PlayStation

¿Por qué el diseño industrial de PS5 es nefasto?

Diseño de PS5

Uno de los temas que más están dando a hablar en los últimos días tiene que ver con el metal líquido en PS5. El cual se utiliza para refrigerar el procesador de la consola, es decir, su chip principal. El cual alcanzaría temperaturas muy altas, producto de alcanzar velocidades de reloj por arriba de lo que se había puesto originalmente en la especificación.

PS5 SoC Metal Líquido

¿Conocéis algún SoC del mismo tipo que requiera ser refrigerado a través de un sistema tan complejo como es el uso de una aleación de galio? Pensadlo bien, incluso las tarjetas gráficas más potentes de AMD y NVIDIA, que consumen por sí mismas mucho más que cualquiera de las dos consolas de nueva generación, no hace uso de este sistema. ¿A qué le lleva a SONY a emplear este método? La explicación es muy sencilla y es por ello que he decidido contarlo, para que no os engañen acerca de este problema, el cual tiene el potencial de convertirse en las tres luces rojas de SONY.

Misma arquitectura, pero distintas especificaciones

Si comparamos PlayStation 5 y Xbox Series X nos encontraremos con que ambas comparten dos puntos en común:

  • Una CPU de arquitectura Zen 2 de AMD con 8 núcleos y a velocidades por encima de los 3 GHz.
  • Una GPU integrada en el mismo chip basada, según AMD, en su arquitectura RDNA 2.

No voy a entrar en el grado de RDNA 2 que tienen cada una de los dos chips, pero sí que voy a entrar en la cantidad de núcleos que tienen ambas gráficas. Mientras que PS5 utiliza una configuración de 36 núcleos para la gráfica, en Xbox Series X es de 52. Esto significa que el chip de la consola de Microsoft es mucho más grande y caro de fabricar, pero el sistema de SONY requiere velocidades de reloj mucho más altas para alcanzar el mismo rendimiento gráfico.

PS5 GPU Smartshift

Uno de los fenómenos que está ocurriendo en el mundo de los semiconductores es la llamada fin de la Ley de Moore, y este consiste en que el coste de las obleas ha ido subiendo con cada proceso de fabricación. Es decir, podemos hacer chips más pequeños o complejos, pero al contrario de antes, el coste por mm2 ha aumentado y el planteamiento de SONY ha pasado a ser pagar lo mismo por cada chip, por lo que este es cada vez más pequeño.

No obstante, si yo digo que el diseño industrial de PS5 es nefasto, muchos pueden pensar que me estoy refiriendo la estética del mismo, pero en realidad a lo que me refiero es a la funcionalidad, no si ve bonita o fea la consola a ojos del espectador. Es por ello que considero necesario explicar de manera objetiva y científica el problema.

¿Cuál es el problema con el que se está enfrentando SONY?

Una vez os hemos explicado la relación entre la velocidad de reloj y la potencia térmica de un chip, el calor generado por el mismo, y como funcionan los sistema de reducción del mismo, vayamos a lo que nos interesa y no es otra que la polémica del metal líquido de PS5. Provocada por el hecho que poner la consola en vertical hace que este se derrame y partes del chip dejen de recibir la refrigeración adecuada.

Esto hace que muchas de las consolas se estén llevando a reparar y ha creado un ambiente tóxico debido a la estrategia de SONY del silencio absoluto, por un lado, y de la hipérbole negativa por el otro. Es decir, de los problemas que no interesa no se habla y como no se habla no existen, pero cuando llegan a un volumen donde la mierda ya sale por todos lados es cuando ya no se puede parar.

La relación entre la velocidad de reloj y el TDP

El chip de la PS5 tiene una gráfica integrada con la capacidad de llegar a picos de 2.23 GHz de velocidad, la de Xbox Series X tiene una velocidad estable de 1.825 GHz, ya que no tiene la capacidad de subirse en momentos puntuales, manteniendo su TDP estable, en cambio, sobre el chip de PS5 no sabemos cuál es la velocidad de reloj que alcanza cuando no existen dichos acelerones.

No vamos a entrar de momento en una comparativa entre las especificaciones de ambas consolas, pero es importante tener en cuenta que el TDP que es el calor generado por el chip en vatios se mide teniendo en cuenta la suma de tres elementos:

  • Las fugas de potencia, recordemos que el sistema perfecto en rendimiento no existe en ninguna parte del universo, solo sobre el papel y en condiciones de laboratorio concretas.
  • La potencia estática, la cual es independientemente de la velocidad de reloj y el voltaje.
  • La potencia dinámica que dependerá de la velocidad de reloj y el voltaje.

A día de hoy se utilizan técnicas como dejar partes del chip inactivas con tal de incluso estando sin usar, no sumen ni a las fugas de potencia y tampoco a la potencia estática. Por ejemplo, si no hay ninguna escena de vídeo, entonces se apaga la circuitería encargada de realizar dicha tarea. No obstante, nos vamos a centrar en la potencia dinámica.

Potencia dinámica

A la hora de dar el TDP de un procesador se tiene en cuenta la potencia dinámica, ya que existen las siguientes relaciones:

  • El voltaje es lineal a la velocidad de reloj y, por tanto, si lo reducimos también lo hará la cantidad de GHz o MHz que puede alcanzar un chip, es decir, un procesador, una memoria o una interfaz.
  • Por otro lado, el voltaje tiene una relación cuadrática con el TDP.

Todo ello se resume en la fórmula:

Potencia dinámica = C * f * V2

Donde:

  • C es la capacitancia o la capacidad de mantener la carga de los transistores. Esta depende de las propiedades del nodo de fabricación empleado y con cada nuevo nodo el valor de la misma va bajando.
  • f es la frecuencia o la velocidad de reloj a la que funciona el chip
  • V es el voltaje.

Dado que este es un fenómeno que se repite en todos los chips, que mejor que echarle un vistazo a la clásica curva del MSI Afterburner para las tarjetas gráficas, la cual nos explica la relación entre la velocidad de reloj y el voltaje.

No es la curva del chip de PS5

Como se puede ver, a medida que aumentamos el voltaje lo hace la velocidad de reloj máxima, pero se llega al punto en que cada vez es más difícil subir la velocidad y cada vez se requiere más voltaje. Con ello ya habréis llegado a la conclusión de lo que ocurre cuando una velocidad de reloj es mucho más alta de lo normal, que es lo que ocurre con el chip central de la PS5.

Entendiendo los sistemas de reducción de temperatura

Cuando se diseña un procesador, uno de los mayores desafíos es el llamado TDP, el cual es una medida que nos indica cuanto calor libera el chip al funcionar a ciertos voltajes y velocidades de reloj. Este además nos dirá cuál es la capacidad de disipación del calor necesaria

Estos se calcula con la siguiente fórmula:

OJA = (TJ-TA/TDP)

Donde:

  • OJA es la resistencia térmica del dispositivo encargado de disipar el calor.
  • TJ es la temperatura de unión.
  • TA es la temperatura ambiente.
  • TDP es la potencia disipada, es decir, el llamado TDP de la solución completa.

Si a la fórmula le damos la vuelta entonces obtenemos la siguiente:

TDP (Max) = (TJ (Max) – TA / OJA)

Ahora veamos cada uno de los elementos de ambas fórmulas.

Resistencia térmica

La resistencia térmica, y esta se define como la diferencia en temperatura entre lo que es el chip y el empaquetado en el que se encuentra instalado. El valor nos dice cuanto calor puede disipar el sistema de refrigeración que se ha montado sobre el chip. Por lo que el valor va a variar dependiendo de lo que hayan escogido quienes han diseñado el sistema. Esta se expresa en °C/W y su relación directa se encuentra con el disipador de calor encima del procesador.

Heatsink y resistencia térmica

Si comparamos PlayStation 4 en su modelo de lanzamiento con el actual modelo de PS5, veremos que el tamaño del heatsink de la generación anterior.

Es mucho más pequeño que el de la actual.

La relación en cuanto a resistencia térmica y el heatsink del sistema es clara, y depende de dos factores. El primero de ellos es el material utilizado, ya que no todos los metales y aleaciones tienen la misma capacidad de conductividad del calor, pero tampoco el mismo coste. Por ejemplo, el cobre es el mejor material seguido del aluminio, pero el coste del segundo hace que sea un estándar en la industria, puesto que en comparación es relativamente barato.

Como se puede ver la resistencia térmica es más baja, cuanto más grande es el área del disipador de calor o heatsink. La importancia de que este valor sea bajo lo entenderéis mucho mejor cuando hablemos de la temperatura de unión, donde entonces os quedará totalmente clara la relación.

Ventilador y resistencia térmica

Y aquí hemos de añadir un elemento adicional a la explicación que os he dado antes y es que la resistencia térmica cambia dependiendo del flujo de aire disponible, el cual se da en dos valores distintos:

  • LFM que nos indica la velocidad a la que se mueve de aire en un minuto.
  • CFM que nos indica la cantidad de aire que puede mover en un minuto.

En realidad ambas están relacionadas, ya que a más velocidad funcione un ventilador más aire acabara moviendo. Aunque esto tiene un problema asociado, un ventilador pequeño va a necesitar un valor LFM más alto y esto conlleva a que haga mucho más ruido.

Ventilador PS5

Sin embargo, si medimos el ventilador de la consola veremos que este mide 120 mm de diámetro, como los estándares para PC. ¿El problema? Su altura es el doble que uno convencional, 45 mm, ya que es así como consigue mover un mayor volumen de aire para aumentar la resistencia térmica de la consola.

Temperatura ambiente

La temperatura ambiente es fácil de entender, pero esta no se refiere a la temperatura en la habitación, sino dentro del entorno en el que se encuentra el chip y por la leyes de la termodinámica, la transferencia de calor del aire viejo y recalentado se transmitirá al aire nuevo que va entrando dentro del sistema para mantener al sistema en una temperatura estable.

Es por ello que en el diseño de cualquier sistema primero se realiza el diseño industrial de la caja y su sistema de refrigeración y posteriormente el chip. El motivo es que los diseñadores de este último no solo necesitan saber el tamaño del chip de cara a la producción, también el consumo energético y la capacidad de disipación de las altas temperaturas del sistema. .

Temperatura de unión

Por otro lado, la temperatura de unión se refiere a la temperatura a la que funciona el chip. La cual por lo general es mucho más alta que la temperatura ambiente, dado que si no fuese así no requeriríamos mecanismos de reducción de la temperatura.

No se trata de la temperatura que alcanza el chip con su encapsulado, sino con el chip desnudo, ya que el tipo de encapsulado y su naturaleza formará parte de la disipación térmica, y es un punto importante en el diseño global del sistema. Esta tiene su propia fórmula para calcularse, la cual es la siguiente:

TJ = Ta + (PD * OJA)

Es decir, no solo la temperatura ambiente influye, sino también la resistencia térmica del encapsulado del chip y el TDP que depende de la velocidad de reloj y el voltaje. Tened en cuenta lo que hemos dicho antes que el OJA mide la capacidad de disipación por vatio generado.

El motivo real de la escasez de consolas

Esto es algo que los medios no os dirán en ningún momento a la hora de hablar del motivo por el cual faltan consolas PS5 en las tiendas pese a la alta demanda. Cuando se fabrica un chip en una oblea nos encontramos que muchas veces no todos alcanzan las velocidades de reloj que se espera. ¿Se descartan? No, en el mundo del PC se etiquetan como un chip menos potente y se venden a un precio más bajo relativo a su rendimiento. En consolas es distinto, ya que las especificaciones son cerradas y, por tanto, todo chip aunque 100% funcional que no alcance ciertas cifras se descarta.

PS5 Motherboard 1

La razón por la cual el chip de PS5 es más pequeño es para que salgan más por oblea, no obstante esto se ve desafiado cuando subimos la velocidad de reloj por encima de lo normal. Es decir, chips para la nueva consola de SONY totalmente funcionales salen en gran cantidad, pero no todos son aptos para ir a la consola.

¿Y a dónde van? Pues AMD, que es el proveedor, los está utilizando para montar sistemas de minería como el que veis en la siguiente imagen:

ASRock BC-250

Este no es el mismo caso que con el AMD 4700S que tienen la gráfica inactiva, ya que se utilizan para minar Ethereum y, por tanto, esta ha de ser totalmente funcional o al menos serlo parcialmente. Es más, en estos sistemas se suele hacer un ejercicio de bajar el voltaje para reducir el consumo energético, por lo que no son necesarios los chips que alcancen grandes velocidades de reloj. De ahí a que sea lógico pensar que no son aptos para PS5.

Habrá un rediseño de PS5 más pronto de lo que os pensáis

Los que me conocéis sabéis que llevo tiempo hablando de este tema, pero es como decir que el agua moja. A SONY le interesa que AMD vuelva a la mesa de diseño para crear una versión del chip principal de PS5 que alcance ciertas velocidades de reloj con un voltaje mucho más bajo. ¿Para qué? Pues para que el TDP disminuya, con ello, la temperatura de unión y no sea necesario el metal líquido y tampoco un sistema de refrigeración tan avanzado para mantener fresco el chip.

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n0ta
n0ta
8 months ago

Muy informativo y claro.Gracias Urian

Txemi
Txemi
8 months ago

Qué yo sepa el metal líquido se viene usando desde hace tiempo en PCs. No es algo que se haya sacado de la manga Sony. Y lo del rediseseño ya se dijo hace tiempo.
También se están vendiendo los procesadores que no cumplen las especificaciones de Microsoft.
Una vez más veo que comentas una noticia negativa de Sony aportando fórmulas pero no datos tangibles.
Luego hablamos de FUD y sonyers retardados.

Over
Over
8 months ago

Sobre esto habló la propia Sony. Al decidir especificaciones eligieron entre más GPU o más frecuencia, y optaron por lo segundo (seguramente porque a pesar de la refrigeración pija, sale más barato).

No es un problema de diseño, sino de cumplir objetivos de rendimiento con un ligero ahorro de costes tirando por frecuencia.

Steven
Steven
8 months ago

Muy interesante creo que usando 6nm y mas cache algún retoque en caches bajan consumo

Charli
Charli
8 months ago

El otro gran fallo que tiene ps5 en su diseño, es el ssd incrustado en la placa, el youtuber sdfxshow, llamo al servicio tecnico, y le dijeron que era muy comun el fallo del ssd, fuera de garantía 270 euros, y sony hace pasar la ps5 por un juguete para dar solo 1 año de garantía, menuda estafa, este tipo cacharrea y explicaba que lo del ssd solo lo puede arreglar sony, que puso en el slot de ampliación otro ssd y que de ahi tampoco, a lo mejor mediante software se podria arrancar desde ahi, pero ya estas obligado a comprar otro ssd para arreglar lo del kraken estropeado, vamos un fail en toda regla, o como gana sony dinero con el arreglo estafando a los usuarios.

Alberto
Alberto
8 months ago

Que yo sepa, el metal liquido o cualquier material termico que hace de TIM no se desliza por gravedad cuando IHS y heatsink estan apretados, eso no funciona asi.
Si se critica el hecho de que gente diga que el metal se corre, es porque fisicamente es una afirmacion mal fundamentada, si el metal liquido fuera tan impractico como para que la vibracion y gravedad lo hicieran deslizarse de su lugar de trabajo, no seria utilizado como TIM en primer lugar, y es que es una solucion que incluso laptops han introducido mucho antes que Sony. Mas nunca he visto polemicas al respecto sobre como «el metal liquido no sirve porque se sale por los lados», siendo que las portatiles se cargan en vertical para transportarlas.
Y es que es muy simple, si la funcion del TIM solo es cubrir imperfecciones microscopicas entre superficies aparentemente lisas, no tiene ningun sentido que cuando se aprete el conjunto con tornillos, la aleacion de galio se salga de dichas porosidades, siendo que esta atrapado y apretujado. Ese es el que creo el bulo que se repite y por el cual la gente se queja del FUD por el metal liquido.

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[…] tenía pensado hacer Feedback de la entrada del diseño de PS5, más que nada por la falta de tiempo, pero debido a que me relaja escribir y me permite hacer […]

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