La crescente esigenza di supportare i carichi di lavoro generati dalle applicazioni di intelligenza artificiale e apprendimento automatico porta i processi di sviluppo verso la realizzazione di SoC ‘application-specific’, in grado di soddisfare i requisiti di differenti settori industriali
Un salto quantico, un cambio nodale di paradigma tecnologico compiuto nella progettazione dei moderni dispositivi elettronici: così si potrebbe definire l’architettura system-on-chip (SoC), con le sue peculiarità ormai diffusa in una vasta gamma di sistemi e dispositivi complessi, anche se non si può certo dire che, in tale segmento di prodotti, le sfide progettuali siano del tutto risolte, soprattutto a livello di complessità e sicurezza dei dispositivi. Il settore, tuttavia, fiorisce di nuovi SoC. Solo alcuni recenti esempi di prodotti immessi sul mercato includono la nuova generazione di SoC Snapdragon Serie G, annunciati a marzo dalla californiana Qualcomm nella lineup 2025: sono piattaforme di gaming specificamente ideate per fornire ancora più velocità, prestazioni, capacità grafiche, ai dispositivi di gioco portatili. A precedere la Serie G, il lancio, a febbraio, della Snapdragon 6 Gen 4 Mobile Platform. Questa piattaforma mobile non significa soltanto potenti prestazioni, maggiore durata della batteria, connettività 5G ultrarapida, ma punta a ridefinire l’esperienza di gioco di chi vuol interagire con immagini di qualità 4K e con un audio wireless ‘lossless’, quindi audio di qualità migliore, in grado di preservare tutte le informazioni della registrazione originale.
Non si tratta unicamente di gaming o dispositivi mobile: nel settore automobilistico, i SoC di Renesas della serie R-Car sono progettati per sistemi ADAS (advanced driver-assistance system) evoluti, applicazioni di guida autonoma, e forniscono capacità di elaborazione ad elevate performance, per supportare operazioni come il riconoscimento di immagini, i processi di “sensor fusion”, le prese decisionali. Un altro esempio è il system-on-chip Drive AGX, incluso nella piattaforma automotive Drive Hyperion di Nvidia, la quale, proprio al CES di Las Vegas, ha annunciato che la sua piattaforma per la guida autonoma ha superato le valutazioni di sicurezza del settore da parte di TÜV SÜD e TÜV Rheinland, due delle maggiori autorità nel campo, per la sicurezza e la cybersecurity di livello automobilistico.
Nelle infrastrutture data center, un altro esempio di dispositivi system-on-chip sono le TPU (tensor processing unit), sviluppate da Google in maniera specifica per supportare i workload di machine learning (ML).
Focus su AI, connettività, sicurezza
Tra le tendenze tecnologiche chiave attualmente in evidenza nell’industria dei SoC, va senz’altro segnalata la crescente integrazione nei sistemi di acceleratori AI come le NPU (neural processing unit), per supportare l’esecuzione dei carichi di lavoro di apprendimento automatico. I trend del momento riguardano comunque anche gli avanzamenti nella tecnologia di connettività, che si compiono attraverso l’integrazione nei dispositivi di connettività 5G e Wi-Fi 6, nonché attraverso una sempre maggiore focalizzazione sull’efficienza energetica, che significa, ad esempio, capacità dei chip di estendere ulteriormente la durata della batteria nei dispositivi mobili e negli edge device. In aggiunta, nel quadro di continuo aumento delle minacce cibernetiche, l’attenzione degli sviluppatori e degli ingegneri di sistema dev’essere più che mai concentrata sulla progettazione di meccanismi e funzionalità di sicurezza e protezione che possano difendere i system-on-chip dagli attacchi cyber.
Dispositivi mobile, guidano il mercato SoC
La proliferazione dei dispositivi mobile rileva la società di ricerche e consulenza Grand View Research (GVR), risulta il maggior fattore di crescita del mercato dei SoC, in quanto smartphone, tablet, e dispositivi indossabili richiedono chip compatti, potenti, capaci di amministrare una molteplicità di funzioni, che vanno dall’elaborazione dati, alla grafica, alla connettività, tutto all’interno di un singolo die altamente integrato. La domanda di componenti più piccoli, veloci ed efficienti sotto il profilo energetico spinge i produttori a innovare di continuo la tecnologia SoC, e ciò sta ulteriormente stimolando la crescita del mercato. Un mercato che, stando alle previsioni di GVR, dai 181,58 miliardi di dollari del 2024, raggiungerà un valore di 295,49 miliardi di dollari entro il 2030, espandendosi con un tasso annuo di crescita composto (CAGR) pari all’8,5% nel periodo considerato dallo studio (2024 – 2030).
Tra i progressi tecnologici che stanno guidando l’incremento del comparto nell’industria dei system-on-chip, GVR indica le incessanti innovazioni nei processi di fabbricazione dei semiconduttori, che includono sia nodi tecnologici ulteriormente miniaturizzati, sia architetture SoC ancora più evolute. La transizione verso i processori multi-core e l’integrazione della AI (artificial intelligence) e del machine learning, rileva GVR, stanno poi contribuendo ad alimentare l’espansione del settore. I progressi compiuti dai SoC a livello di potenza di elaborazione, efficienza energetica, versatilità d’uso rendono tali dispositivi idonei per una più ampia tipologia di applicazioni, sia nell’elettronica di consumo, sia nell’automazione industriale.
A livello mondiale, in regioni come il Nord America, l’Europa e l’Asia Pacifico, i governi stanno investendo pesantemente nell’infrastruttura per i semiconduttori, in modo da ridurre la dipendenza dalle importazioni e migliorare la capacità interna. Da parte loro, i produttori operanti nel comparto system-on-chip, scrive GVR, stanno anch’essi investendo in ricerca innovativa per migliorare le prestazioni, abbassare i consumi, e potenziare le competenze d’integrazione. I produttori stanno anche formando collaborazioni strategiche con aziende, startup e istituzioni di ricerca per accelerare l’innovazione e restare competitivi in un mercato in rapida evoluzione. In particolare, i produttori stanno sempre più focalizzandosi sullo sviluppo di SoC specializzati e application-specific, con l’obiettivo di soddisfare la crescente domanda proveniente dalle differenti industrie, che oltre all’elettronica di consumo comprendono il settore automotive, il mondo sanitario e l’industria delle telecomunicazioni.
Architettura SoC, benefici e sfide progettuali
Il termine system-on-chip indica un circuito integrato in grado di contenere all’interno di un singolo die tutti i circuiti e componenti richiesti per la realizzazione di un sistema completamente funzionante. La filosofia progettuale è integrare dentro il SoC quanti più componenti possibile di un computer. A livello di processori e memoria, i moderni SoC possono includere varie tipologie di core e unità di elaborazione, tra cui CPU (central processing unit), MCU (microcontroller unit), GPU (graphics processing unit), processori specializzati per i workload AI come le NPU, DSP (digital signal processor) per l’elaborazione audio, nonché blocchi di memoria RAM (random-access memory), ROM (read-only memory), memoria flash, EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory).
Con l’obiettivo di ridurre circuiti logici digitali e consumi di energia, i core del SoC usano in genere set di istruzioni RISC (reduced instruction set computer) o RISC-V (RISC con licenza open source), e architetture ARM ottimizzate sotto il profilo del rapporto tra efficienza e performance, soprattutto quando il requisito è gestire dispositivi mobile (smartphone, tablet) alimentati a batteria: tuttavia, in particolare nei SoC che indirizzano applicazioni PC-like, possono essere presenti unità di elaborazione x86, con set di istruzioni CISC (complex instruction set computer).
La comunicazione del sistema verso l’esterno viene poi implementata attraverso l’integrazione nel SoC di una varietà di interfacce, bus e protocolli: solo per citarne alcuni, si può menzionare I2C, SPI, USB, UART, USART, HDMI, Ethernet. La connettività wireless può comprendere tecnologie come Wi-Fi, RFID (radio frequency identification), Bluetooth. Oltre a integrare unità di elaborazione, blocchi di memoria, interfacce, bus di comunicazione, i SoC includono tutta la circuiteria di supporto necessaria, ad esempio, per la gestione dell’alimentazione (regolatori di tensione), o i componenti richiesti (ADC – analog-to-digital converter, DAC – digital-to-analog converter) per la conversione dei segnali analogici e digitali.
In elettronica, l’architettura SoC fornisce una varietà di benefici. Adottando i SoC, che integrano numerosi componenti all’interno di un solo chip, riducendo dimensioni e peso dei semiconduttori, gli ingegneri di sistema hanno l’opportunità di sviluppare dispositivi più piccoli e leggeri. Caratteristiche, queste, che costituiscono requisiti di progetto cruciali nella realizzazione di wearable device, tablet e smartphone. L’integrazione dei componenti in un singolo chip minimizza anche le distanze percorse dai segnali, perché si ottengono interconnessioni più corte, che rendono possibile un trasferimento dati più rapido, riducendo la latenza e migliorando le prestazioni generali del sistema, anche sotto il profilo dell’efficienza energetica. Va poi aggiunto che il paradigma SoC ha avuto un impatto sistemico sull’industria elettronica, influenzando e guidando lo sviluppo di nuove metodologie di progettazione, strumenti software e processi di fabbricazione.
Complessità e sicurezza, due punti critici nella progettazione di SoC
Al netto dei vantaggi ottenibili con l’adozione dei SoC in vari sistemi, apparati e dispositivi elettronici, occorre comunque considerare che lo sviluppo di questi chip comporta sfide progettuali complesse. Tra queste ultime, emergono in primo piano i problemi di integrazione dei vari componenti, che possono portare a un allungamento dei tempi di sviluppo, e a un aumento del rischio di commettere errori di design. Ciò, conseguentemente, si riflette in incrementi dei costi, mancato rispetto delle deadline di consegna dei prodotti, e in ritardi nella commercializzazione dei SoC.
Quando si tratta di integrare in un SoC numerosi blocchi di proprietà intellettuale (hard IP core, soft IP core, firm IP core) eterogenei, in parte sviluppati internamente da un’organizzazione, e in parte acquisiti da fornitori di IP esterni e terze parti, diventa evidentemente cruciale implementare processi coordinati e simultanei di progettazione hardware e software, e metodologie di co-design dell’architettura SoC. D’altra parte, se dal punto di vista progettuale ed economico il riuso di tali blocchi IP come mattoncini già pronti per costruire il sistema può rivelarsi vantaggioso, la complessità tecnologica da affrontare per la loro integrazione non è certo un elemento trascurabile.
Soprattutto nei SoC molto complessi, contenenti numerosi blocchi IP eterogenei, possono insorgere problemi di compatibilità e interoperabilità derivanti, ad esempio, dalla mancanza di standardizzazione a livello di interfacce e protocolli di comunicazione. Una possibile soluzione a questo problema è l’adozione di tecnologia NoC (network-on-chip), che interconnette i vari blocchi IP del SoC attraverso un’infrastruttura standardizzata, ottimizzando l’instradamento (routing) dei flussi di dati, riducendo la latenza e i consumi energetici.
Sempre la complessità tecnologica del SoC può dare origine a problemi di timing e sincronizzazione dei segnali di clock tra i differenti blocchi IP, oltre che comportare inconvenienti di dissipazione termica, soprattutto quando sul system-on-chip sono integrati blocchi IP ad elevate performance.
Un altro problema oggi cruciale da affrontare adeguatamente, e con la massima priorità, resta la sicurezza del system-on-chip, su cui va fatta grande attenzione, ponendo i meccanismi di security e protezione al centro del processo di design. Più un SoC è complesso, e contiene blocchi IP eterogenei e di terze parti, più aumentano le potenziali vulnerabilità al suo interno, a livello firmware, hardware, software, sfruttabili dai criminali informatici per architettare attacchi cyber. Per gli operatori del settore è di fondamentale importanza anche riuscire a garantire l’integrità della catena di fornitura (supply chain) dei componenti, in quanto gli attori delle minacce possono tentare di inserire nei chip vulnerabilità già durante i processi di fabbricazione o distribuzione dei dispositivi.
