Así escalan físicamente los nodos de fabricación de CPU y GPU

Así escalan físicamente los nodos de fabricación de CPU y GPU

Josep Roca

¿Han escalado los nodos de fabricación de la misma manera a través del tiempo? La respuesta que tenemos clara es que no lo han hecho, pero en este artículo os explicaremos como realmente lo han hecho a través de una serie de datos que hemos recopilado. Para que entendáis mejor cuando se habla del concepto de la muerte de la Ley de Moore.

La dinámica en el hardware de PC es la siguiente: cada cierto tiempo aparece un nuevo nodo de fabricación que permite hacer chips mejores que los anteriores, ya sea en complejidad, consumo o velocidad. No obstante la evolución real no ha sido la esperada por diversos motivos. En este artículo os relatamos cómo deberían haber escalado los procesadores si las cosas no se hubiesen torcido.

Los nodos de fabricación ya no escalan igual

Evolución nanometros

La observación que hizo el fundador de Intel Gorden Moore, en la que dijo que la cantidad de transistores se duplica cada dos años se mantuvo totalmente válida durante décadas. En un periodo en que las características de los transistores iban escalando de manera que fácilmente se podía predecir.

Dicha métrica de escalado fue descubierta y dada por Dennard, donde S es el ratio en el que escalan los transistores y U el ratio entre dos voltajes distintos. A partir de los valores de S y U el escalado de la geometría de un chip y su voltaje lo hacían de manera conjunta. Desgraciadamente cuando se llegó a los nodos de 65 nm se rompió dicha relación y las ecuaciones de Dennard se mostraron completamente incorrectas. Por lo que se hicieron necesarias nuevas ecuaciones para medir la escala.

El motivo por el cual aparecen estos errores es porque a ciertos tamaños de los transistores la menor distancia entre transistores empieza a afectar, haciendo que se produzcan pérdidas de flujo de corriente, donde elementos como la longitud de la puerta lógica, el umbral del voltaje e incluso el espesor del óxido modifican por completo las ecuaciones originales.

Normas de escalado: nuevas y viejas

Oblea Coste Chips

A la hora de hablar de cómo han escalado los nodos de fabricación a través del tiempo hemos de tener en cuenta las reglas básicas del escalado de Dennard.

El primer elemento que tenemos que tener en cuenta es la densidad geométrica de un nodo a otro, la cual se mide por la siguiente ecuación:

Densidad Geométrica: 1/(S2)

Donde S es el factor de escalado de un nodo a otro, para sacarlo solo tenemos que realizar la siguiente ecuación:

S = Nuevo nodo en nanómetros * (1/viejo nodo en nanómetros).

Tradicionalmente los nodos que tienen una densidad que es el doble que la anterior tienen un factor de escalado de S. En cuanto al resto de factores, los cuales son la capacitancia y el voltaje, estos escalaban antes con valores de 1/S, es decir, de manera lineal.

Con las nuevas normas donde el escalado del voltaje y la geometría no están relacionados es cuando el valor U que marca el diferencial entre dos voltajes toma una gran importancia, el cual se mide de la siguiente manera:

U= Nuevo voltaje * (1/viejo voltaje)

Con esto ya nos podemos dar una idea aproximada de cómo han escalado los nodos a través del tiempo, pero lo mejor es verlo a través de los propios números para hacernos una idea aproximada.

Densidad geométrica en los nodos de fabricación a través del tiempo

CPU Reverso Render

La tabla que vais a ver a continuación son los tamaños de las puertas lógicas en cada nodo según los informes del ITRS. Cuyas siglas significan International Roadmap for Semiconductors o mapa de ruta internacional para semiconductores. La primera columna nos marca el nodo en nanómetros, la segunda nos marca el Metal Half-Pitch, la cual era hasta hace poco lo que se medía para conocer el nivel de escalado de un nodo a otro, por lo que es una indicación de cómo han evolucionado los nodos de fabricación a través del tiempo

NanometrosMetal I Halfpith (nm)
Escalado real (S)
180230-
1301500.65
90900.60
65680.76
45590.87
32450.76
20400.71
16/14401
1031.90.8
725.3
0.8

En cuanto a la tercera columna es el nivel de escalado real desde el anterior nodo, es por ello que para el nodo de 180 nm está con un valor vacío. La cuarta columna por otro lado el rango de escala que tendría haber sido si el nodo tuviese correspondencia física con su nombre.

Voltaje y capacitancia en los nodos de fabricación a través del tiempo

Render-Procesador

El otro punto importante es con el voltaje, tradicionalmente este siempre escalaba en un factor de 1/S, pero esta relación se vio completamente interrumpida. Para sacar el valor de U de nuevo hemos tomado la información del ITRS y no de un fabricante de procesadores en concreto.

NodoVoltaje
180 nm1.8
130 nm1.2
90 nm1.1
65 nm1.1
45 nm1.1
32 nm0.97
20 nm0.9
16 nm /14 nm0.86
10 nm0.83
7 nm0.8

Como se puede observar en la tabla, el voltaje para los nodos de 90, 65 y 45 nm se mantiene en 1.1 V, haciendo que el diferencial de la energía consumida pasará de depender del voltaje y la capacitancia a solamente la capacitancia para dichos nodos. La realidad es que el voltaje escala muy poco de un nodo a otro y si hiciésemos los cálculos pertinentes veríamos que el diferencial se sitúa entre 0.8 y 0.9 de un nodo a otro.

La capacitancia en cambio aún escala con la formula 1/S, que es como escalaba el voltaje con anterioridad. Teniendo en cuenta que todos los transistores activos consumen energía significa que el diferencial en el consumo energético es mucho más bajo, lo que fuerza a crear procesadores con zonas que se pueden encender y apagar dependiendo del momento, que es lo que conocemos como el silicio oscuro y del que os hablamos hace unos días.