A día de hoy es difícil ver a alguien sin un smartphone o una tablet (o ambas cosas) en su poder, y es que estos dispositivos ya forman parte de nuestra vida cotidiana. Hay gente que se limita a usar el dispositivo sin más, pero sin embargo, hay otra mucha que siente curiosidad y se preguntan cómo funcionan y qué engranajes mueven estos ordenadores de bolsillo. Esta inquietud nos hace profundizar más en el tema, y es que a poco que indaguemos, descubriremos que la maquinaria que mueve los dispositivos móviles está formada por un SoC.

El término SoC, cuyo acrónimo es System-on-Chip (Sistema en un Chip), aparece para denominar de alguna manera las tecnologías de fabricación de sistemas es un único chip, y es que la miniaturización de los circuitos integrados hace posible que se puedan incorporar todos o gran parte de los componentes y subsistemas de una computadora en un solo chip. Este agrupamiento de todos o casi todos los módulos permite la máxima integración, obteniendo un rendimiento igual o superior respecto a grandes y antiguos ordenadores, un menor consumo de energía y el consecuente abaratamiento de los costes de fabricación.

Arquitectura de un SoC

Cuando se habla de lo qué es la arquitectura de un dispositivo electrónico, bien sea de un ordenador personal, un SoC, etc, se hace referencia a cómo están organizados los elementos dentro de ese ordenador o de un chip, o lo que es lo mismo, el diseño de la estructura del sistema.

El interior de un SoC está constituido por varios módulos o bloques, cada uno con una función concreta dentro del sistema. Un SoC estándar está compuesto por:

  • Microprocesador,  conocido o llamado también con otros nombres como procesador, microcontrolador o núcleo DSP. Existen SoC’s fabricados con procesadores cuya arquitectura interna está compuesta por más de un microprocesador, son conocidos como MPSoC (Multiprocesor System-on-Chip).
  • Controlador de memoria. También conocido como MMU (Memory Manager Unit – Unidad para la Gestión de la Memoria), es un circuito electrónico digital que se encarga de gestionar el flujo de datos entre el microprocesador y la memoria RAM. Un SoC, al incluirlo dentro del mismo chip, hace que se reduzca el tiempo de espera que el procesador tiene al recibir datos.
  • Módulos de memoria. Aquí se incluyen todos o parte de los módulos de memoria (entiéndase memoria informática) necesarios: memoria RAM (Random Access Memory – Memoria de Acceso Aleatorio), memoria ROM (Read Only Memory – Memoria de Sólo Lectura), memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory – Memoria de Sólo Lectura Programable y Borrable Eléctricamente) y memoria Flash (memorias NAND derivadas de las memorias EEPROM, con mayor velocidad de acceso que éstas).
  • Chip gráfico. También conocido como GPU (Graphics Processing Unit – Unidad de Procesamiento Gráfico), es el chip que se encarga de procesar los gráficos que podemos visualizar en la pantalla, liberando así de carga de trabajo al procesador en la generación de imágenes en 2D y 3D. Cuanto más potente sea este chip, mejores gráficos será capaz de mostrar. La GPU implementa instrucciones optimizadas para el procesamiento gráfico.
  • Buses. En informática, un bus es el conjunto de conductores eléctricos en forma de pistas metálicas impresas sobre la placa base, por donde circulan las señales que corresponden a los datos binarios del lenguaje máquina (la información) con el que opera el microprocesador.
  • Componentes periféricos como generadores PoR (Power-on Reset), temporizadores o relojes a tiempo parcial y contadores-temporizadores.
  • Generadores de frecuencia fija, incluyendo osciladores y/o lazos de seguimiento de fase o PLL’s (Phase-Locked Loop).
  • Comunicación. Wi-Fi, Bluetooth, y en definitiva cualquier tipo de tecnología inalámbrica.
  • Interfaces externos como pueden ser los estándares USB, IEEE 1394/Firewire, Ethernet, USART o SPI.
  • Reguladores de voltaje y circuitos de Power Management.
  • Interfaces analógicas como ADC’s y DAC’s.

La conexión entre los distintos tipos de módulos (los mencionados arriba), es en base a estándares industriales de conexión de buses, pero también en base a tecnologías propietarias como la especificación AMBA.

Para que entendáis mejor qué módulos contienen los sistemas en un chip, lo mejor es mostrar la arquitectura de un SoC muy conocido por todos, el Snapdragon 801 de Qualcomm.

Arquitectura de un Qualcomm Snapdragon 801

Proceso de diseño y fabricación

El proceso de diseño de un SoC no sólo se centra en el posicionamiento del hardware sobre placas de la manera más óptima, sino que tratará de desarrollar paralelamente la arquitectura física y el software. Los sistemas en un chip en su conjunto, se componen de los bloques listado anteriormente y también del software que controla el núcleo o los núcleos del microprocesador, además de los puertos y los periféricos. Para lograr la máxima integración se hace uso de herramientas CAD (para el hardware) y de herramientas de desarrollo conocidas como IDE y SDE (para el software).

Después de tener el diseño listo y configurado, el siguiente paso es la simulación por software, seguido por el importante paso de la emulación. En este paso el hardware se mapea en una plataforma de emulación basada en FPGA, que reproduce fielmente el comportamiento del SoC y los módulos software son cargados en la memoria volátil del emulador con el fin de ser testados. Posteriormente se hace trabajar al software y al hardware en una plataforma que reproduce las condiciones más próximas a la carga de trabajo máxima del futuro SoC para depurar posibles errores.

Tras las favorables pruebas de emulación y el correcto posicionamiento de los módulos y la circuitería, los chips son testados y verificados antes de enviarse para su fabricación. Esta tarea se denomina verificación funcional.

Existen diferentes tecnologías de fabricación de SoC’s:

  • Diseño basado en ‘Field-programmable gate array’s o FPGAs.
  • Diseño basado en Celdas Estándares (Standard Cell).
  • Diseño a medida (Full Custom).

La fabricación de un SoC tiene un coste inferior, un considerable ahorro de energía y son más fiables que los sistemas de múltiples chips.

Samsung Exynos in Samsung Galaxy Note 3

Samsung Exynos in Samsung Galaxy Note 3

Aquí acaba la primera parte de este monográfico, he hablado de manera global acerca de qué es un SoC. En las siguientes entregas detallaré los componentes más importantes.

Enlaces de interés

SoC – Procesador y Juego de Instrucciones (2)

SoC – Memorias y Chip Gráfico (3)

Fuentes

Wikipedia

About.com Computadoras

Histinf blog (Página eliminada)

Qualcomm

Autoría de las imágenes

Autor: VIA Gallery – VIA C7-D Processor (Front & Back)

Autor: Qualcomm – Snapdragon 801 Processors

Autor: Honou – Samsung Exynos in Samsung Galaxy Note 3

3 comentarios
  1. Rafael E PIneda
    Rafael E PIneda Dice:

    Bueno en realidad no se mucho del tema soy apenas estudioso de temas interesantes como este de los microprocesadores y como se construyen ya sea en 2D o 3D me gusta mas la idea de los 3D pues recopila una serie de tecnologias que son llamativas.Para los expertos esto ya es un tema antiguo pero yo si lo venia pensando pues la tecnologia de 22 nanometros estaba por llegar.Aqui comienza una faceta interesante para los amantes de la electronica como yo;pero mi pregunta es que sucedera con nosotros los tecnicos?tendriamos que recurrir a estudiar esta tecnologia o simplemente es el trabajo cotidiano de examinar un aparato y encontrar el daño y reemplazar el componente o los componentes averiados y como seria eso?Como seris reemplazar un transistor en 3D,seria como siempre desoldar u colocar el nuevo y que pasa con la comora de este tipo de transistores o microprocesadores etc.

    Responder
    • Raulete
      Raulete Dice:

      Hola Rafael.

      Que el chip a nivel interno tenga otra tecnología no cambia nada, sigue habiendo un encapsulado con pines soldados a una placa, aunque la tecnología interna sea otra. Si tú como técnico sabes reemplazar un chip, pues podrás hacerlo igualmente, otra cosa es que necesites alguna herramienta especial.

      Un saludo.

      Responder

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