A la hora de diseñar una nueva CPU, o GPU, los ingenieros tienen que tener en cuenta una serie de limitaciones en el diseño. Aunque de todas ellas el mayor factor limitante es el consumo energético de la comunicación RAM-Procesador. Os explicamos el motivo por el cual el hardware no avanza tan rápido como podría avanzar.
El gasto o consumo energético con todo el tema del cambio climático se ha convertido en un tema en liza en los últimos tiempos, cada vez se buscan sistemas con mayor rendimiento por vatio, pero esto que parece tan maravilloso de entrada implica un recorte en la progresión de la potencia del hardware.
Las tres variables del consumo energético
Hay dos tres variables que marcan cuál es el nivel de consumo energético de un circuito integrado. De estas tres la capacidad de mantener la carga eléctrica es la única que depende en exclusiva del nodo de fabricación, mientras que el voltaje depende tanto del nodo de fabricación como de la velocidad de reloj a la que funciona el circuito. ¿El tercer componente? La velocidad de reloj, y aquí entramos en un punto importante, ya que el voltaje sube con la velocidad de reloj.
Esto se traduce que en cualquier semiconductor, independientemente de si hablamos de una memoria o de un procesador va a escalar exponencialmente su consumo con la frecuencia y no de manera lineal. Lo que plantea una serie de problemas y desafíos de cara a aumentar a hacer progresar la memoria RAM y que esta no se convierta en un cuello de botella cada vez más grande para el procesador que la utiliza.
El coste energético como cuello de botella
La memoria RAM, sea del tipo que sea, no solo almacena datos, sino que también transmite y recibe datos con los procesadores a las que está conectada a través de las interfaces de comunicación mutuas. Es precisamente esa velocidad de comunicación la que convierte a la memoria RAM en el único tipo de memoria con la que una CPU o una GPU se puede comunicar, pero esta viene con un alto coste que se ha convertido en un problema de cara al diseño en los últimos años.
Si tenemos en cuenta lo comentado en el apartado anterior lo que está claro que tener una interfaz de N bits a 2 GHz va a consumir el doble que una interfaz de 2 x N bits a 1 GHz pese a transmitir la misma cantidad de datos. Lo que ocurre es que desde el momento en que el aumento en la cantidad de bits se traduce en una interfaz más ancha esto significa que el perímetro tanto del procesador como de la memoria RAM es más grande.
Debido a que el coste de un procesador está relacionado con el coste de la oblea de donde sale, y por tanto de la cantidad de chips que salen por oblea. Con tal de evitar aumentar los costes se han mantenido las interfaces de memoria con muy pocos cambios.
Por lo que los fabricantes de procesadores y de memoria han ido pactando durante años una evolución en que la cantidad de bits de transferencia del ancho de banda por ciclo de reloj de la RAM y la VRAM no aumentaba, se mantenía fija. Esto hace que la evolución generación tras generación en cuanto a la memoria se haya basado en esperar a un nuevo nodo de fabricación para ir dando pequeños saltos en cuanto a velocidad de reloj.
Esto significa que todos los procesadores están limitados por la RAM, la cual está limitada a su mismo tiempo por el consumo energético de la transferencia de datos. Por lo que todo se resume en que el cuello de botella máximo no es otro que el coste energético de ir moviendo los datos. En especial a la hora de captar instrucciones y datos que van desde la RAM al procesador.
El problema es que existe un punto caliente en que no podremos continuar aumentando la velocidad de
Distancia de los datos y consumo energético de la RAM
La otra parte más importante es la distancia entre el dato y el procesador, cuanto más lejos está la memoria más consumo energético a la hora de ejecutar dicha instrucción. Por lo que lo ideal sería poder colocar el procesador junto a la memoria, pero no podemos por limitaciones físicas y por el hecho que es extremadamente caro construir un procesador con la suficiente cantidad de memoria integrada en su interior, aparte que lo que ganaríamos en consumo lo perderíamos en capacidad de almacenamiento.
Los intentos de unificar RAM y procesador en un solo chip son sumamente complejos, ya que requieren de una fabricacíón no solo más compleja sino también de costes más altos y de peor eficiencia. Es posible que si el paradigma de RAM más CPU o GPU en un solo chip se hubiese adoptado entonces no sería posible abastecer la enorme demanda que existe hoy en día en todos los sectores.
Es por ello que el consumo energético es el mayor cuello de botella que hay en el hardware, por el hecho que tanto las CPU como las GPU se diseñan pensando en las especificaciones de la memoria RAM y VRAM que hay en cada momento. Las cuales vienen limitadas por el consumo energético de estas últimas.
