I System on a Chip sono ovunque, ma sono davvero il futuro? Ecco i loro vantaggi e svantaggi

Tutti i dispositivi elettronici, che siano computer, telefoni o altro, necessitano di un sistema che consenta loro di funzionare, composto da processore, scheda grafica, RAM e archiviazione. 

Ma in questo settore si cerca sempre di ottenere il massimo delle prestazioni e il minimo dei consumi nel minor spazio possibile. Per questo si è pensato di creare un "pacchetto" che comprenda vari componenti, il System on a Chip (SoC): vediamo cos'è, come funziona e quali sono i suoi vantaggi ed eventuali svantaggi. 

Questi chip, piccoli ed efficienti, al giorno d'oggi sono quanto mai diffusi, e alimentano la maggior parte dei dispositivi mobili, e dagli smartphone ai tablet si stanno diffondendo anche sui computer. Scopriamo perché. 

• Cos'è un System on a Chip
• Come funziona un SoC
• Dove si trovano i SoC
• Vantaggi e svantaggi dei SoC

Un System on a Chip (SoC) è un circuito integrato così chiamato perché è costituito da più componenti di calcolo su un unico chip, invece di essere separati in soluzioni discrete come avviene nei computer classici, costituiti da CPU, GPU, RAM, interfacce USB e altro.

Eliminando la necessità di componenti di sistema separati e di grandi dimensioni, i SoC aiutano a semplificare la progettazione del circuito stampato, con conseguente miglioramento della potenza e della velocità senza compromettere la funzionalità del sistema.

In generale, possiamo trovare tre tipo di SoC, quelli costruiti intorno a un microcontrollore (che troviamo per esempio nei chip delle carte di credito), quelli costruiti attorno a un microprocessore (presenti nei telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici) e quelli specializzati per circuiti integrati specifici, destinati ad applicazioni che non rientrano nelle due categorie precedenti.

Vista la "recente" esplosione dei dispositivi elettronici di piccole dimensioni, si potrebbe pensare che l'origine dei SoC non risalga a molto tempo fa.

Invece il primo concetto di SoC risale a un orologio LCD nel 1974. Poi negli anni '80 e '90 i progressi nella tecnologia di produzione dei semiconduttori hanno permesso di integrare più componenti su un singolo chip.

Tra gli anni 2000 e 2010 è arrivato il salto di qualità, con l'integrazione dei chip radio Wi-Fi, Bluetooth e modem cellulari, il che ha consentito di le comunicazioni wireless ai dispositivi mobili.

L'aggiunta di processori sempre più potenti e funzionalità grafiche ha contribuito a rendere gli smartphone quello che sono oggi, in grado di affrontare giochi complessi e persino elaborare funzioni IA sul dispositivo.

Negli anni più recenti, i SoC hanno mostrato le loro potenzialità anche nei computer, con l'avvento dei chip Apple serie M e più recentemente con i nuovi Snapdragon X nei PC Copilot+.

Inoltre sono utilizzati in sempre più dispositivi, come i sistemi automobilistici, gli indossabili, nell'automazione industriale, e con funzionalità che come dicevamo includono l'intelligenza artificiale (AI), l'apprendimento automatico (ML) e il calcolo ad alte prestazioni (HPC).

Un SoC è quindi un sistema che include in un unico chip diversi componenti, ma quali sono? Generalmente, in un SoC troveremo una CPU, una GPU, la memoria, interfacce USB, chip radio e unità di elaborazione audio e video.

Andiamo a vederle nello specifico. 

Uno dei componenti principali del SoC è la CPU (Central Processing Unit), che gestisce tutte le principali attività di elaborazione che vengono richieste al dispositivo. Un SoC deve avere almeno un core, ma in genere se ne trovano più di uno, con architettura ARM.

La GPU (Graphics Processing Unit) è un'altra componente molto importante del SoC, in grado di elaborare le informazioni grafiche.

I SoC devono essere dotati di blocchi di memoria a semiconduttore per eseguire i loro calcoli. Le tecnologie di memoria per i SoC includono ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory, memoria flash e altre, ma nelle applicazioni nei dispositivi elettronici troveremo più spesso la RAM, che garantisce l'accesso ai dati da parte della CPU in maniera molto più veloce rispetto alle unità di archiviazione.  

Quando infatti si apre un'applicazione, che è installata sul disco del dispositivo, questa viene caricata sulla RAM, consentendo alla CPU di accedere ai suoi dati e caricando a sua volta nella RAM i dati relativi all'app.

Come in altri sistemi informatici, la RAM può essere suddivisa in RAM statica (SRAM) relativamente più veloce ma più costosa e RAM dinamica (DRAM) più lenta ma più economica. Quando un SoC ha una gerarchia di cache, la SRAM verrà solitamente utilizzata per implementare i registri dei processori e le cache integrate dei core, mentre la DRAM verrà utilizzata per la memoria principale.

A proposito di cache della CPU, questa è un'altra forma di memoria ancora più veloce ed è contenuta nel SoC. La cache contiene informazioni a cui si accede spesso, come un programma che si apre diverse volte, e le invia alla CPU. 

Il SoC contiene anche diverse interfacce esterne, in genere per i protocolli di comunicazione. Queste consentono di ricevere o inviare, sia attraverso protocolli fisici che radio, pacchetti di dati e convertirli.

Tra le interfacce disponibili, troviamo USB, Ethernet, HDMI e quelle relative a protocolli di rete wireless come Wi-Fi, Bluetooth, modem di rete cellulare e near-field communication.

Quando necessario, i SoC includono interfacce analogiche tra cui convertitori (Digital Signal Processor) da analogico a digitale e da digitale ad analogico, spesso per l'elaborazione del segnale. Questi possono essere in grado di interfacciarsi con diversi tipi di sensori o attuatori, compresi i trasduttori intelligenti, oltre a consentire la codifica dei segnali video digitali in analogico (encoder video). 

Non è finita, perché i SoC includono anche un'unità di elaborazione delle immagini (IPU), che è responsabile dell'elaborazione dei dati provenienti da una fotocamera. Quando la luce colpisce il sensore di immagine, i dati vengono convertiti in un segnale digitale e inviati al SoC, dove vengono elaborati dall'IPU.

Alcuni SoC sono poi dotati di una NPU (Neurap Processing Unit), deputata all'elaborazione delle funzioni relative all'intelligenza artificiale e all'apprendimento automatico.

Inoltre il SoC contiene un video encoder (codificatore video), che converte i dati video in un segnale analogico, necessario per la visualizzazione dei video sullo schermo,

Come per altri sistemi informatici, i SoC richiedono fonti di temporizzazione per generare segnali di clock, controllare l'esecuzione delle funzioni e fornire un contesto temporale alle applicazioni di elaborazione del segnale, se necessario.

Per questo si utilizzano spesso oscillatori a cristallo e loop phase-locked.

Come abbiamo anticipato nel primo capitolo, i SoC hanno diversi utilizzi, che si stanno espandendo sempre più. Grazie alla loro capacità di essere personalizzati per requisiti altamente specializzati, che spaziano dai telefoni alle telecamere di sicurezza per arrivare agli smartwatch e persino i giocattoli. 

Ecco alcuni prodotti in cui possiamo trovare i SoC:

• Dispositivi mobili: i SoC integrano i componenti necessari per la connettività wireless e svolgere tutte le funzionalità, anche multimediali, in smartphone e tablet
• Computer: negli ultimi anni abbiamo assistito a un sempre maggiore utilizzo dei SoC in informatica. Apple ha ormai portato la tecnologia su tutti i Mac, dai portatili MacBook ai computer per professionisti Mac Pro
• Elettronica di consumo: i SoC forniscono potenza di elaborazione grafica e connettività a una vasta gamma di dispositivi multimediali comuni, come console di gioco e lettori multimediali.
• Sistemi automobilistici: i veicoli utilizzano SoC per alimentare i sistemi di navigazione, interfacce dei sensori, i sistemi di infotainment e gli ADAS.
• Internet of Things (IoT): grazie alla loro efficienza in casi d'uso a basso consumo, i SoC sono ampiamente utilizzati in dispositivi IoT come dispositivi indossabili, telecamere di sicurezza, smart display e persino elettrodomestici come frigoriferi o forni.
• Apparecchiature di rete: troviamo i SoC in router, switch e dispositivi di rete, dove integrano funzionalità di elaborazione dei pacchetti, funzionalità di sicurezza e componenti specializzati per un routing efficiente dei dati.
• Applicazioni industriali: i SoC consentono funzionalità di elaborazione, connettività e interfacciamento in tempo reale, contribuendo a soluzioni industriali efficienti e intelligenti.
• Dispositivi medici: i SoC aiutano a migliorare la cura del paziente migliorando la potenza di elaborazione e la connettività dei sistemi di monitoraggio del paziente, delle apparecchiature diagnostiche e dei dispositivi impiantabili.

Grazie all'integrazione di più componenti in un singolo chip, i SoC presentano numerosi vantaggi, ma anche svantaggi.

Vediamo quali sono per capire se questa soluzione possa essere quella giusta per il singolo caso.

Vantaggi dei SoC

Il primo e più ovvio vantaggio dei SoC è l'ottimizzazione dello spazio, in quanto occupano meno spazio rispetto all'utilizzo di componenti discreti, rendendo possibile la produzione di dispositivi più piccoli con potenza comparabile.

Non solo, ma la riduzione delle dimensioni consente una maggiore efficienza energetica, con un ridotto consumo energetico a parità di potenza, prestazioni e area.

Un SoC è inoltre in grado di ottenere prestazioni migliori rispetto a una controparte discreta, in quanto i segnali rimangono tutti sullo stesso chip. Ovviamente questo dipende da molti altri fattori e tenendo in considerazione aspetti come il consumo energetico, che come abbiamo visto nel campo informatico sui chip Apple è incredibilmente ottimizzato, mentre al momento sui chip Snapdragon X lo è meno. 

Altri vantaggi dei SoC sono la maggiore affidabilità, almeno teoretica, in quanto il numero di connessioni è ridotto e non è necessario un substrato per il collegamento dei componenti discreti, e i minori costi di produzione.

Svantaggi dei SoC

I SoC non sono però necessariamente la soluzione per tutte le necessità. Il problema più grande riguarda la riparabilità e la possibilità di aggiornamenti. 

Essendo tutto incluso in un unico sistema, in caso di guasto dovrà essere buttato tutto: CPU, GPU, RAM, modem e altri componenti. Per molti sistemi questo non rappresenta una novità, vista l'abitudine dei produttori di saldare anche i componenti discreti sulla scheda madre, ma nondimeno potrebbe essere una soluzione poco efficiente dal punto di vista della sostenibilità.

Per lo stesso motivo, in caso si voglia aggiornare un computer con un processore o una scheda grafica più moderne o prestanti, se si utilizza un SoC sarà necessario cambiare tutto. Anche in questo caso, alcune soluzioni sono decisamente migliori dal punto di vista ambientale. 

Un altro svantaggio riguarda le prestazioni assolute, in quanto se è vero che un SoC presenta prestazioni più elevate a parità di consumo energetico, per il calcolo ad alte prestazioni potrebbero non essere la soluzione ideale.

Ci sono altre problematiche relative ai SoC, che magari gli utenti finali potrebbero non considerare ma che influiscono sulla tecnologia. Uno di questi riguarda la progettazione, che è molto più complessa e costosa, e comporta un arrivo sul mercato con tempistiche diverse rispetto ai componenti discreti.

Inoltre i SoC sono meno flessibili dei componenti discreti, in quanto sono pensati e progettati ognuno per applicazioni specifiche, mentre i componenti discreti possono essere adattati a più applicazioni.