Sistema en un Chip (SoC)

En electrónica, el nombre del juego es «más rendimiento, menos energía y menos espacio». Especialmente en dispositivos portátiles como tablets y smartphones, la tecnología masivamente compleja debe caber en el menor espacio posible y consumir la menor cantidad de energía. Para crear dispositivos rápidos y pequeños a la vez, los ingenieros eliminan la necesidad de múltiples circuitos integrados reuniendo todos los componentes necesarios en un único paquete, denominado sistema en un chip (SoC).

¿Qué es un sistema en un chip?

Un sistema en un chip es un circuito integrado que comprime todos los componentes necesarios de un sistema en una sola pieza de silicio. Al eliminar la necesidad de componentes de sistema grandes y separados, los SoC ayudan a simplificar el diseño de la placa de circuito, lo que resulta en una potencia y velocidad mejoradas sin comprometer la funcionalidad del sistema. Los componentes contenidos dentro de un SoC pueden ser:

• Unidades de procesamiento de datos
• Memoria integrada
• Unidades de procesamiento gráfico (GPU)
• Interfaces USB
• Procesamiento de vídeo y audio

Los SOCs compactos se han convertido en soluciones indispensables para diversos mercados, desde aplicaciones cableadas como centros de datos, inteligencia artificial (IA) y computación de alto rendimiento (HPC) hasta dispositivos alimentados por batería como teléfonos móviles y wearables.

Arquitectura de un SoC

El siguiente diagrama nos muestra la arquitectura de un SoC:

En la figura anterior se muestra la arquitectura básica de un SoC, que incluye procesador, DSP, memoria, tarjeta de interfaz de red, CPU, codificador/decodificador multimedia, DMA, etc.

• Procesador: Es el corazón de un SoC, normalmente el SoC contiene al menos uno o más de un coprocesador. Puede ser un microcontrolador, un microprocesador o un DSP. La mayoría de las veces, el DSP se utiliza en todos los SoC como procesador.
• DSP: DSP significa Procesador Digital de Señales. Se incluye en el SoC para realizar operaciones de procesamiento de señales, como la recopilación de datos, el procesamiento de datos, etc. También se utiliza para descodificar las imágenes.
• Memoria: La memoria se utiliza en el SoC para el almacenamiento. Puede ser una memoria volátil o no volátil. La memoria volátil incluye la RAM, que puede ser de dos tipos: SRAM y DRAM. La memoria no volátil incluye la ROM.
• Codificador/Decodificador: Se utiliza para interrumpir la información y convertirla en códigos.
• Tarjeta de interfaz de red: El SoC tiene una interfaz interna o bus o red para conectar todos los bloques individuales. Básicamente, la tarjeta de interfaz de red proporciona una conexión de la red al sistema.
• GPU: GPU son las siglas en inglés de Unidad de Procesamiento Gráfico, utilizada en el SoC para visualizar la interfaz. La GPU está especialmente diseñada para acelerar las operaciones relacionadas con el cálculo de imágenes. Los bloques básicos de la GPU son la interfaz de bus, la unidad de gestión de energía, la unidad de procesamiento de vídeo, el controlador de memoria gráfica, la interfaz de pantalla, etc.
• Dispositivos periféricos: Los dispositivos/interfaces conectados externamente, como USB, HDMI, Wi-Fi y Bluetooth, se incluyen en los dispositivos periféricos. Estos dispositivos se utilizan en el SoC para realizar diversas operaciones.
• UART: el Universal Asynchronous Receiver Transmitter se incluye en el SoC y se utiliza para transmitir o recibir datos en serie. Los reguladores de voltaje, osciladores, relojes y ADC/DAC también forman parte del SoC.

Historia de los SoCs

Con dispositivos más pequeños tan comunes en nuestra vida cotidiana, es difícil imaginar una época en la que los SoCs no estuvieran en todo. Pero no fue hasta la década de 1970 cuando se hizo realidad el concepto de integrar todo un sistema en un único microchip.

Década de 1970: Según el Museo de Historia de la Informática, el primer sistema en un chip apareció en un reloj LCD en 1974. Hasta entonces, los microprocesadores sólo habían sido chips independientes que requerían el apoyo de chips externos.

Década de 1980-90: Los avances en la tecnología de fabricación de semiconductores hicieron posible integrar más componentes en un solo chip. La integración de señales mixtas permitió a los chips procesar señales analógicas y digitales.

Década de 2000-2010: Los SoCs empezaron a integrar Wi-Fi, Bluetooth y módems celulares, llevando las comunicaciones inalámbricas a nuestros dispositivos móviles. La incorporación de potentes procesadores y capacidades gráficas ayudó a convertir los smartphones en una nueva forma de vida.

Presente: Los SoCs se están especializando cada vez más y se están expandiendo más allá de los móviles para incluir sistemas de automoción, dispositivos portátiles, automatización industrial y mucho más. Entre las nuevas funciones se incluyen la inteligencia artificial (IA), el aprendizaje automático (ML) y el edge computing.

Aplicaciones del sistema en un chip

Gracias a su capacidad de personalizarse para requisitos altamente especializados, los SoCs se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones, desde juguetes para niños y cámaras de timbre hasta motores industriales. Algunos usos de SoC incluyen:

• Dispositivos móviles: Los SoC integran conectividad inalámbrica y funciones multimedia en smartphones y tablets.
• Sistemas de automoción: Los vehículos de todo tipo utilizan SoC para alimentar sistemas de navegación, interfaces de sensores, sistemas de infoentretenimiento y sistemas para evitar peligros.
• Internet de las cosas (IoT): Altamente eficientes en casos de uso de bajo consumo, los SoC se utilizan ampliamente en dispositivos IoT como wearables y monitores domésticos inteligentes.
• Equipos de red: En routers, conmutadores y dispositivos de red, los SoC integran capacidades de procesamiento de paquetes, funciones de seguridad y componentes especializados para un enrutamiento eficiente de los datos.
• Electrónica de consumo: Los SoC proporcionan potencia de procesamiento gráfico y conectividad a una amplia gama de dispositivos multimedia comunes, como consolas de videojuegos y reproductores multimedia digitales.
• Aplicaciones industriales: Los SoC permiten capacidades de procesamiento en tiempo real, conectividad e interconexión, contribuyendo a soluciones industriales eficientes e inteligentes.
• Dispositivos médicos: Los SoC ayudan a mejorar la atención al paciente mejorando la capacidad de procesamiento y la conectividad de los sistemas de monitorización de pacientes, los equipos de diagnóstico y los dispositivos implantables.

Diseño de SoC: Pros y Contras

La integración de múltiples componentes en un único chip ofrece numerosas ventajas. Pero a la hora de determinar si un SoC es la solución adecuada para un dispositivo, estas ventajas deben sopesarse frente a los retos de un diseño tan complejo.

Ventajas del sistema en un chip

1. Optimización del espacio: Los SoC ocupan menos espacio que varios componentes discretos, lo que permite diseñar dispositivos más pequeños.
2. Eficiencia energética: La sustitución de grandes componentes y circuitos por SOC conlleva una reducción significativa del consumo de energía y se pueden alcanzar las métricas PRA (potencia, rendimiento y área) requeridas.
3. Más barato: Un único chip SoC es más barato que el conjunto de múltiples chips separados que se necesitarían de otro modo.
4. Fiabilidad: Un único SoC tiene menos conexiones y, por tanto, es mucho más fiable que un sistema de varias piezas conectadas a través de un sustrato.
5. Rendimiento: Como las señales pueden permanecer en el chip, un SoC puede alcanzar mayor rendimiento y velocidad que una solución multiparte.

Desventajas del sistema en un chip

1. Un único punto de fallo: Con todos los componentes en un único chip, un fallo en un componente afecta a todo el sistema (lo que también limita las actualizaciones).
2. Tiempo de comercialización: En comparación con los componentes disponibles en el mercado, el diseño de SoCs personalizados requiere más conocimientos y herramientas especializadas, con el consiguiente aumento del tiempo y los costes de desarrollo. Estos costes más elevados sólo pueden recuperarse si el mercado del SoC es lo suficientemente grande como para absorberlos.
3. Mezcla analógica/digital: Como todos los componentes de un SoC se fabrican con una única tecnología de proceso, no hay opción de utilizar una tecnología óptima para las secciones analógicas. Esto reduce el rendimiento analógico y hace que los SoC sean más adecuados para aplicaciones digitales.
4. Flexibilidad: Un SoC es ideal para la tarea a la que se destina, pero tiene un margen limitado para aplicarse a cualquier otra tarea.

Flujo de diseño de un sistema en un chip

Al igual que un circuito integrado, el flujo de trabajo de diseño de un sistema en un chip implica varias etapas de planificación, perfeccionamiento y producción. Cada etapa requiere la colaboración de expertos como arquitectos de sistemas, ingenieros de diseño y fabricantes. Los principales hitos del flujo de diseño de SoC incluyen:

1. Especificación: Defina claramente la función deseada del SoC. ¿Cuáles son las aplicaciones, los objetivos de rendimiento, las limitaciones de potencia, etc.?
2. Diseño lógico: Describir el comportamiento deseado en un lenguaje de descripción de hardware (HDL) y simular el comportamiento funcional para verificar que es correcto.
3. Síntesis lógica: Traducir automáticamente la descripción del comportamiento HDL en una lista de elementos transistores y sus interconexiones, llamada «netlist».
4. Diseño físico: Elegir los componentes de transistores adecuados, determinar su ubicación física en el silicio y las trayectorias de los cables de interconexión entre ellos.
5. Aprobación: Utilice software de verificación como Ansys RedHawk-SC para analizar y validar el diseño con el fin de garantizar la funcionalidad y el rendimiento adecuados. Verifique que el diseño cumple todos los requisitos de fabricación. Los chips no se pueden reparar, por lo que si hay algún error en el diseño, todos los chips fabricados deben desecharse y hay que revisar el diseño. Por eso es tan importante comprobar y verificar antes de proceder a la fabricación.
6. Tapeout: Generar los archivos gráficos finales para crear las fotomáscaras del diseño y enviarlas al fabricante para su producción.
7. Pruebas y empaquetado: Pruebas para confirmar que el SoC cumple las especificaciones y está listo para su uso. A continuación, el chip de silicio se encapsula en un embalaje protector.

Diseño y simulación de SoC

La demanda de electrónica más inteligente y rápida en espacios cada vez más difíciles seguirá impulsando la necesidad de innovación en SoC. Como los SoC son cada vez más complejos para satisfacer las demandas del mercado, los ingenieros de diseño deben seguir un enfoque formalizado para diseñar y validar estos chips. La simulación es una clave importante para crear un diseño de SoC satisfactorio que cumpla las especificaciones de diseño y fabricación requeridas. La red de suministro de energía es cada vez más compleja, y la preocupación por el bajo consumo reduce la tensión de alimentación. Por ello, es fundamental aprobar el diseño para la integridad de la señal y la integridad de la energía.