¿Hemos llegado al límite de velocidad en las CPU? ¿Veremos 10 GHz?

¿Hemos llegado al límite de velocidad en las CPU? ¿Veremos 10 GHz?

Josep Roca

Durante años, la velocidad de reloj de un procesador era lo más importante a la hora de comprar una CPU nueva para PC y a principios de los 2000 se lleg a especular con futuros núcleos a 10 GHz. Estamos en 2021 y esto no se ha producido, lo que nos hace venir una pregunta muy simple a nuestras cabezas. ¿Veremos alguna vez procesadores con una velocidad de reloj a 10 GHz o en cambio existe un límite?

Si miramos los últimos procesadores de Intel y AMD en el mercado veremos cómo estos consiguen superar los 5 GHz a duras penas y solo de manera momentánea gracias al Boost. Si nos da por mirar hacía atrás la evolución de la velocidad de reloj en los últimos 15 años veremos que ha sido mucho menor que en años anteriores.

¿Cómo escala y cual es el limite de la velocidad de reloj?

Robot Laberinto

Para entender la forma en la que funciona el aumento de la velocidad de reloj vamos a hacer un símil con la vida real, para ello nos vamos a imaginar que los electrones son un robot que recorre un laberinto en una determinada cantidad de tiempo, dicho circuito son los diferentes transistores y elementos electrónicos que componen el circuito integrado que es la CPU, la GPU e incluso un tipo de memoria.

Imaginemos que colocamos una unidad de telemetría en dicho robot que mida el tiempo que tarda en recorrer el laberinto. Luego lo que hacemos es una versión del mismo laberinto con la misma estructura pero de tamaño reducido. Como es obvió debido a ser el laberinto más pequeño vamos a ver el robot recorriendo el laberinto en menos tiempo.

Pues bien, el laberinto es el procesador y el robot son los electrones. Al disminuir el tamaño de los transistores no solamente aumentamos la densidad de estos por área sino también la velocidad a la que son recorridos, dado que el robot requiere menos tiempo en recorrer un laberinto de la misma forma.

La era del MHz fue en el pasado

CPU Quemada

Hasta el final del escalado de Dennard el mundo de los procesadores fue llamado la «Era del MHz» donde las CPU eran elementos de lo que hoy en día llamaríamos de un solo núcleo y el objetivo era conseguir la mayor velocidad de reloj posible. El culmen de esos diseños llego en PC con la arquitectura Netburst del Intel del Pentium 4, pero el forzar la maquinaría fue lo que acabo creando un cambio de paradigma que llevo a lo que conocemos el final del escalado de Dennard y el inició de la era multinúcleo en la que nos encontramos ahora.

Lo que limita la velocidad de reloj de un procesador son las características eléctricas del mismo, ya que el voltaje por un lado como la capacidad de mantener la carga eléctrica del mismo es lo que marca el consumo energético del mismo. Pues bien, los valores de voltaje y capacidad para soportar la carga eléctrica de los procesadores varían con cada nuevo nodo de fabricación, lo que permite velocidades de reloj más altas bajo las mismas condiciones.

Transistor

Hasta la llegada del nodo de 65 nm, si longitud de los transistores disminuía en 0.7 veces esto se traducía en duplicar la cantidad de transistores por área, pero el voltaje y la capacitancia eléctrica necesarios para obtener el mismo rendimiento también disminuía 0.7 veces. Lo que permitía mayores velocidades de reloj.

En realidad durante años se acabó haciendo trampas, ya que mientras el consumo energético de los procesadores no era algo importante se fue haciendo que estos cada vez consumieran más hasta que se llegó al límite y se tuvo que cambiar la forma de diseñar un procesador. Entonces dejo de ser importante la velocidad de reloj para pasar a serlo el rendimiento por vatio, algo que se sigue utilizando a día de hoy.

Superar el límite de la velocidad de reloj, ya no es el objetivo prioritario

Velocidad Reloj

Saberlo es difícil, ya que no sabemos realmente cuales son las especificaciones eléctricas de los diferentes nodos de fabricación existentes en la actualidad.  El motivo de ello es que los nanómetros han pasado de ser una medida objetiva a ser una medida de marketing en una guerra de cifras entre las diferentes fundiciones que solo los ingenieros que trabajan en los futuros procesadores conocen y cuyas casas madre mantienen bajo llave.

No obstante a la hora de mejorar el rendimiento desde hace tiempo que no se busca aumentar la velocidad de reloj, sino que las tendencias van en otro sentido a día de hoy. Con cosas como el aumento de la media de instrucciones por ciclo, el llamado IPC, la disminución de la latencia de las caches, el desarrollo de aceleradores para ciertas tareas. El uso de núcleos más simples para mejorar el consumo energético en las instrucciones.

La velocidad de reloj es importante dentro de una misma arquitectura o familia de procesadores, pero al contrario de lo que ocurrió hace veinte años se ha convertido en un elemento que en global es menos importante a la hora de diseñar un nuevo procesador.