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Los procesadores han experimentado una evolución que se podría calificar de milagrosa en la última década. Hablamos en este caso de los micros Intel con arquitectura X86 empleados en equipos domésticos portátiles y sobremesa, así como en servidores y estaciones de trabajo en el entorno profesional. No obstante, es una evolución que puede extenderse a todo tipo de chips, como los que se usan en los teléfonos móviles, en los superordenadores o en las tarjetas gráficas.

La premisa fundamental en la que se basan los avances en la fabricación de los microprocesadores es la Ley de Moore. Esta Ley fue oficialmente enunciada el 19 de abril de 1965, cuando la revista Electronics publicó un documento elaborado por el propio Gordon Moore en el que afirmaba que la complejidad de los circuitos integrados se duplicaría cada año con una reducción de costo conmensurable. Moore actualizó su predicción en 1975 afirmando que el número de transistores en un chip se duplica cada dos años.

Algunos conceptos de partida

Esta evolución gira alrededor de dos ejes principalmente: la arquitectura de los procesadores y la tecnología de fabricación empleada para materializarlos en forma de chips de silicio.

La arquitectura se refiere a cómo se organizan los elementos que conforman la electrónica y cómo se procesan las instrucciones X86 de los programas, como Photoshop, Word, un juego o el propio sistema operativo. De cómo se estructure, del diseño, dependen aspectos como el consumo energético y el rendimiento, es decir, la eficiencia.

Para gestionar las instrucciones, entran en juego el procesamiento de secuencias de bits a partir de registros, puertas lógicas, unidades de ejecución, unidades aritmeticológicas, memorias y otros elementos electrónicos que intervengan en la descodificación de las instrucciones.

A lo largo de los años, se ha ido aumentando el número de bits que conforman las instrucciones y los datos que maneja el procesador. Se ha pasado de los 4 bits del Intel 4004, o los 8 de los 8086, a los 16 bits de los 80286, los 32 de los 80386 y los 64 bits de los Pentium 4 (Nehalem) o los Intel Core.

Por su parte, la tecnología de fabricación define el tamaño de los miles de millones de transistores que componen las obleas. Se mide en nanómetros (1 dividido entre 10 elevado a 9) y ha ido reduciéndose progresivamente desde los días del primer chip de Intel allá por 1971: el Intel 4004, con transistores de 1.000 nm. El número de transistores en un chip ha ido aumentando también. De los 3.500 del 4004, pasamos a 2.500 millones aproximadamente en los Core i7 de seis núcleos, por ejemplo.

En el año 2006, cuando vio la luz la primera generación de Intel Core, el tamaño era de 65 nm. Cuanto menor es la cifra, más transistores se pueden integrar, menor consumo se genera y también se reducen las dimensiones de los chips. Lo cual permite “imprimir” más chips en cada oblea de silicio y reducir el coste de los mismos. Al mismo tiempo, las obleas se han ido haciendo más grandes, y en la actualidad alcanzan los 300 mm de diámetro.

Transistores progresivamente más pequeños

La reducción del tamaño de los transistores es uno de los factores clave dentro de la Ley de Moore. En la práctica, es lo que permite que se pueda duplicar su número cada dos años aproximadamente. A medida que se reducen las escalas, entramos en momentos complicados para la Ley de Moore, eso sí.

Los primeros Intel Core usaban una tecnología de fabricación de 65 nm en 2006. En 1979, los Intel 8086 del IBM PC estaban fabricados con tecnología de 300 nm. El Pentium 4 del año 2000 usaba 180 nm. En 2007, se pasó de los 65 nm a los 45 nm. En 2010, se dio el salto a los 32 nm. En 2012, a los 22 nm y, en 2014, se pasó a los 14 nm.

En aquel momento, el progreso se ralentizó, priorizando la optimización en la litografía de 14 nm que se mantiene a día de hoy, aunque conviviendo con los primeros equipos Ice Lake de 10 nmLas siguientes iteraciones serán las de 7 nm y las de 5 nm, previstas para Intel a partir de 2022.

Múltiples núcleos: mucho mejor que uno

Uno de los efectos colaterales de la reducción en el tamaño de los transistores fue el de tener más espacio para integrar elementos adicionales en el procesador, como más de un núcleo de procesamiento de CPU. La idea de ser capaces de ejecutar varios procesos al mismo tiempo era elegante y conveniente, y es relativamente fácil modificar el código de los programas para que realicen ciertos tipos de tareas en paralelo usando dos o más núcleos.

Los equipos con varias CPUs fueron una realidad previa a las CPUs con varios núcleos, e integrar más de un núcleo en un chip fue un paso lógico que Intel dio con los procesadores Core 2 Duo, con dos núcleos. Eso sí, el rendimiento no aumenta linealmente con el uso de más núcleos.

Tener un procesador con ocho núcleos es mejor que tener un procesador con uno, pero no obtendremos un rendimiento ocho veces mayor. Por ejemplo, con un Core i7 7700HQ tendremos en Cinebench R20 un resultado de 1.567 puntos con ocho núcleos (cuatro físicos y ocho lógicos) y de 320 puntos con un único núcleo. Es decir, 4,9 veces mejor con los ocho núcleos.

Hay aplicaciones que usan únicamente un núcleo, como la mayor parte de los juegos, eso sí. Pero en escenarios multitarea donde haya múltiples procesos funcionando a la vez, que es la mayor parte de las veces, tener varios núcleos es mejor claramente que solo tener uno.

El consumo energético: un factor clave

Otro de los frentes que tienen que atacar los diseñadores de chips es el del consumo energético. La reducción en el tamaño de los transistores ayuda, por supuesto, pero también hay que trabajar sobre la arquitectura para que todo encaje.

Podríamos pensar que aumentar la frecuencia de reloj en megahercios es suficiente para obtener un buen rendimiento, pero si se aumenta la frecuencia de reloj, el procesador aumenta el consumo energético en una progresión que no es lineal. Además, a mayor frecuencia de reloj, más voltaje se necesita para que la lógica del procesador funcione bien.

Para ahorrar energía, se puede pensar en bajar el voltaje, pero a voltajes bajos el procesador empieza a funcionar mal. Si bajamos la frecuencia de reloj, el rendimiento cae. Es todo un encaje de bolillos. En un procesador, tenemos también la llamada pipeline para realizar varias operaciones simultáneamente. Esta puede tener más de diez etapas, aunque precisa de un aumento en el número de transistores de los chips, lo cual también afecta al consumo.

Mayor consumo implica menor autonomía en los portátiles. O más disipación térmica, lo cual obliga al uso de un sistema de refrigeración más voluminoso o tener que reducir el rendimiento en un momento dado para que la temperatura no suba por encima de 100 grados centígrados.

Fabricantes como Intel, llevan años trabajando en técnicas como la desconexión selectiva de bloques enteros de transistores en los chips o la implementación de transistores más eficientes para reducir el consumo. Además, se trabaja en la granularización del rendimiento para adaptar la frecuencia de reloj y el voltaje y el uso de los diferentes núcleos a las demandas de las aplicaciones.

Puede ser interesante mantener el procesador en estados intermedios de rendimiento en los que no se caliente en exceso y permita mantener un nivel de prestaciones elevado durante más tiempo, una estrategia que Intel empieza a implementar en los nuevos Ice Lake ayudándose de algoritmos de Inteligencia Artificial.

En un procesador actual como Ice Like encontramos los núcleos de la CPU y los de una GPU mejorada en el mismo chip, así como elementos que antes estaban a cargo de chips dedicados como las comunicaciones Thunderbolt 3. Ice Lake, además, integra en el chipset la electrónica necesaria para la gestión de la energía, así como las comunicaciones inalámbricas Wi-Fi 6.

La nomenclatura de los procesadores Intel Core

Como decíamos anteriormente, Intel ha hecho oficial la próxima llegada al mercado de su 10ª Gen. Intel Core. Bajo este paraguas, encontramos procesadores Ice Lake con tecnología de fabricación de 10 nm (10nm++) y una nueva arquitectura denominada Sunny Cove para los núcleos, así como procesadores Comet Lake de 14 nm (14nm++).

Para diferenciarlos, tendremos que fijarnos en la nomenclatura usada por Intel para nombrarlos. Empezaremos por los Ice Lake.

En este caso, tenemos la familia Core i7, Core i5 o Core i3 en primer lugar, seguida de un número de cuatro cifras y el sufijo G7, G4 o G1. El número de cuatro cifras comienza con “10” indicando que estamos ante la décima generación de procesadores. La siguiente cifra indica la posición relativa dentro de la gama. Puede ser, para los procesadores presentados, 0, 3 o 6. La siguiente cifra puede ser 0, 5 u 8, e indica el TDP del procesador. 8 para 28 W, 5 para 15/25 W y 0 para 9-12 W).

G7 indica que los gráficos son los más potentes dentro de Ice Lake, con 64 unidades de ejecución; G4, 48 unidades de ejecución y G1, 32.

En el caso de Comet Lake tenemos una nomenclatura ligeramente distinta. Empezamos con el consabido Core i3, i5, i7 o i9, para seguir con cinco cifras (cuanto más alto sea el número de la últimas tres, más rendimiento) seguidas de una “U” o una “Y”. La primera indica procesadores de 15 o 28 W, mientras que la “Y” denota un consumo entre 4,5 y 9W.

Jugando al gato y al ratón con la Física y la Termodinámica

La evolución de los procesadores es la lucha contra las leyes de la Física y la Termodinámica. Todo aquello que beneficia al rendimiento de los procesadores y las propiedades de los transistores supone tener que superar barreras que aparentemente no se podían franquear pocos años antes.

Las técnicas litográficas que permiten manejar transistores progresivamente más pequeños a escala de unos pocos nanómetros no son fáciles de implementar. Imagina fabricar chips de miles de millones de transistores en los que no haya fallos que hagan que funcionen mal. Es complicado, pero va sucediendo.

Imágenes | Intel