Los procesadores se han convertido en uno de los centros de atención de los terminales móviles en los últimos años, pasando de ser un componente más en un teléfono móvil, a captar la atención de los usuarios como componente esencial de cara a diferenciar unos terminales de otros. El otro componente que tiene una relevancia especial para caracterizar a un dispositivo móvil es la cámara (o las cámaras, más bien). De todos modos, el SoC o System On a Chip ha experimentado una evolución excepcional en los últimos cinco años, especialmente a partir de los diseños propios o “semi propios” que empresas como Qualcomm, Apple, MediaTek, Samsung o Huawei han desarrollado sobre la arquitectura ARM, sin olvidar a otros nuevos jugadores como Google y su SoC Google Tensor que llegará en los terminales Pixel 6 y Pixel 6 Pro.
Lo que tienen en común todos los chips para smartphones del mercado actuales (dejando de lado los SoCs Intel Atom con arquitectura x86 que dejaron de existir en 2018) es la arquitectura ARM. ARM licencia el uso de su juego de instrucciones (ISA) a los fabricantes que quieran diseñar sus propios SoCs, o bien licencia el uso de sus propios diseños ARM Cortex compatibles obviamente con el juego de instrucciones (ISA o Instruction Set Architecture), que periódicamente ARM actualiza, al tiempo que los fabricantes de chips añaden esos nuevos diseños a sus SoCs, o bien con modificaciones “a medida” o adoptando las soluciones tecnológicas de ARM sin afrontar cambios significativos. Recientemente, ARM ha anunciado su salto generacional desde ARMv8 hasta ARMv9. Es un salto “mayor” frente a los saltos menos importantes que se dan “dentro” de una misma plataforma. De hecho, ARM lleva una década optimizando la plataforma ARMv8.
En la parte de la GPU, ARM también ofrece una solución “estándar” en forma de los gráficos ARM Mali, aunque los fabricantes de procesadores pueden integrar soluciones diferentes. Apple usaba gráficos PowerVR, mientras que Samsung está previsto que empiece a usar gráficos AMD Radeon RDNA2. Apple, por otro lado, lleva ya varias generaciones usando su propia tecnología de gráficos integrados. Qualcomm, por su parte, usa de forma habitual su tecnología de GPU Adreno.
CPU + GPU + NPU + ISP + almacenamiento + comunicaciones = SoC
Los SoC o System on a Chip son el resultado de integrar en un único chip prácticamente todos los elementos que conforman los elementos computacionales de una plataforma móvil. Hablamos de la CPU, la GPU, la NPU (encargada del procesamiento de apps que hagan uso de modelos de IA) y otros componentes como el procesador de imagen (ISP o Image Signal Processing) o la memoria RAM LPDDR4 o LPDDR5. El módem de comunicaciones puede estar o no estar, eso sí. Depende de si los fabricantes disponen de la tecnología necesaria para integrarlo o de si, aún teniéndola, deciden usar un chip diferente para el módem 4G/5G.
Por ejemplo, con la llegada de la tecnología 5G, los primeros terminales móviles con esta tecnología llevaban este módem en un chip diferente al SoC al no haber dado tiempo a desarrollar la tecnología lo suficiente como para integrarla en el SoC de forma eficiente. Y, en casos como el de Apple, aún depende de proveedores como Qualcomm o Intel para integrar las comunicaciones móviles en sus terminales móviles o las tabletas. Apple estaría trabajando en el diseño de su propio módem de comunicaciones, pero, de momento, los SoC AXX Bionic o los más recientes M dependen de terceros en este campo.
Apple, el alumno aventajado, o casi
Volviendo a ARM, decir que no fabrica chips y sus ingresos dependen del licenciamiento de su arquitectura a los verdaderos fabricantes de procesadores, ya sean Apple, Qualcomm, MediaTek, Huawei, Samsung o Google en el caso de los smartphones. En otras áreas como el IoT, la electrónica de consumo o incluso la automoción, encontramos también procesadores con arquitectura ARM. De todos los fabricantes anteriores, el “alumno aventajado” es Apple, que lleva ya varias generaciones desarrollando y perfeccionando sus propios chips “A”. El origen de esos chips está en la compra de la empresa PA Semi en 2008, en los tiempos de Steve Jobs. El Apple A4 fue el primer SoC de Apple basado en ARM, presentado en 2010.
La arquitectura de los chips de Apple no se adhiere a los cores Cortex de ARM, pero sí que es compatible con el juego de instrucciones (ISA) de ARM. La forma de hacerlo es cosa de Apple, siempre y cuando estos procesadores puedan ejecutar código compilado con las herramientas de ARM. A partir del Apple A11, Apple también diseña su GPU propia y la aceleración de IA en su procesador neuronal o NPU (Neural Processing Unit). La asignatura pendiente de Apple está en la parte del módem, que tiene que estar “fuera” del SoC, lo cual afecta a la eficiencia energética de los dispositivos.
El rendimiento de los SoC de Apple, tanto los AXX Bionic como los nuevos M, está muy por encima del rendimiento de otros SoC ARM, eso es innegable. Y, de hecho, Apple está dando el salto de la telefonía móvil y tabletas a los equipos portátiles MacBook Air y MacBook Pro, así como a los Mac Mini o los iMac, usando arquitectura ARM en vez de la tradicional x86.
Los procesadores ARM Cortex: progresando adecuadamente
En el caso de otros fabricantes de procesadores como Qualcomm, Samsung, MediaTek, Google o Huawei, el diseño de los SoC responde a criterios algo más conservadores. Qualcomm hizo sus “pinitos” con los cores Krait, pero en última instancia depende de modalidades de diseño de procesadores semi-custom, como el resto. En esta modalidad se trabaja con clústeres de cores, ya sean dos clústeres o incluso tres. En el caso de dos clústeres tenemos uno de alto rendimiento con cores Cortex-A7x y otro con cores Cortex-A5x. En el caso de tener tres, uno de los cores de alto rendimiento Cortex-A7x se sustituye por uno de nueva generación Cortex-X1, con un rendimiento aún mayor. En otros casos, a medida que bajamos de gama y de rendimiento, los clústeres empiezan a ser todos de cores Cortex-A5x, lo cual impacta de forma negativa en el rendimiento.
Actualmente, con la excepción de Hi-Silicon de Huawei, que ha tenido que paralizar el desarrollo de los SoCs Kirin debido al bloqueo impuesto por la Administración de los Estados Unidos, tanto Samsung, como MediaTek, Qualcomm e incluso Google con sus anticipados SoCs Tensor, están progresando bien en el desarrollo de procesadores para smartphones e incluso portátiles y Chromebooks, como sucede con Qualcomm y MediaTek. Samsung empieza a posicionarse bien, de hecho, para adelantar a Qualcomm, una vez que integre la GPU AMD RDNA2 en la siguiente generación de SoCs Exynos.
Rendimiento sí, pero con buena disipación
El problema de los SoC de alto rendimiento estriba en la disipación térmica. A más rendimiento de CPU, GPU o en componentes como la NPU o el ISP, el calentamiento de los SoCs se hace evidente y puede incluso comprometer la experiencia de uso de los dispositivos: a nadie le gusta usar un smartphone con una temperatura elevada, e incluso puede suceder que esta elevada temperatura comprometa el funcionamiento de algunas aplicaciones. Algo que, en la práctica, sí sucede con terminales con SoCs como el Snapdragon 888, por ejemplo, o el Exynos 2100, cuando se graba vídeo o se ejecutan programas como 3DMark. Qualcomm, de hecho, ha optado por usar SoCs menos “top” en sus terminales Pixel 4 y Pixel 5, al tiempo que el SoC Google Tensor de los próximos Pixel 6 no apunta a que vaya a competir por récords de rendimiento. Al menos, en la parte de rendimiento “bruto” de CPU y GPU. Los terminales gaming, por otro lado, usan ventiladores internos o externos para mantener la temperatura bajo control.
La tecnología de fabricación es una variable relevante en el campo de los SoCs para smartphones. De momento, la tecnología de fabricación empleada es de 5 nm o 6 nm, tanto de la mano de TSMC como de Samsung, pero los nodos de 4 nm y 3 nm están cercanos, también de la mano de TSMC y Samsung. Los A15 Bionic vendrán con un nodo evolucionado de 5 nm de TSMC, pero futuros SoCs en los próximos meses podrían venir con tecnología de 4 nm, como los de MediaTek o los de Apple, los A16 Bionic.
Más allá de los 4 nm, están las tecnologías de 3 nm y 2 nm como potenciales relevos en los años venideros. Un menor tamaño de transistores permite integrar más elementos o más complejos en los futuros SoCs, al tiempo que mejora la eficiencia energética y el consumo, así como el rendimiento.
Analizaremos el rendimiento del equipo, tanto en su configuración estándar como comportamiento.
