El silicio personalizado está aquí: beneficios hoy y en el futuro

En 2020, Apple dio el salto de los procesadores de Intel a sus propios chips de silicio personalizados, la serie M1. Fue un movimiento dramático pero no del todo inesperado de una empresa conocida por controlar el hardware y el software de sus productos (y que ya había implementado sus propios diseños de silicio en dispositivos móviles con iOS).

El movimiento de Apple parece haber sido un gran éxito. A principios de 2024, la empresa ha avanzado a su línea de tercera generación de chips M3.

Quizás inspirados por el éxito de Apple, más empresas están incursionando en el ámbito de los semiconductores personalizados, incluidos los competidores Google y Microsoft, y otros grandes actores tecnológicos como Amazon, Tesla y NVIDIA. Los chips ya no son exclusivamente el dominio de Intel, AMD y Qualcomm. Ahora, pueden ser específicos para el usuario final (por ejemplo, AWS custom silicon, Google custom silicon, Apple custom silicon, y similares).

Apple ha empleado durante mucho tiempo sus propios chips de la serie A en los dispositivos iPhone y iPad, como el chip A17 Pro utilizado en el iPhone 15 Pro. Estos chips cuentan con una arquitectura ARM con elementos tanto de CPU como de GPU que pueden adaptarse a nodos de procesamiento como aceleradores de IA. Esta arquitectura integrada y personalizada permite la optimización y ahorros en espacio y costos de montaje. Dado que el chip (es decir, system-on-chip, o SoC) está diseñado para cumplir con los requisitos específicos de Apple, la funcionalidad que no contribuye a estos requisitos puede eliminarse.

Apple logró mejoras en el procesamiento y la eficiencia energética, una experiencia que han aprovechado en sus chips de laptops y escritorios M1 a M3. Beneficios similares deberían ser posibles para otros en el ahora floreciente espacio de semiconductores personalizados.

Por supuesto, una gran desventaja de diseñar tus propios chips de silicio personalizados es que eres completamente 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 ser, esto puede ser enormemente problemático. No obstante, con el éxito de Apple, otras empresas están haciendo la transición hacia silicio personalizado.

Microsoft anunció el 15 de noviembre de 2023 que estaba desarrollando dos chips personalizados diseñados para ayudar con su carga de trabajo de IA interna: el Azure Maia 100 AI Accelerator y el Azure Cobalt 100 CPU2. Microsoft parece satisfecho con los primeros resultados de estos chips. Según Wes McCullough, vicepresidente corporativo de desarrollo de productos de hardware de Microsoft, “Estamos haciendo el uso más eficiente de los transistores en el silicio. Multiplique esas ganancias de eficiencia en servidores en todos nuestros centros de datos, y eso suma una cifra bastante grande."

En el ámbito móvil, Google—que anteriormente dependía de los chips de Qualcomm para sus teléfonos insignia Pixel—ahora utiliza 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 portátiles y centros de datos, su objetivo es aportar más recursos de computación a un costo menor en términos de consumo de energía, mientras se abren nuevas capacidades. Parece que Google está satisfecho con el rendimiento de su silicio personalizado hasta ahora. En 2023, Google anunció su chip de tercera generación, el Tensor G3. El G3 puede ejecutar más del doble de modelos de aprendizaje automático en el dispositivo en comparación con el chip Tensor de primera generación, y los modelos en sí mismos se han vuelto más sofisticados.

En los casos de Google y Microsoft, la historia es un poco diferente al enfoque propietario de Apple. Los dos dispositivos de Microsoft (Maia/Cobalt) están destinados completamente para uso interno. Por otro lado, Google utiliza chips personalizados para diferenciar su línea de smartphones Pixel, pero aún apoya ampliamente el silicio no desarrollado por Google a través de su sistema operativo Android, el cual es independiente del fabricante.

Se podría postular que las metodologías de Microsoft y Google significarán ganancias menos prominentes en todo el ecosistema en comparación con el enfoque de Apple. Sin embargo, si la historia sirve de guía, Android/Microsoft probablemente ofrecerá más flexibilidad para el usuario final. Hay compromisos en cualquier caso.

Hasta ahora, el silicio personalizado ha ofrecido una mejora incremental en comparación con su equivalente no personalizado. Existen beneficios reales, pero un procesador móvil de Intel o Qualcomm es nominalmente capaz de realizar el mismo trabajo que un chip Apple Ax o Google Tensor, incluso si no está perfectamente optimizado para la tarea. En muchas aplicaciones de robótica y AI en el edge, resulta poco práctico implementar una configuración estándar de CPU/GPU desde el punto de vista de energía, espacio y/o precio. Una alternativa podría ser utilizar un circuito integrado específico para aplicaciones, o ASIC.

Como su nombre lo indica, estos chips están diseñados para un propósito específico, como el procesamiento de imágenes o la inferencia. Contrástese esto con SoCs personalizados como Google Tensor, que están diseñados para trabajar con tipos específicos de hardware y tareas de procesamiento, pero son adecuados para muchas aplicaciones individuales. El paradigma ultraenfocado de los ASIC significa que se pueden lograr incluso mayores mejoras en rendimiento y eficiencia energética, a costa de un alcance de procesamiento limitado.

Por lo tanto, un chip ASIC debería ser capaz de realizar un trabajo específico a un costo monetario y energético menor que un procesador de propósito general. Un chip ASIC permite el aprendizaje automático y otras funcionalidades costosas (en términos de dinero, energía y/o espacio físico) en situaciones donde de otro modo sería impráctico. El chip ASIC no siempre será la solución adecuada, pero es una posibilidad a considerar.

Aunque predecir el futuro a largo plazo de la informática generalmente resulta ser una tarea inútil, la tendencia hacia el silicio personalizado parece mantenerse en la próxima década. La combinación de mejoras en el rendimiento con eficiencia energética es un gran avance, y es probable que veamos más empresas adoptar este enfoque como usuarios finales (por ejemplo, Apple, Google), junto con una expansión en el espacio de diseño (por ejemplo, eInfochips especializada en chips personalizados) para satisfacer estas nuevas necesidades de silicio.

Los fabricantes que producen físicamente estos chips deben continuar adaptándose, y con más funcionalidad integrada en un solo chip, las placas deberían volverse menos complicadas, menos costosas y más robustas.