¿Por qué ha dejado de crecer la frecuencia de los procesadores?

Escrito por Juan Diego de Usera

Si bien hace unos años, tanto Intel como AMD estaban inmersas en una carrera por aumentar continuamente sus frecuencias, os habréis dado cuenta que éstas ya no suben de manera tan espectacular como antaño. En este artículo os vamos a explicar el motivo de ello y cómo los fabricantes de procesadores han cambiado el campo de juego.

Los motivos por los que ha dejado de crecer la frecuencia a la que se fabrican los procesadores actualmente son varios, pero aquí solo nos vamos a centrar en el principal, que son los problemas de las instrucciones en la transportadora (también denominada pipeline).

¿Qué es y cómo funciona la transportadora de instrucciones?

Funcionalmente, cada ejecución de las instrucciones de un procesador se divide en varios pasos o ciclos, como se ilustra en el siguiente diagrama. Eso es lo que denominamos la frecuencia de un procesador.

Cada uno de estos pasos sigue al anterior de manera secuencial, y cada uno de ellos  se ejecuta en una unidad de cómputo diferente, de tal manera que cuando el primer paso de la primera instrucción se ha resuelto satisfactoriamente, el primero de la siguiente instrucción puede comenzar su procesado.

Todo eso está muy bien cuando cada uno de los pasos de las instrucciones tarda el mismo tiempo en realizarse. Pero, en la vida real eso no suele suceder y hay pasos que se completan con mayor celeridad que otros. De la misma manera, hay pasos que tardan más tiempo que el asignado y, en lugar de un ciclo de reloj, tardan dos de ellos.

Una persona podría pensar que la solución podría ser acortar la duración de los ciclos de reloj para que se amoldaran más a la duración de los pasos de la instrucción. Pero, aunque inicialmente esto sí supondría un aumento de rendimiento, a medida que los pasos que fueran más largos se fueran ejecutando en el núcleo, se irían creando latencias y tiempos muertos en los que no se trabajaría en las siguientes instrucciones.

¿Cómo se aumenta la frecuencia del procesador?

Así que, desde el punto de vista del transportador, la única manera de aumentar la frecuencia es acortar el paso más largo. Si podemos reducir el paso más largo, existe la posibilidad de disminuir el tamaño del ciclo de reloj hasta este paso, y cuanto menor sea el ciclo de reloj, mayor será la frecuencia. Y para hacerlo, la mejor manera es reducir el tamaño interno de los componentes del procesador. Primero, porque de esa manera se acortan las vías de datos en el interior del procesador, con lo cual requieren menos energía para poder funcionar. Y, segundo, porque los transistores que componen el núcleo, al ser más pequeños, requieren menos energía para poder activarse y desactivarse. Estas dos condiciones lo que permiten es una inferior generación de energía desperdiciada como calor.

No hay más que pensar en cómo se estabilizan los overclocks cuando los hacemos, que es a base de permitir que el procesador funcione con un voltaje (denominado Vcore) mayor que el que el fabricante ha previsto para ese modelo. Y ese voltaje extra nos permite aumentar la frecuencia del procesador, pero lo hace a costa de sacrificar su eficiencia energética y de requerir de soluciones de refrigeración bastante más avanzadas que los tradicionales disipadores por aire.

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  • Jorge Pascual

    Esto que contáis, no es la causa…. es una de las 50000 causas por las cuales las frecuencias no van a crecer de forma desmesurada (al menos con los procesos tecnológícos y arquitecturas actuales y venideras a medio plazo). Por favor, no lo toméis a mal, que os leo desde hace mucho y valoro la info que dais, pero deberíais darle una vuelta a este artículo (o quitarlo).

    • Luis Rondon

      ()…Los motivos por los que ha dejado de crecer la frecuencia a la que se fabrican los procesadores actualmente son varios…()
      lo dejo muy en claro antes de iniciar…
      lógicamente son muchas mas, pero para los usuarios poco entendidos es mejor explicarles de lo macro a lo micro y este es un muy buen ejemplo, no hay que tirárselas de sabiondo y mandar a quitar el articulo solo por saber un poco mas que los demás, demuestra prepotencia y eso es una mala cualidad personal

      • Jorge Pascual

        No pretendía polemizar, y pedí disculpas con antelación, pero creí conveniente intervenir. Si el autor del articulo hubiera titulado este “Que es y como funciona un pipeline” me hubiera callado, pero si en el titular habla del “por qué” (singular) de que las frecuencias no aumenten, y en el contenido me hablas de los pipelines (casi exclusivamente), estas estableciendo una causa directa entre el “por qué” y los “pipelines” (por mucho que hagas un apéndice donde digas que hay mas causas). No pretendía ir de “sabiondo”, de verdad… si supiera de esto de verdad, me habría explayado con la respuesta, pero creo que el autor queda en mal lugar, si no lo cambia o lo quita, nada mas. Y perdón nuevamente.

        • El de los Hachazos™

          Te doy la razón: el título es un clickbait. Algo muy habitual hoy en día, desgraciadamente.

          • ruvelro

            Igual que los trolls que no se atreven a dar la cara, muy habituales y revueltos últimamente…

          • El de los Hachazos™

            Y eso a qué viene? No soy ningún troll.

          • ruvelro

            Yo no he dicho que lo seas, simplemente pensaba que estábamos jugando a decir sandeces sin sentido.

            Ahora bien, si te has dado por aludido…

          • El de los Hachazos™

            Sandeces como las que sueltas en todos tus últimos comentarios.

          • ruvelro

            Te ha costado toda una noche pensar la respuesta, ¿eh? enhorabuena.

          • El de los Hachazos™

            Algunas personas dormimos por las noches, tenemos trabajo y en general cosas que atender en la vida más allá de internet.

            Pruébalo, parece que lo necesitas.

    • Dreadnought

      Vamos a ver, al principio del desarrollo del artículo comento que los factores son muchos pero he citado el más importante de todos, que es la arquitectura de la pipeline y su desempeño con las instrucciones que debe procesar

  • nem

    esto de la carrera de los gigahertz depende de muchos factores , entre estos el principal es el diseño de la arquitectura y la cantidad de transistores que inyectan en un área determinada , existieron arquitecturas como los bulldozer con pobre IPC pero que el diseño les permitía llegar hasta los 9GHZ con nitrógeno , no tengo tiempo de tirarme a buscar ejemplos concretos con fotográfias , pero esto esto es resultado de la densidad de transisotores en un unidad de área determinada,

    También influye el proceso litográfico yo diría es el segundo factor , ejemplo intel usa en sus procesadores la mejor litografía enfocada al alto rendimiento sus siglas HP high performance, AMD en los ryzen emplea LPP de globo que es un proceso litográfico diseñado para el mercado Mobil y la eficiencia energética por esta razón los ryzen OCEAN poco pero en contraparte soy muy eficientes energéticamente, otro factor intel invierte mucho mas en depurar sus litografias , es toda una cadena de factores que influyen en las frecuencias, resumiendo todo , es que ya se a alcanzado los limites del silicio , los procesadores actuales van a limite para conseguir subir mas las frecuencias habria que invertir mucha mas pasta en realizar mejoras , globo podría mejorar pero debería invertir mucha mas pasta que no compensa las ganancias,

    no me parece que este muy relacionado con lo que se comenta en el articulo las arquitectuas de intel y amo no son comparables en términos de gigahertzios, desde los pentium 4 tenían un Pipeline muy largo pero para ser muy eficiente procesando instrucciones requerían frecuencias muy altas , así fue el diseño de intel en esos años no era comparable al diseño de los Athlons 64 de esa época eran mas lentos, con frecuencias mas bajas eran igual de eficientes que los pentium 4 en algunos casos incluso eran mejores mas eficientes se puede ver en reviews de la época.

  • Patrick Gómez

    Aparte de lo mencionado puro marketing de venta, traducido hoy en tener cada vez más mayor número de núcleos e hilos.