¿Los Apple M1 y M2 tienen chipset?

Alguno usuarios tienen una duda, y es cuán diferente es un sistema de Apple Silicon con respecto a un PC x86. Y lo cierto es que se parecen más de lo que imaginas. Sin embargo, aún quedan dudas como ¿los Apple M1 y M2 tienen chipset? ¿no lo necesitan? Pues bien, vamos a ver todo esto para que lo tengas más claro…

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Introducción al chipset

Las placas base de los ordenadores fueron evolucionando, desde aquellas simples PCBs donde se incluían una decena de chips básicos, hasta las modernas PCBs que incluyen capas y capas de interconexiones, centenares de componentes electrónicos SMT y muchos chips bastante complejos.

Al principio los desarrolladores de computadoras personales usaban chips controladores para manejar los periféricos que incluían estas máquinas primitivas, como los teclados, unidades de cinta o disquete, etc. Sin embargo, con la llegada del IBM PC, se tuvo que tomar una medida para aumentar la velocidad y hacer que más componentes de distintos fabricantes fueran compatibles con un mismo equipo.

Otras arquitecturas, incluida la PowerPC en la que se basaron las generaciones anteriores de Mac, y por supuesto los Mac basados en chips Intel, también siguieron estos mismos pasos.

Esto supuso el desarrollo de chips con mayor grado de integración y el surgimiento de lo que hoy conocemos como chipset, compuesto hace años de dos unidades fundamentales:

• Northbridge: el puente norte era el chip más complejo de los dos que integraban el chipset. Éste se encontraba más cerca del procesador y se comunicaba con la CPU a alta velocidad. Integraba los controladores de memoria y también los gráficos a través del slot AGP, por ejemplo. Es decir, para acceder a la memoria RAM o para comunicarse con la GPU, la CPU debía pasar a través del Northbridge.
• Southbridge: el puente sur solía estar más alejado de la CPU, y era un chip algo menos complejo y más pequeño que el NB. Además, por lo general, mientras que el NB necesitaba refrigeración pasiva, el SB no necesitaba ningún tipo de refrigeración. Desde él se enlazaban con la CPU los dispositivos de menor velocidad, como puede ser Ethernet, el audio, puertos paralelo y serie, buses como el PCI, ISA, etc. Además, hay que decir que el camino del SB también pasaba a través del NB.

En aquella época, los desarrolladores de chipsets eran independientes a los de la CPU. Por ejemplo, podías encontrar chipsets Intel o AMD, pero también los había VLSI Technology, ALi, NVIDIA, ATI, VIA Technologies, etc.

Poco a poco cada vez más procesadores comenzaron a integrar más partes en el mismo chip para aumentar el rendimiento:

1. La FPU o coprocesador matemático pasó a formar parte de la propia CPU, mientras antes se insertaba en una tarjeta aparte.
2. La memoria caché también insertada como módulo se integró en la CPU.
3. Después se incrustaron otras partes del northbridge en la CPU como el controlador de memoria o MMU para que la CPU pudiera comunicarse directamente con la memoria RAM.
4. Tras eso aparecieron también otras unidades que directamente absorbían todo el northbridge dejando solo el southbridge en la placa base. Por ejemplo, ahora la CPU no solo tiene el controlador de memoria, también los controladores de carriles PCIe.

Hay que decir que fue VLSI Technology la empresa que había intentado producir un chipset para la primera Mac de Apple, aunque sin éxito. No obstante, sí que suministró chipsets o conjuntos de chips para modelos posteriores con procesadores PowerPC.

Toda esta carrera por la máxima integración posible también condujo al desarrollo del SoC (System on a Chip), donde también se han integrado las funciones del propio chipset. Además, en muchos dispositivos no existe tanto espacio como para albergar chips separados, como en los dispositivos móviles.

Esto ya comienza a responder tu pregunta. Y es que en los dispositivos móviles Apple basados en SoCs A-Series, no existen chipsets, ya que todo está integrado en un mismo chip monolítico, tanto la CPU, como la GPU, el sistema de sonido, modem de comunicaciones, controladores, etc. Y esto mismo también se ha heredado para los chips de ordenadores como la M-Series de Apple.

Si puedes ver un dieshot de un chip Apple M1, por ejemplo, podrás comprobar que todas las secciones a las que Apple llama Fabric son las que reemplazan al chipset tradicional. Y es que estas mallas de interconexión son las encargadas de permitir la comunicación entre las diferentes unidades.

Es decir, tanto esto que Apple llama Fabric como el chipset convencional, se podría considerar como una especie de bulbo raquídeo de nuestro cuerpo, si comparamos la CPU con el cerebro. Se encargará de ramificar e interconectar todo lo que se necesita, y lo hará de una forma más eficiente energéticamente y con menor latencia que un chipset tradicional, ya está integrado en el mismo chip.

Por ejemplo, los chips M-Series, en ese Fabric como lo denomina Apple no solo incluyen los controladores de memoria RAM, también otros controladores para periféricos como puede ser el controlador para Thunderbolt.

Aunque los detalles de Fabric son vagos, se cree que cada una de sus áreas funcionales principales está a cargo de su propio núcleo ARM, que se asemeja a una versión reducida de los núcleos Efficiency (Icestorm) del M1 original. Estos cargan su propio firmware durante el arranque del hardware de la M-Series, lo que ha permitido a Apple abordar las deficiencias iniciales en su comportamiento sin tener que cambiar el propio Fabric a nivel físico. Se cree que el Fabric del M1 original probablemente contiene hasta una docena de estos núcleos ARM.

Los chips M1 Pro y Max han mejorado mucho a Fabric en comparación con el M1 original, lo mismo para el M2. Esto les permite admitir más memoria, GPU más rápidas, más pantallas y ofrecer tasas de transferencia más altas con el SSD interno, que casi se ha duplicado de alrededor de 4 GB/s a más de 7 GB/s. Sin estas mejoras en el rendimiento de Fabric, gran parte del potencial de las nuevas CPU y GPU no se habría materializado. Fabric es el héroe desconocido y anónimo de la serie M de Apple.

Mientras tanto, las placas base de PCs convencionales todavía dependen en gran medida de conjuntos de chips o chipset, aunque ya no es realmente un conjunto, sino que simplemente se basan en un solo chip que Intel denomina PCH (Platform Controller Hub). En el caso de AMD, parece que se está moviendo más rápidamente hacia el diseño SoC, integrando la GPU en sus APUs, y con su propio «Fabric».

¿Qué es el PCH?

Aunque se sigue denominando chipset, lo cierto es que el nombre más correcto es PCH (Platform Controller Hub). Este chip que sigue siendo independiente de la CPU contiene ahora todas esas funciones que no han sido absorbidas por la CPU hasta el momento. Básicamente es un southbridge, pero que ya no tiene sentido denominarlo así.

Es importante aclarar que este es el motivo por el cual el PCH o Chipset de la placa base se comunica con el procesador a través de una interfaz PCI Express en AMD o DMI si hablamos del caso de Intel.

Debido a que todo procesador necesita una placa base a la que ir conectado para funcionar, esto les permite a los fabricantes lanzar diferentes PCH con diferentes capacidades en cada generación de procesadores, para así conseguir chipsets de gama baja, media y alta, según las necesidades de cada usuario. Hay que decir que en el caso de un SoC, como el de Apple, si quisieses actualizar las especificaciones de la placa base no sería posible, ya que también implicaría sustituir el SoC y tampoco tienes posibilidades para elegir, ya que te tienes que conformar con lo que te da Apple…

Entre las capacidades más destacadas del PCH están:

• Dar soporte para el overclocking de la memoria RAM y de la CPU.
• Proveer de carriles adicionales a los que soporta la CPU.
• Incluir otros tipos de interfaces, como puede ser PCI, USB, SATA, etc.

Obviamente, no todas las placas base son iguales y usan todas las características de un PCH o chipset. Esto ya depende del propio fabricante de la placa base aprovechar todas las interfaces del chipset o solo algunas.

SoC

Ya que hemos visto que Apple no usa actualmente chipset como tal, sino que sigue un diseño SoC con ese Fabric del que hemos hablado, vamos a ver qué es exactamente un SoC, qué funciones hace, y más.

¿Qué es un SoC?

Un SoC o System on a Chip, como su propio nombre indica, es un sistema en un solo chip. Quizás se parece más a una MCU o microcontrolador. Y es que integra no solo la CPU, también otros elementos adicionales, como controladores y demás. Eso sí, existe una gran diferencia con una MCU, ya que las unidades MCU suelen tener un rendimiento muy limitado, mientras los SoCs suelen crearse para ofrecer un alto rendimiento, además de integrar más funciones.

Como sugiere el nombre, un SoC es un sistema de procesamiento completo contenido en un solo chip monolítico. Y esto incluye CPU, GPU, controladores de memoria RAM, otras unidades de procesamiento o aceleradores como pueden ser NPU, DSP, así como memoria, modems o adaptadores de red (5G, WiFi,…), controladores de distintas interfaces (USB, DisplayPort, Thunderbolt, HDMI, PCIe, SATA,…), etc.

La combinación de múltiples componentes en un solo chip ahorra espacio, costos y consumo de energía, además de conseguir una mejor latencia. Esa es la función principal de un SoC, aunque también es cierto que lo de los costos es cuestionable, ya que a medida que se integran más y más unidades en un solo chip monolítico, esto hace que el tamaño del dado crezca, reduciendo el yield y encareciendo su producción bastante. Es por eso que ya se piensa en chiplets o diseños de empaquetado 3D para superar estos problemas.

Funciones del SoC

En la siguiente lista puedes ver las unidades que componen un SoC, aunque puedne variar de un diseño a otro:

• Unidad central de procesamiento (CPU): es el cerebro del sistema, ya que se encargará de ejecutar el software. En el caso de los Apple Silicon incluyen una arquitectura heterogénea con núcleos de alto rendimiento llamados Firestorm y otros núcleos eficientes denominados Icestorm.
• Unidad de procesamiento de gráficos (GPU): maneja tareas relacionadas con gráficos, generando o renderizando gráficos 2D o 3D. Y, por supuesto, ésta a su vez estará comandada por la CPU. Apple ha desarrollado su propia GPU a partir de la base aportada por Imagination Technologies y su GPU PowerVR, aunque no existen demasiados datos.
• Unidad de procesamiento de imágenes (ISP): en algunos SoCs también se incluye este tipo de unidad que se encarga específicamente del procesamiento de imágenes de la cámara integrada o del vídeo.
• Procesador de señal digital (DSP):  maneja funciones más intensivas matemáticamente que una CPU, especialmente sumas y multiplicaciones. Gracias a él se puede acelerar tareas como la compresión y descompresión de archivos, actuar como procesador de sonido, o encargarse de analizar datos provenientes de sensores.
• Unidad de procesamiento neuronal (NPU): es una unidad neuronal artificial para acelerar las aplicaciones de aprendizaje automático o IA, que cada vez son más populares. En el caso de Apple incluye NPU llamada Neural Engine. Por ejemplo, podría ocuparse de tareas como el reconocimiento de voz, funciones para mejorar la imagen mediante IA, etc.
• Codificador/descodificador de video: maneja la conversión eficiente de archivos y formatos de video. Por ejemplo, en los Apple M-Series tienes ProRes.
• Módems: convierte las señales inalámbricas en datos, o viceversa, para posibilitar las comunicaciones. Los componentes pueden incluir módems 4G LTE, 5G, WiFi y Bluetooth, etc.
• Interfaz de memoria: esto sirve para alimentar todas las unidades de procesamiento del SoC con memoria, para hacer accesos de escritura o lectura de forma rápida. Puede haber una interfaz o más de una, con soporte para tecnologías como puede ser DDR4, DDR5, LPDDR5, etc.
• Fabric: también se incluyen mallas para interconectar de forma rápida y eficiente las distintas unidades dentro del SoC e incluso con las de fuera.

Estas son algunas de las cosas elementales que suelen integrar, aunque pueden ser más o menos, dependiendo del modelo.

Ejemplos de un SoC

Ahora que tenemos una breve descripción general de lo que es un SoC, echemos un vistazo a algunos ejemplos, ya que no es solo Apple la que está creando estos SoCs:

• Apple A-Series y M-Series
• Qualcomm Snapdragon
• Samsung Exynos
• HiSilicon Kirin
• MediaTek Helio y Dimensity
• Intel para NUC o CULV
• AMD G, R-Series, etc.
• Google Tensor G-Series
• NVIDIA Tegra
• Otros

Todos ellos sin necesidad de tener un chipset, muchos destinados a dispositivos móviles, pero también para portátiles, equipos de sobremesa, miniPCs, etc.