O que é um SoC? Tudo o que Você Precisa Saber sobre Chipsets para Smartphones
Um SoC é o cérebro do seu smartphone, mas como funciona?
Os entusiastas da tecnologia adoram falar sobre poder de processamento e chips, seja em PCs, consoles de jogos ou os smartphones mais recentes. No blog Raisa, cobrimos em detalhes os processadores mais recentes da Arm, HUAWEI, Qualcomm, Samsung, MediaTek e outros. Esses tópicos costumam ser repletos de jargões e ideias abstratas que podem parecer complexos para a compreensão até mesmo de questões básicas como
“O que é um SoC?”
Na verdade, pode levar anos de estudo para entender adequadamente os detalhes mais sutis do design do chip, o que não é bom se você estiver simplesmente tentando pesquisar uma compra potencial.
Hoje, faremos algo um pouco mais amigável para iniciantes e explicaremos os meandros dos chips de smartphones modernos com o mínimo de bruxaria técnica possível.
O que é um SoC e o que ele faz?
Os blocos de construção de um SoC Snapdragon podem ser vistos acima.
SoC significa sistema em um chip. Como o nome sugere, um SoC é um sistema de processamento completo contido em um único pacote. Para ser claro, não é apenas um processador singular, com o qual você deve estar familiarizado se já construiu um PC. Em vez disso, um SoC contém várias peças de processamento, memória, modems e outros bits e peças essenciais fabricados juntos em um único chip soldado na placa de circuito.
O sistema em um chip é o cérebro do seu smartphone, lidando com tudo, desde gráficos até conectividade 5G.
A combinação de vários componentes em um único chip economiza espaço, custo e consumo de energia. Essencialmente, um SoC é o cérebro do seu smartphone que lida com tudo, desde o sistema operacional Android até a detecção quando você pressiona o botão de desligar. Os SoCs também se conectam a outros componentes, como câmeras, display, RAM, armazenamento flash e muito mais.
A lista abaixo contém os componentes mais comuns que você encontrará dentro de um sistema em um chip de smartphone. Abordaremos alguns dos mais importantes posteriormente neste artigo.
- Unidade Central de Processamento (CPU) — Os “cérebros” do SoC. Executa a maior parte do código do sistema operacional Android e da maioria dos seus aplicativos.
- Unidade de processamento gráfico (GPU) — Lida com tarefas relacionadas a gráficos, como visualizar a interface do usuário de um aplicativo e jogos 2D/3D.
- Unidade de processamento de imagem (ISP) — Converte dados da câmera do telefone em arquivos de imagem e vídeo.
- Processador de sinal digital (DSP) — Lida com funções matematicamente mais intensas do que uma CPU. Inclui descompactação de arquivos de música e análise de dados do sensor giroscópio.
- Unidade de Processamento Neural (NPU) — Usada em smartphones de última geração para acelerar tarefas de aprendizado de máquina (IA). Isso inclui reconhecimento de voz offline e segmentação de objetos de câmera.
- Codificador/decodificador de vídeo — Lida com a conversão com eficiência energética de arquivos e formatos de vídeo.
- Modems — Converte sinais sem fio em dados que seu telefone entende. Os componentes incluem modems 4G LTE, 5G, WiFi e Bluetooth.
Você também deve ter ouvido falar de algo parecido com um processo de fabricação no contexto de SoCs.
Geralmente é listado como um número em nanômetros (nm). De modo geral, quanto menor o tamanho nm, menores serão os componentes internos do SoC.
Isso é melhor para eficiência energética e compactação.
Dito isto, existem diferentes métodos de fabricação que podem dificultar as comparações diretas.
No momento em que este artigo foi escrito, 4 nm era o menor processo de fabricação disponível usado para SoCs de smartphones.
Exemplos de um SoC
SoC
Agora que temos uma breve visão geral do que é um SoC, vamos dar uma olhada em alguns exemplos. No espaço dos smartphones, Qualcomm , Samsung Semiconductor, HiSilicon da HUAWEI e MediaTek são os quatro maiores nomes do negócio. Provavelmente, seu smartphone possui um chip de uma dessas empresas.
A Qualcomm é a maior fornecedora de SoCs para smartphones, enviando chips para a maioria dos smartphones principais, intermediários e até mesmo de baixo custo a cada ano. Os SoCs da Qualcomm pertencem à marca Snapdragon. Os chips premium com a melhor tecnologia da empresa estão sob a bandeira do Snapdragon 8, como o mais recente Snapdragon 8 Gen 2 . Os produtos de nível médio e médio superior são marcados com nomes das séries Snapdragon 600 e 7, respectivamente. Por exemplo, o Snapdragon 7 Gen 1 é um chip de gama média relativamente novo que possui conectividade 5G. Finalmente, você encontrará produtos básicos da série 400.
Os SoCs Exynos da Samsung operam em escala semelhante premium, intermediária e básica. Eles foram listados anteriormente como as séries Exynos 9900, 9800 e 9600, com os produtos da série Exynos 7000 sustentando o orçamento final do portfólio. No entanto, o mais recente chip topo de linha da Samsung é o Exynos 2200.
O esquema de nomenclatura Exynos da Samsung costumava ser muito semelhante ao do HUAWEI, mas agora isso mudou. O Kirin 9000 é o mais recente chip principal da HUAWEI, que vem em variantes 4G e 5G. A série Kirin 600 é muito parecida com a linha Snapdragon 600, oferecendo especificações intermediárias para smartphones mais acessíveis.
O Google também entrou recentemente na arena do SoC, com o objetivo de melhorar o desempenho da IA e do aprendizado de máquina para sua série Pixel de smartphones. O mais recente SoC Tensor G2 no Pixel 7 e 7 Pro permite uma série de recursos exclusivos de imagem e voz.
Finalmente, a linha Helio da MediaTek abrange produtos acessíveis da série P até a série G voltada para jogos. A última série carro-chefe do fabricante é o Dimensity 9200 Plus , seguido de perto pelo Dimensity 8100.
Tudo começa com a CPU
Você deve estar familiarizado com o termo processador , pois é frequentemente usado de forma intercambiável com a unidade central de processamento (CPU) neste círculo de conversa. Uma CPU é o tipo de processador mais comumente usado. Ele foi projetado para ser altamente flexível e adequado para uma ampla gama de tarefas. Como tal, a CPU executa o sistema operacional Android e seus aplicativos. Também é parcialmente responsável pela sincronização de dados entre outros processadores dentro do SoC.
Para uma rápida visão geral, as CPUs operam usando unidades de predição, registros e unidades de execução. Isso é conhecido como arquitetura da CPU. Os registradores armazenam bits de dados ou ponteiros para a memória, geralmente em formatos de dados de 64 bits. As unidades de execução fazem algo com um ou mais registradores, como ler e escrever na memória ou realizar operações matemáticas. Múltiplas unidades de execução podem ser usadas ao mesmo tempo com a CPU, cada uma levando um ou dois ciclos de clock para completar sua função.
As CPUs lidam com tarefas gerais de processamento e são uma peça muito importante de qualquer SoC.
As CPUs são flexíveis o suficiente para atender a uma ampla variedade de tarefas. O desempenho pode ser aumentado ou reduzido alterando a velocidade do clock (em GHz), o número de núcleos ou alterando a arquitetura subjacente para fazer mais com cada ciclo de clock. Este último ponto costuma ser chamado de construção de uma CPU “mais ampla” ou “maior”, e é por isso que os chips telefônicos da Apple são tão poderosos . No entanto, também existem compensações em termos de potência e eficiência nestes projetos mais amplos.
CPUs dentro de SoCs de smartphones vêm em uma variedade de sabores, todos baseados na arquitetura Arm CPU. Os núcleos de CPU mais recentes da Arm são os grandes Cortex-X3 e Cortex-A715 , junto com o pequeno Cortex-A510. Todos esses três são baseados na arquitetura Armv9 mais recente. As CPUs dos smartphones geralmente aparecem em configurações de oito núcleos, com núcleos grandes e potentes para aplicações mais exigentes e núcleos menores com eficiência energética para garantir longa vida útil da bateria.
Gráficos integrados
Juntamente com a CPU, a unidade de processamento gráfico (GPU) é outra peça de hardware tradicional de processamento de números compactada em um SoC de telefone. As GPUs são muito menos de uso geral do que as CPUs e, como resultado, são projetadas de maneira muito diferente. Eles são construídos para percorrer repetidamente funções matemáticas em paralelo, o que podem fazer muito mais rápido do que uma CPU normal. Lembre-se, existem milhões de pixels para preencher na tela do seu smartphone, cada um dos quais deve ser calculado quando você está executando um aplicativo ou seu jogo favorito.
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A maioria das operações gráficas são repetidas continuamente para preencher todos os pixels da tela. Como tal, as GPUs são projetadas para executar muita matemática de uma só vez em grandes lotes de dados. Ao contrário das CPUs que executam uma ou duas operações em cada ciclo, as GPUs executam dezenas, centenas e até milhares de operações paralelas em cada ciclo. Isso depende do tamanho e do desempenho do design da GPU.
As duas principais GPUs no espaço Android SoC são Mali da Arm e Adreno da Qualcomm. Ambos oferecem versões maiores e menores da tecnologia GPU, com chips emblemáticos em seu hardware mais poderoso para jogos 3D. A Qualcomm não fala muito sobre o funcionamento interno da Adreno, mas sabemos tudo sobre o Mali. A Apple também tem sua própria GPU para seus SoCs para iPhone e a AMD firmou uma parceria com o Exynos da Samsung, começando com o Exynos 2200.
Ótimas câmeras precisam de bons processadores
Os smartphones são cada vez mais julgados por suas capacidades fotográficas. Embora um sensor e um hardware de lente de última geração sejam essenciais, os poderosos recursos de processamento de imagem são uma parte igualmente importante da história. A indústria de smartphones chama essa técnica de fotografia computacional e ela depende principalmente do SoC do smartphone.
Embora a edição e os ajustes de imagens geralmente sejam feitos na CPU e GPU, há uma tonelada de processamento realizado nos dados do sensor da câmera antes mesmo de uma imagem ser salva no seu telefone. Um ISP é um DSP especializado que lida com tarefas comuns de imagem, como transformações Bayer, foco, demosaicing, nitidez e redução de ruído. Em outras palavras, transforma a informação digital do sensor da câmera em uma imagem bonita.
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Os dois últimos são particularmente importantes em smartphones, onde aparelhos mais baratos tendem a aumentar a nitidez e produzir detalhes de aparência piegas.
Os chipsets de última geração oferecem cada vez mais recursos de ponta. Por exemplo, o Kirin 990 da Huawei foi o primeiro SoC com correspondência de blocos de nível DSLR e filtragem 3D (BM3D) com redução de ruído, e os ISPs mais recentes da Qualcomm e da Samsung permitem desfoque bokeh de vídeo por software em tempo real.
O resultado final é que fotos de ótima aparência exigem um processador de imagem poderoso.
Processamento de IA de próxima geração
Termos como unidades de processamento neural, processadores de IA ou núcleos de aprendizado de máquina são frequentemente usados de forma intercambiável, mas todos tendem a significar a mesma coisa dentro dos SoCs de smartphones modernos: um processador que é especificamente otimizado para a matemática e algoritmos comumente usados por algoritmos de inteligência artificial (IA) . .
Assim como as GPUs são processadores otimizados para matemática gráfica e os ISPs são otimizados para tarefas de imagem, os NPUs são processadores projetados especificamente para executar redes neurais e tarefas de aprendizado de máquina de forma mais rápida e eficiente do que as CPUs. As NPUs também apresentam seus próprios caches de memória local, para acelerar a execução sem precisar usar RAM mais lenta.
Coprocessadores de IA dedicados aliviam a carga da CPU, pois são otimizados para determinados algoritmos
As redes neurais geralmente exigem operações que utilizam vários dados de entrada para gerar apenas uma única saída. A operação de acumulação múltipla é particularmente popular, muitas vezes operando em uma variedade de tamanhos de dados, de 16 bits a 8 e até 4 bits de dados. Isso é muito diferente dos tipos matemáticos e de dados usados pelas CPUs, embora algumas operações possam ser aceleradas em GPUs flexíveis.
Os NPUs são os processadores especializados mais recentes a chegar aos SoCs de telefone e permitir o aprendizado de máquina no dispositivo . Embora reservada principalmente para chips de primeira linha, essa tecnologia já está chegando rapidamente a chipsets e aparelhos mais acessíveis. O SoC Tensor G2 do Google na série Pixel 7 , por exemplo, inclui a unidade de processamento de tensor (TPU) personalizada que permite recursos exclusivos, como fala para texto instantânea e uma ampla variedade de recursos de câmera.
Modems 4G e 5G para dados mais rápidos
A última peça de um SoC de smartphone moderno é o modem de dados, que permite acessar redes de dados de sua operadora. Diferentes modems também determinam a velocidade e a qualidade da sua conexão de dados. Os modems mais poderosos atingem velocidades de download acima de 1 Gbps. Também existem modems para dados Wi-Fi e Bluetooth, mas hoje estamos nos concentrando em modems 4G e 5G.
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Nos anos anteriores, os SoCs para smartphones ostentavam modems 4G integrados. Isso significa que o modem 4G está localizado dentro do SoC. Os primeiros modems 5G para smartphones eram externos, por isso tinham que ser conectados ao SoC principal. Isto é menos eficiente em termos energéticos, mas facilita a implementação de recursos de ponta e proporciona flexibilidade ao fabricante enquanto as redes 5G são implementadas para mais consumidores.
Modems e recursos 5G integrados também estão aqui. Os principais processadores da Qualcomm, Samsung e HUAWEI apresentam modems integrados que suportam recursos sub-6GHz e mmWave 5G . Todos os mais recentes telefones 5G apresentam modems integrados, proporcionando maior eficiência energética ao atingir velocidades máximas de dados.
Mais sobre SoCs para smartphones
Os entusiastas de telefones adoram comparar as especificações de CPU e GPU, mas isso está se tornando menos relevante à medida que o desempenho amadurece e novos recursos são necessários. Os SoCs de smartphones tratam cada vez menos de uma capacidade única e mais de uma abordagem de computação heterogênea para resolver problemas de processamento. Em outras palavras, usar o tipo de processador mais eficiente para a tarefa em questão.
Os aparelhos atuais lidam com uma variedade maior de cargas de trabalho do que nunca. Como resultado, o número de processadores dedicados dentro de cada chip continua a aumentar. Desde componentes básicos de CPU e GPU, há alguns anos, até DSPs, ISPs avançados e NPUs de hoje. Essas partes menos comentadas só estão se tornando mais importantes com os avanços em segurança, aprendizado de máquina e 5G.
Fonte: Android Authority
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