Por Jeremy Cook
En 2020, Apple dio el salto de procesadores Intel a sus propios chips de silicio personalizados, la serie M1. Fue un cambio drástico, pero no totalmente inesperado de una empresa conocida por controlar el hardware y software de sus productos (y que ya había implementado sus propios diseños de silicio en dispositivos móviles con iOS).
El cambio de Apple parece haber sido un gran éxito. A partir de principios de 2024, la empresa ha progresado hasta su línea de tercera generación de chips M3.
Quizás inspiradas por el éxito de Apple, más empresas están saltando a la pelea por el silicio personalizado, lo que incluye competidores como Google y Microsoft, y otros pesos pesados tecnológicos como Amazon, Tesla y NVIDIA. Los chips ya no son simplemente dominio de Intel, AMD y Qualcomm. Ahora, pueden ser específicos para el usuario final (p. ej., silicio personalizado para AWS, silicio personalizado para Google, silicio personalizado para Apple, y similares).
Los chips personalizados de Apple marcan el camino
Apple hace tiempo ha empleado sus propios chips serie A en dispositivos iPhone e iPad, como el chip A17 Pro que se utiliza en el iPhone 15 Pro. Estos chips cuentan con una arquitectura ARM con elementos de CPU y GPU que pueden albergar nodos de procesamiento como aceleradores de IA. Esta arquitectura integrada y personalizada permite la optimización, y el ahorro de espacio y costos de ensamblaje. Desde que se diseñó el chip (es decir, sistema en chip o SoC) para cumplir con los requisitos específicos de Apple, la funcionalidad que no contribuya a estos requisitos se puede eliminar.
Apple logró mejoras de procesamiento y eficiencia energética, una experiencia de la cual se han valido en los chips de sus computadoras portátiles y de escritorio M1 a M3. Beneficios similares debieran ser posibles para otros en el ahora incipiente sector del silicio personalizado.
Por cierto, una enorme desventaja de diseñar sus propios chips de silicio personalizados es que uno es plenamente responsable del diseño final. La experiencia interna debe ser suficiente para satisfacer las necesidades de diseño y si una empresa no es tan competente como cree, esto puede resultar muy problemático. Sin embargo, con el éxito de Apple, otras empresas están realizando la transición al silicio personalizado.
Implementación generalizada de chips de silicio personalizados
Microsoft anunció el 15 de noviembre de 2023 que estaba desarrollando dos chips personalizados diseñados para ayudar con la carga de trabajo de IA interna: el acelerador de IA Azure Maia 100 y la CPU2 Azure Cobalt 100. Microsoft parece estar contento con los primeros resultados de estos chips. De acuerdo con el vicepresidente corporativo de desarrollo de productos de hardware de Microsoft, Wes McCullough, “estamos haciendo el uso más eficiente de los transistores en el silicio. Multipliquen esas ganancias de eficiencia en servidores de todos nuestros centros de datos y obtendrán una cifra bastante grande".
En la arena móvil, Google (que anteriormente usaba chips Qualcomm para sus teléfonos estrella Pixel) ahora usa su propio silicio. El primero de estos chips de silicio personalizados de Google fue la línea Pixel 6 de 2021 con el procesador Tensor. Al igual que con los chips para computadoras portátiles y centros de datos, su objetivo es aportar más recursos informáticos a un menor costo en términos de consumo de energía, al tiempo que abre nuevas capacidades. Al parecer, Google está contento con el rendimiento de su silicio personalizado hasta ahora. En 2023, Google anunció su chip de tercera generación, el Tensor G3. El G3 se puede ejecutar en el doble de los modelos de aprendizaje automático en dispositivos, como el chip Tensor de primera generación y los mismos modelos se han convertido en más sofisticados.
En los casos de Google y Microsoft, la historia es un poco diferente de la del enfoque propio de Apple. Los dos dispositivos Microsoft (Maia/Cobalt) están pensados exclusivamente para uso interno. Por otro lado, Google usa chips personalizados para diferenciar su línea Pixel de teléfonos inteligentes, pero aún es compatible con silicio que no sea de Google por medio de su sistema operativo Android de fabricante independiente.
Uno podría postular que las metodologías de Microsoft y Google significarán ganancias menos prominentes en todo el ecosistema que con el enfoque de Apple. Sin embargo, si la historia sirve de guía, es probable que Android o Microsoft brinde más flexibilidad al usuario final. Hay compensaciones en ambos lados.
ASIC personalizado: ¿cómo permitir un rendimiento similar al de una GPU en la periferia?
Hasta ahora, el silicio personalizado ha ofrecido una mejora incremental sobre el equivalente de silicio no personalizado. Hay beneficios reales, pero un procesador móvil Intel o Qualcomm tiene la capacidad nominal de hacer el mismo trabajo que un chip Apple Ax o Google Tensor, incluso si no está perfectamente optimizado para la tarea. En muchos usos de robótica e IA de vanguardia, es poco práctico implementar una configuración de procesamiento de CPU/GPU estándar desde un punto de vista de energía, espacio o precio. Una alternativa podría ser utilizar un circuito integrado específico para el uso, o ASIC.
Como el nombre lo sugiere, estos chips están diseñados para un propósito específico, como procesamiento o inferencia de imágenes. Compare esto con los SoC personalizados como Google Tensor, que están diseñados para funcionar con tipos específicos de hardware y tareas de procesamiento, pero son adecuados para muchos usos individuales. El paradigma de ASIC ultracentrado significa que se pueden obtener ganancias de rendimiento y eficiencia energética incluso mayores, con el costo de un alcance de procesamiento limitado.
Por lo tanto, un chip ASIC debiera tener la capacidad de realizar una tarea específica a un costo monetario y energético menor que un procesador de uso más general. Un chip ASIC permite aprendizaje automático y otras funciones costosas (en términos monetarios, de energía o espacio físico) en situaciones en las que de otro modo no sería práctico. El chip ASIC no siempre será la solución adecuada, pero es una posibilidad que se debe considerar.
Silicio personalizado: llegó para quedarse
Si bien predecir el futuro a largo plazo de la computación es normalmente algo descabellado, parece que la tendencia hacia el silicio personalizado ha llegado para quedarse en la próxima década. La combinación de ganancias de rendimiento y eficiencia energética es una gran victoria, y probablemente observaremos a más empresas adoptar este enfoque como usuario finales (p. ej., Apple, Google), junto con una expansión en el sector de diseño (p. ej., eInfochips que se especializan en chips personalizados) para satisfacer estas nuevas necesidades de silicio.
Los fabricantes que fabrican físicamente estos chips deben seguir adaptándose y, con más funciones integradas en un solo chip, las placas debieran volverse menos complicadas, menos costosas y más resistentes.
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