Qué es un SoC
SoC o System On Chip es un diseño de chip en el que encontramos casi todos los componentes necesarios para hacer funcionar un sistema: una GPU, una CPU, una NPU, la memoria RAM, la memoria caché y las entradas y salidas (E/S o I/O).
Es decir, con tan solo un chip tenemos prácticamente todo, salvo la batería o fuente de alimentación. Por este motivo, el SoC se compone en forma de mosaicos, donde un el die (que es la parte esencial del chip) está dividido por su CPU, GPU, memoria, controladores de red, USB, etc.
Su finalidad es dar vida a un sistema con dimensiones reducidas, postulándose como una solución idónea para dispositivos pequeños que tengan poco espacio para albergar los componentes. Por ello, vemos SoC en un cajero, en un móvil, en una Tablet, en un smartwatch, etc. Sin embargo, los motivos no solo tienen que ver con el espacio, sino con la eficiencia.
En la década de los 90, llega ARM para ofrecer licencias de sus SoC a otras marcas para que éstas fabricaran SoCs bajo su diseño. ARM centró sus miras en las telecomunicaciones, por ello es tan importante en la arquitectura RISC.
¿Quién ha inventado esta maravilla? Se afirma que Robert Norton Noyce, Jack S. Kilby, Frank Wanlass, Edward Keonjian y Peter Stoll, aportando cada uno su granito de arena para hacer realidad este chip. De hecho, el primer SoC verdadero aparece en un reloj Microma de 1974, que fue cuando Peter Stroll lo integró.
Salvo dispositivos IoT que están alimentados por corriente continua, todos los dispositivos móviles deben ofrecer eficiencia para que su concepto no se vaya al traste. ¿De qué nos sirve un móvil súper potente si solo tiene una autonomía de 2 horas?
Dentro de un SoC encontraremos unos núcleos grandes (Performance) y otros pequeños (Efficiency) cuyos propósitos quedan claros: rendimiento y eficiencia. Esta es una de las grandes contribuciones de Arm a través de big.LITTLE, una arquitectura que combina núcleos grandes y pequeños. De esta manera, se consigue un equilibrio entre rendimiento y autonomía.
Este enfoque lo ha integrado Intel desde la salida de los Core Alder Lake-S (12ª Generación), donde vemos la palabra SoC en muchas diapositivas de su presentación. Ahí nos llama la atención de que la industria puede estar girando en otra dirección.
En la década de los 90, llega ARM para ofrecer licencias de sus SoC a otras marcas para que éstas fabricaran SoCs bajo su diseño. ARM centró sus miras en las telecomunicaciones, por ello es tan importante en la arquitectura RISC.
Qué es la arquitectura RISC-V
La arquitectura RISC-V es un conjunto de instrucciones ISA de código abierto flexible, modular y extensa. Es decir, nosotros compramos el diseño y podemos personalizarlo cómo queramos para dar funcionamiento a nuestro producto.
De este modo, se pueden crear SoCs adaptados a ciertas aplicaciones o materias a realizar; desde inteligencia artificial en servidores, hasta aplicaciones móviles en smartphones.
RISC-V fue un proyecto dirigido por la Universidad de California (Berkeley) realizado en 2010. La razón de ser era crear una ISA open source que tratara sobre las limitaciones de los sistemas propietarios.
El nombre proviene de los procesadores RISC que vimos en los 90, caracterizados por tener tecnología restringida y privativa. Así que, los científicos de Berkeley consiguieron desarrollar una solución open source, pero basada en el conjunto de instrucciones RISC.
Como características generales, RISC es un enfoque que ofrece más simplificación al implementar hardware, mayor simplicidad y un paralelismo de nivel de instrucción más alto; es decir, ejecutar múltiples instrucciones simultáneamente.
Qué es una CPU
CPU o Central Processing Unit es un componente informático formado por miles de transistores microscópicos que convierten los datos en señales digitales y realizan operaciones matemáticas. Es considerado el cerebro del ordenador porque es el que recibe instrucciones y realiza las tareas.
Dentro de una CPU solemos encontrar unos núcleos denominados cores, una memoria caché compartida, la NPU, un controlador de memoria RAM y las entradas y salidas. No obstante, hay variantes de CPU que integran una GPU denominada iGPU o gráficos integrados.
La principal diferencia es que dentro de la CPU no vamos a encontrar el adaptador de red, ni la memoria RAM, ni muchos menos la memoria del sistema. Eso lo encontraremos en la placa base de forma separada:
- Adaptador de red integrado en la placa base o instalado en una ranura PCI-Express.
- Memoria RAM instalada en las ranuras pertinentes.
- Almacenamiento a través de SSD o HDD.
Eso sí, la CPU puede funcionar con una fuente de alimentación en formato ATX o con una simple batería como ocurre con los portátiles.
Encontramos mucha más potencia de procesamiento que en un SoC, pero eso se paga con un mayor consumo. Esto hace que no sea viable para dispositivos móviles, aunque AMD e Intel han avanzado de litografía y mejorado el rendimiento/vatio en sus últimos chips.
Con todo esto, la arquitectura predominante en las CPU es CISC, lo que significa que aquí no hay procesamiento paralelo, sino en serie. Esto permite que las instrucciones por ciclo sean más grandes, que éstas sean más complejas, que la RAM se use eficientemente y que el coste de fabricarlo sea “bajo”.
Pongo bajo entre comillas porque AMD ha estado fabricando CPUs con un nodo de 5 nm, y conforme avanzamos de nodo el coste por oblea es mayor. ¿No sabes cómo funciona lo de las obleas? Imagínate un círculo de unos 30-40 centímetros de diámetro lleno de diez (lo que va dentro de un SoC o CPU) fabricados en un proceso determinado.
Los dies de los chips se fabrican por obleas y los fabricantes más interesantes son Samsung, TSMC e Intel. Conforme avanzas de proceso (bajas de nm), la oblea es más cara porque es tecnología punta o relativamente nueva.
Avanzar de proceso es interesante de cara a ganar eficiencia y rendimiento, pero debemos afrontar el coste. Estamos llegando a un punto en el que Intel o AMD tienen que subir el precio de sus procesadores porque los costes se disparan. Intel ha sido inteligente porque acaba de bajar a 7 nm haciendo frente a procesadores AMD con el nodo más avanzado.
Qué es mejor: CPU vs SoC
Dependiendo para qué. El primer chip es especialista en CISC y máximo rendimiento, mientras que el SoC puede ejecutar tareas múltiples simultáneamente. En campos como la inteligencia artificial, es más interesante el SoC, pero en tareas pesadas de mucho rendimiento donde RISC-V no sea un beneficio… ganará la CPU.
Es por ello que la GPU es más interesante para IA que la propia CPU, y no será por estadística o cálculos matemáticos. Hasta ahora, Intel ha logrado un híbrido entre CPU y SoC, que son sus chips de escritorio:
- Diseño CPU.
- Núcleos grandes y pequeños.
- Memoria caché compartida entre los núcleos.
- GPU y NPU integradas.
- Etc.
No obstante, los pequeños detalles marcan la diferencia. Así es como AMD ha logrado convencer con su 3D V-Cache, una caché L3 apilada en vertical que otorga más memoria a la CPU; al menos, ha convencido en gaming.
También, hemos visto a AMD centrada en sus APU como unas CPUs diferenciadas por tener un rendimiento gráfico superior a lo normal. Otra gran diferencia es que la CPU se puede vender por piezas y dejar al usuario la libertad de personalizar su equipo. Los SoC van soldados a una PCB, por lo que no se pueden comprar al por menor para instalarse en según que sistemas.
Entonces, ¿cuál es mejor? Yo me inclino por el SoC viendo cómo Apple ha logrado ofrecer un rendimiento realmente bueno y alejado para lo que se esperaba de este tipo de chips. Después, Qualcomm creo que va a convencer en Windows con sus Snapdragon X Elite, en los que ya se está filtrando que supera a varios Intel Core Ultra 100.
Mi opinión es que, en un futuro, el SoC puede conquistar el escritorio y la sobremesa sólidamente. Más aún después de ver que TSMC está invirtiendo ingentes cantidades de dinero en I+D.
¿Tú por cuál apuestas?