Clocking vs Switching, que no te engañen con la velocidad de la CPU

Generalmente, cuando hablamos de la velocidad de un procesador todos conocemos la magnitud de los megahercios o gigahercios, y en la actualidad es fácil ver procesadores que alcanzan o superan los 5 GHz de fábrica, o récords de overclock que se acercan a los 8 GHz en algunos casos. Sin embargo, también habréis visto noticias que hablan de procesadores que han alcanzado los 500 GHz, una cifra que parece casi absurda pero, para entenderla y que no os engañen con estas magnitudes, es necesario que conozcáis los conceptos de Clocking y Switching, que es precisamente de lo que vamos a hablar en este artículo.

Estamos bastante acostumbrados a ver récords de overclock, que se baten cada poco tiempo por overclockers profesionales que consiguen elevar la frecuencia de funcionamiento de un procesador a cotas muchísimo más elevadas que la velocidad a la que funcionan de fábrica; sin embargo, estas magnitudes suelen ser del orden de menos de una decena de gigahercios.

Por otro lado, también han salido a la palestra noticias de procesadores que han alcanzado los 350 GHz a temperatura ambiente y que han llegado a 500 GHz mediante criogenización pero, ¿cómo es esto posible? Para entenderlo, es necesario «bajar al barro» para entender los conceptos de switching y clocking.

Clocking y Switching no son lo mismo

Cuando vemos que un overclocker ha batido un récord de velocidad en un procesador, lo que ha hecho (explicado de un modo básico) es aumentar su frecuencia de funcionamiento, generalmente aumentando el voltaje.

Eso produce una mayor generación de calor y por eso suelen emplear sistemas de refrigeración avanzados, como el nitrógeno líquido, evitando así que el sistema de problemas. Además de aumentar la frecuencia de funcionamiento del procesador, también se altera la frecuencia del bus base, por lo que al mismo tiempo se aumenta la velocidad de otros componentes que dependen de este como la memoria RAM, por ejemplo.

Overclock-CPU-LN2

Por otro lado, tomando el ejemplo del procesador que funciona a 500 GHz (fue un experimento de IBM), se utilizó un sistema de criogenización para su refrigeración, pero a pesar de eso a temperatura ambiente ya alcanzaba los 350 GHz… estamos hablando de 0,35 THz. En el experimento explicaban que utilizaron una tecnología llamada BiCMOS SiGe para sus transistores, pero en cualquier caso, ¿dónde está la trampa? Realmente trampa no hay ninguna, sino que se refieren a cosas diferentes: en un caso se habla de clocking, y en otro de switching.

El clocking habla de la frecuencia de reloj a la que trabaja el procesador, es decir, la velocidad a la que conmutan sus transistores en conjunto. Por ejemplo, cuando decimos que un procesador funciona a 5 GHz en realidad estamos diciendo que sus transistores son capaces de conmutar (cambiar entre ceros y unos) 5.000.000.000 veces cada segundo.

Por otro lado, el switching es la velocidad a la que un transistor puede conmutar y pasar de un estado a otro. Es el caso del ejemplo de IBM que os hemos puesto antes, ya que se referían a que los transistores utilizados con tecnología BiCMOS SiGe eran capaces de conmutar a una velocidad de 350 GHz a temperatura ambiente o 500 GHz con la refrigeración mediante criogenización; dicho de otra manera, esto significa que los transistores utilizados son capaces de cambiar de estado 500.000.000.000 veces en un segundo.

Velocidad procesador clocking switching

La diferencia es que cuando se habla de clocking, se habla de la velocidad de conmutación de todos los transistores simultáneamente, lo que se conoce como ciclos de reloj. Por su parte, cuando se habla de switching se refiere a la velocidad de conmutación de los transistores individualmente, por lo que no es comparable una velocidad con la otra.

En un microprocesador moderno hay muchos transistores trabajando al mismo tiempo conectados entre sí. Estas interconexiones generan retrasos y, por ello, se debe limitar la frecuencia de reloj o de lo contrario se producirían errores e inestabilidad. De hecho, hay que ser bastante cuidadoso con respecto a cómo se reparte la señal de reloj a través de las unidades funcionales del chip para que funcione de manera homogénea, ya que de lo contrario es cuando se produce la inestabilidad, errores de cálculo, «cuelgues», etc. que vemos muchas veces cuando se realiza overclock (por lo que se considera overclock inestable).

Por lo tanto, hay que tener cierto «cuidado» cuando vemos que nos hablan de un procesador que funciona a una velocidad estratosférica como la del ejemplo de IBM del que os hemos estado hablando, ya que en este caso se refiere a la velocidad de switching pero ni por asomo a la frecuencia de clocking del procesador.

La litografía es crítica para determinar la velocidad de conmutación

El tamaño de los transistores es un aspecto fundamental a la hora de determinar la velocidad de conmutación de éstos, y por este motivo es importante que los fabricantes vayan actualizando sus nodos de fabricación utilizando nuevas estructuras como FinFET, GAA, etc. para lograr reducir la capacitancia de la puerta y así mejorar la capacidad de switching.

switching

En principio, el tiempo de retardo depende de varios factores como la capacitancia de la puerta o el voltaje y corriente utilizados, pero también depende de las dimensiones físicas del transistor ya que la velocidad de conmutación también depende de la anchura, longitud y grosor de la puerta lógica. Si estos factores se reducen a pasar de una litografía a otra (entendiéndose que se pasa a unos transistores de menor tamaño), se podría aumentar al mismo tiempo la velocidad de switching.

Dicho de otra manera y explicado de forma simple, cuanto más pequeña sea la litografía del nodo de fabricación en el que se hacen los transistores, mayor puede ser potencialmente la velocidad de conmutación (switching), lo que a su vez puede permitir (aunque no necesariamente) una mayor frecuencia de funcionamiento (clocking) del procesador.

Como podéis ver, todos los parámetros influyen y están relacionados entre sí a la hora de determinar la velocidad, rendimiento y potencia de un chip, pero la litografía física y el nodo de fabricación que determina el tamaño de los transistores es una de las más importantes para ello.