I SoC, ovvero System on a Chip, sono una soluzione tecnologica ormai diffusissima. Nonostante se ne senta parlare molto, in fin dei conti, la maggior parte degli appassionati di elettronica ne conoscono ben poco oltre che ai nomi dei vari modelli.
Questi chip piccoli ed efficienti dal punto di vista energetico alimentano la maggior parte dei dispositivi mobili che utilizziamo oggi, dagli smartphone ai tablet, passando per i Raspberry Pi e affini. Si tratta di una tecnologia alquanto sorprendente che, in questo articolo, cercheremo di approfondire.
Che cos'è un SoC?
Questi particolari chip si chiamano così perché, al suo interno sono condensati più componenti di elaborazione essenziali. I SoC sono utilizzati principalmente per i dispositivi mobili a causa delle loro dimensioni ridotte e dell'elevata efficienza energetica. In poche parole, se oggi gli smartphone pesano così poco, il merito va anche a questa soluzione.
A partire dal 1970, diverse aziende hanno tentato di riunire più componenti su un chip per alimentare gli orologi digitali. Intel è riuscita a farlo con lo storico Microma Digital Watch nel 1974, creando il primo vero SoC della storia. L'azienda ha integrato le funzioni di temporizzazione ei transistor del driver LCD in un unico chip.
I SoC sono davvero decollati negli anni '80 e '90. I personal computer stavano guadagnando popolarità negli anni '80 e dovevano essere alimentati da chip più piccoli. Negli anni '90, i cellulari utilizzavano i SoC e questa tendenza continua oggi con smartphone e tablet che utilizzano i SoC.
Quali componenti ci sono in un SoC?
I produttori di SoC prendono diversi componenti essenziali e li comprimono in un unico chip per risparmiare spazio. Avere tutti i componenti in un'unica posizione consente di risparmiare un'enorme quantità di spazio rispetto ad avere parti sparse in tutta la scheda madre.
Dunque, cosa include un chip di questo tipo? La componente più importante è la Central Processing Unit (nota ai più come CPU) La CPU è il vero e proprio cervello del dispositivo poichè gestisce tutte le principali attività di elaborazione che esegui sul tuo dispositivo. Proprio come un cervello elabora le informazioni provenienti dai sensi, la CPU elabora le informazioni che provengono dalla RAM e dalla cache.
Un'altra componente presente sulla maggior parte dei SoC moderni è l'unità di elaborazione grafica, ovvero la GPU. La GPU nel SoC ha meccanismi simili a quelli della CPU, solo che elabora cose diverse. La CPU può elaborare tutto, dal codice alla grafica, ma sarebbe troppo lavoro per un singolo componente. Per alleviare parte di questo sforzo, la GPU gestisce le informazioni grafiche. A livello puramente pratico, questa componente gestisce tutto ciò che vedi sullo schermo.
Poi merita una citazione la RAM, ovvero la memoria ad accesso casuale. La RAM contiene dati temporanei, utile dunque per rendere il lavoro del dispositivo più rapido. I computer una volta dovevano accedere ai dati direttamente dalle loro unità di archiviazione fisica, ma questo processo è lento. La RAM risolve questo problema con una memoria molto più veloce che legge e scrive i dati con grande velocità rispetto al normale spazio di archiviazione, anche della più prestante SSD. Una volta che i dati vengono caricati nella RAM, la CPU può facilmente accedere e richiamare dati utili dalla memoria ultraveloce.
Ad esempio, supponiamo che tu debba aprire un'applicazione. L'app risiede sul tuo disco rigido. Quando lo apri, quell'applicazione viene caricata dall'unità nella RAM, a cui la CPU può accedere. A seconda di ciò che accade nell'applicazione, è possibile accedere rapidamente ai dati per mantenere tutto senza intoppi. La tua CPU carica i dati nella RAM che pensa tu possa usare, relativi all'app, accelerando ulteriormente i relativi caricamenti.
Dalla cache ai video encoder
All'interno di questo piccolo chip poi, è presente anche la Cache. Anche se la RAM è un blocco di memoria a cui è possibile accedere rapidamente, esiste un'altra forma di memoria ancora più veloce. Stiamo parlando della cache della CPU. La RAM contiene i dati che la CPU deve utilizzare, ma se ci sono informazioni a cui si accede spesso, verranno trasferite nella cache. La cache può inviare dati alla CPU anche più velocemente della RAM.
Supponi di aprire un programma più volte in un breve periodo. Il sistema memorizzerà quel programma nella cache per essere caricato ancora più velocemente.
All'interno dei SoC moderni, sono anche integrati dei piccoli modem. Questi sono responsabili della conversione del segnale elettromagnetico in un segnale digitale comprensibile al dispositivo mobile. Il modem è anche responsabile di fare il contrario quando invia dati ai server.
L'IPU (unità di elaborazione delle immagini ) è invece responsabile dell'elaborazione dei dati che provengono da una fotocamera. Quando la luce colpisce il sensore di immagine, i dati vengono convertiti in un segnale digitale e inviati al SoC. Questi dati vengono quindi elaborati dall'IPU mentre la CPU può svolgere altre attività.
Infine, sul piccolo chip di cui stiamo parlando, trova spazio anche un video encoder. Il codificatore video è responsabile dell'acquisizione del segnale digitale e della sua conversione in un segnale analogico. A seconda del dispositivo, il SoC può avere componenti diversi. Ad esempio, alcuni SoC non hanno la RAM integrata, mentre altri hanno una parte nota come NPU. Questa sigla identifica un'unità di elaborazione neurale e gestisce attività relative all'intelligenza artificiale e all'apprendimento automatico.
Il futuro dei SoC
I SoC sono stati utilizzati principalmente nei dispositivi mobili, ma siamo prossimi a una nuova rivoluzione nella tecnologia: i SoC che alimentano computer desktop completi. La tecnologia SoC sta arrivando al punto in cui può eseguire correttamente il software desktop completo, con passi fondamentali in questa direzione segnati da novità come il chip M1 di Apple, un SoC basato su ARM che alimenta alcuni dei loro ultimi MacBook.
Ci sono vantaggi nell'usare i SoC per alimentare i computer. Oltre a risparmiare spazio, i SoC sono ottimi quando si tratta di efficienza energetica. I chip più piccoli consumano meno energia in generale, il che dovrebbe portare a una migliore durata della batteria per i laptop.
Inoltre, i SoC non si surriscaldano quanto i processori di grandi dimensioni. Poiché i SoC possono contenere meglio le temperature rispetto alle CPU classiche, i dispositivi saranno più comodi da usare, in particolare i portatili. Non solo, ma elimineranno la necessità di ventole ampie e rumorose, inserite nei computer e nelle console di gioco per dissipare il calore prodotto dai processori. La rimozione delle ventole consentirà di risparmiare più spazio nel dispositivo e di risparmiare energia.
