miércoles, 24 de septiembre de 2014

La importancia de los nanómetros en los procesadores

No son dientes, son los transistores que están en nuestros ordenadores. Algunos de ellos, claro, ya que se suelen encontrar en grupos de miles de millones en cada procesador. Concretamente 1.300 millones de ellos en el último chip de Intel, los Core M presentados este mismo mes de septiembre y que inauguran una nueva generación: Broadwell, los primeros con transistores en 14 nanómetros.
Y son precisamente los transistores y su proceso de fabricación los protagonistas del artículo de hoy: hablaremos del impacto de los nanómetros y su importancia en los nuevos productos. El último salto ha sido pasar de los 22 a los 14 de Broadwell, ¿qué implicaciones trae consigo esta evolución en nuestros próximos ordenadores?
La carrera de los nanómetros
Los transistores son la unidad mínima fundamental de un procesador, y en general de cualquier dispositivo electrónico. El transistor permite emular el comportamiento básico de un bit, con sus estados 0 y 1, según se permita o no el paso de la energía por él. Teniendo uno o más transistores se puede crear una puerta lógica para poder realizar sencillas operaciones matemáticas, y con una o más puertas lógicas se emulan operaciones básicas de bajo nivel, que son las que gestionan las instrucciones de código máquina.
El transistor permite emular el comportamiento básico de un bit, con sus estados 0 o 1 según pase, o no, energía por él.

La técnica actual ha permitido crear transistores que serían imposibles de ver sin los microscópicos electrónicos. Esos 14 nanómetros han sido precedidos por los 22, y antes por 32. Y 45, 65, 90... así hasta los 10.000 nanómetros (10 micrómetros) con los que empezaron los primeros chips Intel del mercado, los 4004 y 8008 de los años 71 y 72, los que comentaron la carrera de la arquitectura x86.
Evolución de las CPU Intel y sus transistores
Pero por supuesto no sólo las CPU tienen transistores. De hecho, prácticamente cualquier componente electrónico utiliza estos diminutos componentes, si bien las carreras suceden a diferente ritmo según sea la evolución y el interés de los diferentes fabricantes de cada categoría de producto.
Así pues en CPU Intel lidera el ranking con los 14 nanómetros de Broadwell, NVidia y AMD están a la par en procesadores gráficos, a punto de dar el salto a los 20 nanómetros, y es Crucial la compañía puntera (por ahora) en memoria NAND, con sus SSD MX 100 en 16 nanómetros. De igual forma, los SoC de smartphone y tablet también tienen su particular contienda, actualmente en 28 nanómetros pero con los 20 esperados para el 2015.
De cara al futuro los transistores seguirán siendo esenciales en nuestros ordenadores. Intel ya tiene programada la evolución a 10, 7 e incluso 5 nanómetros durante los próximos años, siguiendo su modelo tick-tock que explicaremos más adelante. Aunque por el gráfico arriba expuesto pueda parecer una mejora insignificante, un zoom sobre él nos permitirá afirmar que la evolución continúa:
Evolución de las CPU Intel y sus transistores
Mirando a un mayor largo plazo, el futuro de los transistores es aún incierto. La computación cuántica es una de las principales vías de investigación actuales. No obstante esta posibilidad se contempla a un futuro aún algo lejano, algunos dicen que diez años y otros hablan que dentro de varias décadas.
Las actuales investigaciones nos incitan a pensar que el futuro es la computación cuántica. Hay muchas dudas sobre cómo será esta evolución, que aún necesitará varias décadas para ser parte de nuestro día a día.
De 22 a 14 nanómetros, ¿qué cambios implica?
Cada vez que se presenta una nueva generación de procesadores con un salto en el proceso de fabricación, suceden el mismo conjunto de mejoras en el rendimiento final, lo que al fin y al cabo los usuarios vemos y 'palpamos':
El más representativo es que, en general, se produce una mejora global en el rendimiento. En otras palabras: los nuevos chips son más rápidos. ¿En qué grado? Es difícil de cuantificar, aunque Intel asegura que entre los 45 nanómetros de 2007 y los 14 de 2014 han conseguido duplicar el rendimiento. Entre ellos, cuatro generaciones y una mejora cercana a ser lineal.
Esta mejora en el rendimiento llega acompañada de otro factor determinante en el mundo de los ordenadores, y más aún en los últimos años en los que la movilidad es esencial: su consumo energético es menor, de forma que conseguiremos tanto ahorrar dinero en nuestra factura a final de mes como lograr portátiles con mayores autonomía. A su vez, el menor consumo energético implica una mayor potencia por vatio, que es el ratio que se utiliza en muchas ocasiones a la hora de comparar varias generaciones.
Mayor potencia, menor consumo energético y más pequeños: Broadwell-Y ocupa casi la mitad del tamaño de los Haswell-Y Relacionado directamente con los transistores, si estos son más pequeños también lo será el tamaño del chip. En este último salto de 22 a 14 nanómetros la diferencia es, de hecho, muy notable, tal y como se aprecia en la imagen que tenéis más abajo. Intel ha conseguido reducir a casi la mitad el tamaño entre los Haswell-Y y los últimos Broadwell-Y, el nombre en código de los Intel Core M.
Haswell Y vs Broadwell Y size comparison
Al final es pura evolución: mejorando en cada nueva iteración
Estas implicaciones se repiten cada vez que evoluciona el tamaño de los transistores utilizados en los chips, aunque con diferentes grados de mejora según la generación. En el caso de Intel, sus 14 nanómetros forman parte del tick de su modelo tick-tock, el encargado de mejorar el proceso de evolución.
El otro componente del modelo, propuesto en 2007, es el tock, que consiste en una evolución general de la arquitectura para dar lugar a una nueva microarquitectura optimizada sobre las bases de la anterior. Se va alternando un tick y un tock, generalmente año a año, de forma que si un año se utilizan transistores más pequeños al siguiente se coge esa generación y se optimiza para sacarle el máximo rendimiento. El tick Broadwell de 14 nanómetros será seguido por el tock Skylake en 2015, para ya en 2016 tener un nuevo tick de 10 nanómetros denominado Cannonlake.
Oblea de Intel Broadwell
Oblea de Broadwell-Y
Detalle de una oblea de Broadwell-Y, donde cada rectángulo es un chip.
Por supuesto los transistores no son el único elemento que repercute en el mantenimiento de la evolución en el campo de los procesadores. Son sin duda alguna muy importantes, pero también el software es el otro apartado esencial. Sistemas de ajuste automático de las frecuencias, mecanismos de control del factor energético o los nuevos juegos de instrucciones, que van adaptando el hardware a los nuevos usos de la tecnología, también son fundamentales para mantener el ritmo de mejora actual.
Año a año, la evolución de los procesadores continúa su ritmo y prometen seguir dando mucha guerra durante las próximas décadas.
Los procesadores siguen vivos y mejorando año a año gracias, en parte, a los transistores. Esos microscópicos elementos de los que todos tenemos unos cuantos millones en nuestro ordenador, nuestro smartphone o nuestro tablet. Y prometen seguir dando mucha guerra durante las próximas décadas.