoC que faz uso de chiplets distintos é diferenciado como um System In Package ou SIP.

Projetar um sistema que integre tudo em um único chip é excelente para ambientes com restrição de espaço, pois a densidade de IP no silício é extremamente alta. No entanto, os desafios espaciais ocorrem. Chips maiores tendem a ter rendimentos mais baixos, pois é mais provável que defeitos no wafer de silício afetem qualquer chip. Juntar muito poder de processamento também significa que pode haver muita produção de calor. Combinado, isso significa que devem ser feitas concessões para garantir um sistema estável. Isso também combina bem com os requisitos de energia de muitos dispositivos alimentados por bateria que utilizam SoCs, onde a eficiência de energia é fundamental.

Para dispositivos de usuário final direto, um equilíbrio entre alta eficiência de energia e alto desempenho deve ser encontrado. Para esse fim, a maioria dos SoCs de smartphones utiliza uma variedade de núcleos de CPU, alguns dos quais são ajustados para desempenho e outros ajustados para eficiência.

Ao colocar tudo em um único chip, a latência é minimizada e maiores larguras de banda podem ser alcançadas. Além disso, a energia necessária para comunicar os sinais é reduzida à medida que os “cabos” são mais curtos. Com um chip totalmente integrado, há menos para dar errado. Além disso, os custos de fabricação não incluem custos de etapas extras de combinação, como em um projeto de chiplet.

Limitações de um SoC

A maior limitação de um SoC é a densidade de calor/potência. É difícil resfriar dispositivos, especialmente algo como um smartphone que depende de resfriamento passivo. Um SoC deve ser ajustado para seu envelope térmico esperado. Este é, em última análise, o fator limitante de desempenho em smartphones. Quando expandido para dispositivos com resfriamento mais ativo, como livros Mac recentes com silício projetado pela própria Apple, o orçamento de energia pode ser aumentado, pois o calor pode ser dissipado com mais eficiência. Como tal, os chips M1 e M2 oferecem significativamente mais poder de processamento do que um smartphone SoC.

Há um limite para isso embora. CPUs e GPUs modernas de ponta já são incrivelmente quentes. Você simplesmente não pode simplesmente integrar ambos em um grande SoC. A densidade térmica seria muito alta e seria essencialmente impossível resfriar. Alguns desses dispositivos, GPUs mais do que CPUs, também estão atingindo os limites da tecnologia atual no que diz respeito aos chips monolíticos. Isso pode ser visto com a mudança já iniciada em relação aos designs de chiplet.

Os chiplets ajudam de várias maneiras, reduzindo alguns custos de projeto e aumentando os rendimentos, mas não têm um efeito maciço nas térmicas, pois os chiplets ainda precisam ser embalados muito próximos uns dos outros e compartilhar o mesmo equipamento de dissipação de calor. Como tal, há apenas tanto poder de processamento que pode ser colocado em um SoC antes que ele fique muito grande e pesado, ponto em que maior desempenho pode ser alcançado dividindo os componentes como visto nos computadores modernos.

Dito isso, os computadores estão lentamente integrando mais e mais recursos à CPU. Há benefícios de desempenho em fazer isso. No entanto, é improvável que esse processo se estenda muito longe. É improvável que armazenamento em massa, DRAM e gráficos de última geração sejam integrados.

Conclusão

SoC significa System on Chip. Não deve ser confundido com SOC, que significa Centro de Operações de Segurança ou Controles de Sistemas e Organização. É o conceito de integrar a maioria dos componentes de um dispositivo de computação diretamente em um único chip de silício. O núcleo do chip é a CPU, mas a maioria dos outros componentes e poder de processamento também estão incluídos diretamente. O paradigma de design SoC tem sido extremamente bem-sucedido no mercado de smartphones. Ele também é usado em dispositivos embarcados, IoT e sistemas industriais, onde oferece mais “smarts” do que os microcontroladores tradicionais. SoCs também podem ser encontrados em tablets e alguns laptops finos e leves.

Dado seu mercado, os SoCs são normalmente ajustados para eficiência de energia com desempenho de pico opcional sob demanda. Isso não é necessariamente parte integrante do design. O desempenho geral é limitado pela densidade térmica, o que implica que há limites quanto à quantidade de funcionalidade que deve ser integrada em um SoC em vez de dividida.