Cómo elegir el procesamiento de un dispositivo electrónico

Elegir la arquitectura de procesamiento adecuada es una decisión clave en el diseño de un dispositivo electrónico, ya que condiciona su rendimiento, consumo, coste, seguridad y capacidad de evolución.

Una de las decisiones más criticas a la hora de diseñar un dispositivo electrónico que ejecutar algún tipo de lógica es la selección del elemento que llevará a cabo el procesamiento. Generalmente, esta decisión se toma cuando ya existe una especificación de requisitos funcionales y debe seleccionarse el tipo, e incluso la referencia, del elemento de procesamiento para el dispositivo. Aunque no es lo más frecuente, podría darse el caso de que el tipo de elemento de procesamiento, e incluso su referencia exacta, vengan dados por los requisitos de diseño.

Esta decisión condicionará el consumo, el coste, los plazos de desarrollo, las prestaciones y, en ciertos productos, la posibilidad de cumplir requisitos de seguridad y ciberseguridad. De ahí la importancia de conocer las opciones disponibles a la hora de seleccionar un tipo de elemento de procesamiento para aprovechar sus ventajas y minimizar sus desventajas, optimizando el resultado del diseño.

La oferta actual abarca desde pequeños microcontroladores hasta procesadores capaces de ejecutar sistemas operativos como Linux o Windows, lógica programable y módulos que integran sistemas completos. Para realizar una selección acertada es necesario comprender las diferencias entre los diferentes tipos de elementos de procesamiento y realizar dos preguntas: qué arquitectura necesita la aplicación y cómo debe integrarse físicamente en el producto.

• ¿MCU, MPU, FPGA, SoC MPSoC?
• Criterios para la definición de la arquitectura
• SoMs
• Seguridad y normativa desde el diseño
• Cómo seleccionar la arquitectura adecuada

¿MCU, MPU, FPGA, SoC MPSoC?

Un microcontrolador (MCU) integra procesador, memorias y periféricos en un circuito único. Suele tener un coste bajo o moderado y ser la opción natural para leer sensores, accionar motores, gestionar comunicaciones y ejecutar control con requisitos temporales definidos y exigentes. Puede funcionar sin sistema operativo o con un sistema operativo de tiempo real (RTOS), y actualmente existe un amplio rango de prestaciones y consumos disponible.

Un microprocesador (MPU) normalmente va acompañado de memoria externa y facilita el uso de sistemas como Linux, interfaces gráficas complejas, conectividad avanzada y aplicaciones que requieren más memoria. En general, presenta mayor capacidad de computación y consumo que un MCU.

Es importante remarcar que una CPU no es una alternativa a MCU o MPU: es la unidad que ejecuta instrucciones y puede estar presente en un MCU, un MPU o un SoC.

Una FPGA permite implementar circuitos digitales configurables. Resulta interesante cuando es necesario procesar datos en paralelo, trabajar con interfaces digitales especiales o controlar latencias con precisión. Pero exige herramientas y conocimientos de diseño hardware diferentes de las del desarrollo habitual de firmware y software.

El concepto System-on-Chip (SoC) es más amplio que los anteriores. Se aplica a un circuito integrado que reúne varios subsistemas electrónicos, como CPU, controladores de memoria, periféricos de comunicación, GPU, aceleradores de inteligencia artificial o procesadores especializados. Su objetivo es integrar funciones que, de otro modo, podrían requerir varios circuitos independientes.

Por su parte, un MPSoC combina varios recursos de procesamiento en un chip, que pueden incluir CPU de aplicaciones, núcleos de tiempo real, aceleradores y lógica programable (FPGA). Es una alternativa muy interesante para sistemas heterogéneos, pero debe tenerse en cuenta que puede añadir complejidad de integración y verificación.

CRITERIOS PARA AL DEFINICIÓN DE LA ARQUITECTURA

Rendimiento y memoria

Más allá de comparar frecuencias de reloj, hay que estimar el volumen de datos, la memoria utilizada y el ancho de banda necesario. El procesamiento de imágenes o la ejecución de modelos de inteligencia artificial pueden justificar un MPU con GPU o NPU, una adquisición digital muy rápida y paralela puede requerir una FPGA, pero algunos MCU también incorporan procesadores de señal e incluso aceleradores suficientes para realizar una inferencia ligera.

Tiempo real

Procesar rápido no equivale a responder siempre a tiempo. Un MCU con temporizadores, DMA e interrupciones bien diseñadas puede proporcionar un sistema determinista de alta velocidad si dispone de recursos suficientes. Y en caso de que se requieran canales paralelos de alta velocidad puede tener más sentido una FPGA. Sin embargo, un procesador con Linux convencional, por sí solo, no garantiza esos plazos.

Consumo

En dispositivos alimentados por batería importa la energía del ciclo completo, incluidos reposo, activaciones, cálculo y transmisión. Así, un MCU de bajo consumo suele ser la elección adecuada para sistemas que despiertan esporádicamente, pero la elección debe basarse en medidas experimentales representativas y en la valoración de los recursos disponibles y necesarios.

Interfaces e integración

La disponibilidad de ADC, PWM, CAN, Ethernet, USB o interfaces de cámara puede tener más peso en la decisión que la capacidad de una CPU. Conviene comprobar anchos de banda, asignación de pines y uso simultáneo de periféricos, ya que incorporar memoria externa o buses de alta velocidad también afecta al diseño del circuito impreso, al coste y a la compatibilidad electromagnética.

Software y vida útil

Una plataforma potente puede ser una mala elección si depende de software difícil de mantener o de un componente obsoleto o no es accesible tras un periodo de tiempo corto. Por este motivo deben valorarse la complejidad de las herramientas y el desarrollo software, así como la garantía de disponibilidad de los componentes a lo largo de todo el ciclo de vida del producto final.

SoMs

Un System-on-Module (SoM) puede ser una opción interesante a valorar aplicando los criterios anteriores, porque incorpora un procesador o SoC junto con memoria y circuitería auxiliar en una pequeña placa que se monta sobre otra. En ocasiones se utiliza el término MPSoM para módulos con plataformas multiprocesador.

Utilizar un SoM puede evitar parte del diseño de memorias como DDR, alimentación y señales de alta velocidad, reduciendo esfuerzo y riesgo de desarrollo. A cambio, aumenta habitualmente el coste unitario y la dependencia del proveedor. En series grandes puede compensar diseñar la placa completa, pero en volúmenes menores o con plazos ajustados, el SoM puede ofrecer mejor coste global.

SEGURIDAD Y NORMATIVA DESDE EL DISEÑO

Además de los criterios anteriores, se debe tener en cuenta la seguridad y la normativa aplicable porque la arquitectura diseñada deberá responder a los requisitos de su sector específico de aplicación. La seguridad funcional, definida por estándares como IEC 61508 o ISO 26262, puede exigir supervisión, diagnóstico, separación de funciones y mecanismos de transición a estados seguros. Un microcontrolador, por ejemplo, puede contar con prestaciones de seguridad que facilitan la implementación de estos requisitos, pero no certifica automáticamente el producto.

En la Unión Europea, Cyber Resilience Act (Reglamento UE 2024/2847) introduce obligaciones para los productos con elementos digitales incluidos en su ámbito. Esto implica que los equipos conectados tienen unos requisitos de ciberseguridad condicionados a la disponibilidad de arranque seguro, almacenamiento de claves, actualizaciones remotas autenticadas y soporte frente a vulnerabilidades. En este sentido conviene recordar que las obligaciones de notificación son aplicables desde septiembre de 2026 y los requisitos principales de la CRA estarán en vigor desde diciembre de 2027, pero también hay que comprobar las exclusiones y otras posibles normas sectoriales aplicables.

Además, deben valorarse, según el producto, los requisitos de compatibilidad electromagnética, equipos radioeléctricos y seguridad eléctrica. Por lo tanto, la legislación no suele imponer una familia concreta de procesadores, pero sí puede condicionar las capacidades hardware, los mecanismos software y las evidencias de verificación necesarias.

CÓMO SELECCIONAR LA ARQUITECTURA ADECUADA

A modo de conclusión, la arquitectura adecuada será aquella que mejor responda a los requisitos, y no tiene por qué ser única, puede haber opciones diferenciadas por matices más o menos relevantes.

Por este motivo, antes de seleccionar un elemento de procesamiento conviene definir las necesidades de procesamiento, memoria, interfaces, tiempo real, consumo y seguridad, junto con el coste objetivo, volumen de fabricación y vida útil prevista.

A partir de estos requisitos pueden compararse distintas arquitecturas, valorar el uso de módulos comerciales y realizar pruebas que permitan verificar las prestaciones bajo condiciones representativas.

La siguiente tabla resume las aplicaciones en las que estas alternativas suelen resultar especialmente interesantes.

La elección entre MCU, MPU, SoC, FPGA, MPSoC consistirá, por tanto, en encontrar el equilibrio entre prestaciones, complejidad, coste, seguridad y mantenibilidad que permita desarrollar un producto fiable y viable.