Que é un SoC?

Se algunha vez miraches dentro dunha torre de PC podes ver que hai moitos compoñentes diferentes. O teu portátil medio contén a maioría dos mesmos compoñentes, pero redúceos, reformateaos e elimina o máximo de espazo "desperdiciado". Un teléfono intelixente pode facer as mesmas cousas que un ordenador de sobremesa ou portátil, aínda que hai que admitir que non é tan rápido. Faino porque contén o mesmo tipo de hardware. Non obstante, no pequeno corpo dun teléfono intelixente non hai espazo suficiente para que as cousas parezan un portátil. Para sortear as importantes limitacións de espazo, utilízase un paradigma de deseño totalmente novo.

Sistema no chip

Un ordenador está alimentado por unha CPU, un teléfono intelixente por un SoC ou un System on Chip. O SoC contén unha CPU, pero tamén contén moito máis que iso. E iso é o que o diferencia, e permite que o pequeno teléfono intelixente ofrezca as mesmas funcións que un ordenador mentres se mete no peto e queda sen batería.

Nota: SoC é a abreviatura de System on Chip, pero a contracción System on a Chip ten máis sentido gramatical. Se é útil, pode asumir que a "a" está entre parénteses e vai suposta pero sen dicir.

O paradigma informático é separar as partes para que poida optimizar cada unha delas de forma independente e arrefrialas correctamente, aínda que os portátiles tenden a loitar con esa última parte. O paradigma móbil é agrupar todo nun super-chip que abarca todo un sistema informático completo nun único chip.

Que contén un SoC?

Realmente depende do SoC e para que estea destinado. Debe conter polo menos un núcleo de procesamento. Este pode ser un núcleo de CPU de propósito xeral, ou pode ser un núcleo de microcontrolador ou algo máis específico como un procesador de sinal dixital. Normalmente, un SoC conterá varios núcleos de procesamento, aínda que algúns produtos sinxelos só poden usar un. Un SoC tamén debe conter algún tipo de interconexión para conectar diferentes compoñentes no chip. Históricamente, este foi un bus compartido, non obstante, os sistemas actuais e futuros están tendendo cara a un sistema máis robusto de tipo rede denominado NoC ou Network on Chip.

Consello: un NoC non se debe confundir cun NOC ou un Centro de Operacións de Rede.

Case todo o demais é opcional, aínda que hai que conter máis para que sexa un SoC. A memoria e o controlador de memoria pódense integrar no chip en forma de caché SRAM e DRAM, aínda que tamén se pode usar memoria fóra do chip. Os SoC destinados a teléfonos intelixentes adoitan ter integrados outros tipos de unidades de procesamento, como unha GPU, NPU e un procesador de sinal dixital.

zz

Por que escoller un SoC?

Normalmente, un SoC será un único chip de silicio monolítico. Dito isto, as tecnoloxías de envasado modernas están empezando a permitir a acumulación en 3D de chips de silicio uns encima dos outros. Estes deseños 3D aínda se adoitan denominar chips únicos e tamén o son os SoC. Un SoC que fai uso de distintos chiplets diferénciase como System In Package ou SIP.

Deseñar un sistema que integre todo nun único chip é excelente para ambientes con espazo limitado xa que a densidade de IP no silicio é extremadamente alta. Non obstante, os desafíos espaciais ocorren. Os chips máis grandes tenden a ter rendementos máis baixos xa que os defectos na oblea de silicio teñen máis probabilidades de afectar a calquera chip. Empacar moita potencia de procesamento tamén significa que pode haber moita produción de calor. Combinado isto significa que hai que facer compromisos para garantir un sistema estable. Isto tamén sinerxia ben cos requisitos de enerxía dos moitos dispositivos alimentados con batería que utilizan SoCs nos que a eficiencia energética é fundamental.

Para os dispositivos de usuario final directo, debe atoparse un equilibrio entre a alta eficiencia energética e o alto rendemento. Para iso, a maioría dos SoC de teléfonos intelixentes utilizan unha serie de núcleos de CPU, algúns dos cales están axustados para o rendemento e outros para a eficiencia.

Ao colocar todo nun único chip, minimiza a latencia e pódense conseguir anchos de banda máis altos. Ademais, a potencia necesaria para comunicar os sinais redúcese xa que os "cables" son máis curtos. Cun chip perfectamente integrado, hai menos que fallar. Ademais, os custos de fabricación non inclúen os custos de pasos de combinación adicionais, como nun deseño de chiplet.

Limitacións dun SoC

A maior limitación dun SoC é a densidade de calor/potencia. É difícil arrefriar os dispositivos, especialmente algo así como un teléfono intelixente que ten que depender do arrefriamento pasivo. Un SoC ten que estar sintonizado coa súa envolvente térmica esperada. Este é, en última instancia, o factor limitante de rendemento dos teléfonos intelixentes. Cando se amplía a dispositivos con refrixeración máis activa, como os libros Mac recentes con silicio deseñado por Apple, o orzamento de enerxía pódese aumentar xa que esa calor pode disiparse de forma máis eficiente. Polo tanto, os chips M1 e M2 ofrecen unha potencia de procesamento significativamente maior que un SoC de teléfono intelixente.

Non obstante, hai un límite para iso. As CPU e GPU modernas de gama alta xa están incriblemente quentes. Simplemente non podes integrar ambos nun gran SoC. A densidade térmica sería demasiado alta e sería esencialmente imposible arrefriar. Algúns destes dispositivos, as GPU máis que as CPU tamén están chegando aos límites da tecnoloxía actual en canto aos chips monolíticos. Isto pódese ver co cambio que xa comezou cara aos deseños de chiplets.

Os chiplets axudan de moitos xeitos, reducindo algúns custos de deseño e aumentando os rendementos, pero non teñen un efecto masivo sobre as térmicas, xa que os chiplets aínda teñen que ser empaquetados moi preto uns dos outros e compartir o mesmo equipo de disipación de calor. Como tal, só hai tanta potencia de procesamento que se pode abarrotar nun SoC antes de que se faga demasiado grande e difícil de manexar, momento no que se pode conseguir un maior rendemento dividindo os compoñentes como se ve nos ordenadores modernos.

Dito isto, os ordenadores están integrando lentamente máis e máis funcións na CPU. Hai beneficios de rendemento ao facelo. Non obstante, é pouco probable que este proceso se estenda demasiado. É pouco probable que se integren o almacenamento masivo, a DRAM e os gráficos de gama alta.

Conclusión

SoC significa System on Chip. Non se debe confundir con SOC, que significa Security Operations Center ou Systems and Organization Controls. É o concepto de integrar a maioría dos compoñentes dun dispositivo informático directamente nun único chip de silicio. O núcleo do chip é a CPU, pero a maioría dos outros compoñentes e potencia de procesamento tamén se inclúen directamente. O paradigma de deseño de SoC tivo un gran éxito no mercado dos teléfonos intelixentes. Tamén ve uso en dispositivos integrados, IoT e sistemas industriais onde ofrece máis "intelixencias" que os microcontroladores tradicionais. Os SoC tamén se poden atopar en tabletas e algúns portátiles delgados e lixeiros.

Dado o seu mercado, os SoC adoitan estar axustados para a eficiencia energética cun rendemento máximo opcional baixo demanda. Non obstante, isto non é necesariamente parte integrante do deseño. O rendemento xeral está limitado pola densidade térmica, o que implica que hai límites en canto a canta funcionalidade debe integrarse nun SoC en lugar de dividirse.