Los 2 nm de IBM a examen, ¿qué mejoras aporta a CPUs y GPUs?

El anuncio del proceso de 2 nm por parte de IBM es una demostración de que el hardware seguirá escalando de cara a los siguientes 5 años como lo ha hecho siempre y de forma continuada, pero a su vez dicho anuncio genera una serie de incógnitas dado que el número de nanómetros desde hace tiempo corresponde más al marketing que a una realidad física.

Esta semana hemos visto anunciado el nuevo nodo de fabricación de IBM. ¿Qué nos podemos esperar de este nodo y cuál será el salto respecto a los nodos utilizados en la actualidad para la fabricación de diferentes chips y memorias?

Comparación del nodo de 2 nm de IBM con los actuales

Wafer a 2 nm de IBM

El chip de muestra que ha sido fabricado con el nodo de 2 nm de IBM tiene una densidad de 333 millones de transistores por milímetro cuadrado. Hay que tener en cuenta que la densidad de los transistores depende de lo que se construya con ellos y que la memoria es mucho más densa que la lógica, por lo que no todas las áreas del procesador fabricado por IBM en su nodo experimental de 2 nm tienen dicha densidad. En todo caso medir la densidad a partir de lo que ocupa la SRAM en cada nodo es lo normal en estos casos.

La noticia es importante ante una situación la que la Ley de Moore parece que se esta enlenteciendo cada vez más y con la sensación general que se llegará a un nodo que en costes de desarrollo, despliegue o por limitaciones físicas no permita escalar los chips más allá.

En realidad estamos ante un nodo conque deberíamos esperar para 2024 o 2025 como mínimo en cuanto a su lanzamiento en el mercado.

¿Son realmente 2 nm?

IBM 2 nm

La densidad del nodo de 7 nm de TSMC es de 96.5 millones de transistores por milímetro cuadrado. Hay que tener en cuenta que la densidad de los transistores aumenta cuadráticamente con la disminución del tamaño de estos. Por ejemplo, para duplicar la densidad de cualquier nodo solo necesitamos multiplicar el tamaño por 0.7. Por ejemplo, si tomamos el de 7 nm solo necesitamos multiplicar dicho tamaño por 0.7, lo que nos da un nodo de 4.9- 5 nm.

Pero, ¿estamos realmente ante un nodo de 2 nm? Para saber la densidad que tendría un hipotético futuro nodo solo tenemos que hacer el siguiente cálculo:

Factor de escalado del nodo al que se pretende convertir = (1/nodo conocido)^2

Luego solo tenemos hacer lo siguiente:

Densidad en transistores del nuevo nodo= Densidad en transistores del nodo conocido/Factor de escalado del nodo al que se pretende convertir.

Con la primera formula obtenemos un factor de escalado de 0.08, lo que nos marca que un hipotético nodo de 2 nm «real» tendría una densidad de casi 1200 millones de transistores por milímetro cuadrado. Casi cuatro veces más lo anunciado por IBM, pero es que además a esto hay que añadirle que los 7 nm de TSMC realmente tampoco son exactamente 7 nm, sino una densidad mucho más baja y por tanto un nodo en nanómetros reales mucho más alto.

¿Cómo se compara con el resto de nodos existentes?

Transistores 2 nm IBM

El motivo por el cual se llama nodo de 2 nm es porque su densidad es mayor que los nodos de 3 nm anunciados por Samsung y TSMC. En el caso de Samsung la densidad anunciada para su nodo de 3 nm es de 180 millones por milímetro cuadrado, mientras que el proceso de 3 nm de TSMC tiene una densidad anunciada de 315 millones.

El motivo por el cual IBM llama a su nodo de «2 nm» es simplemente por el hecho que sus especificaciones son muy superiores a los de TSMC y Samsung. Ahora veremos los argumentos para ello.

Velocidad y consumo del nodo de 2 nm de IBM

IBM 2 nm

Otro de los puntos importantes es como escalan los procesadores en velocidad y consumo, es decir, si fabricamos un chip ya existente bajo el nuevo nodo. ¿Qué velocidad alcanzaría o como se reduciría el consumo? Ambas al mismo tiempo no pueden ser, por lo que se dan las dos cifras aparte.

Un procesador que estuviese fabricado bajo el nodo de 7 nm de TSMC, bajo el nodo de 2 nm de IBM iría un 45% más rápido en velocidad de reloj bajo el mismo consumo. Mientras que si mantuviésemos la velocidad de reloj entonces el consumo energético bajaría hasta el 75%.

La velocidad de reloj, no obstante tiene truco, ya que siempre se busca el punto exacto de la curva de voltaje y velocidad de reloj que sea el más alto. Lo mismo ocurre con la de consumo, donde parece ser que IBM ha obtenido un nodo mejor desde la perspectiva de la energía consumida.

Es en la mayor eficiencia energética que el nodo de 2 nm de IBM recibe su nombre, y esto es debido al uso de lo que es llamado HNS u Horizontal Nanosheets, una tecnología que Intel utilizará en su nodo de 5 nm, el cual va a competir de tu a tu frente a los nodos de 3 nm de Samsung y TSMC. Sabemos que Samsung los va a adoptar a futuro pero desconocemos si lo hará TSMC u optaran por otra solución.

La joint venture entre IBM e Intel

Intel IBM

Si, esta afirmación puede pareceros muy chocante pero hemos de tener en cuenta que IBM al contrario de Intel no tiene fundiciones propias, pero si que diseña chips y sobre todo invierte mucho en el diseño de nuevos nodos de fabricación de chips que licencia a terceros. Por lo que es un modelo de negocio diferente al que tienen TSMC, Samsung e Intel.

Es decir, lo que ha hecho IBM es diseñar las normas de un nuevo nodo de fabricación y luego ha creado un chip de muestra, el cual se trata de un diseño que reúne todos los elementos comunes en el diseño de un procesador contemporáneo y lo ha recreado utilizando una versión experimental de su nodo de 2 nm.

Fábrica-IBM

IBM habitualmente ha trabajado con GLOBAL FOUNDRIES, pero estos abandonaron por completo la carrera y no entraron en los 7 nm. Por lo que el socio de IBM en este caso es Intel y puede que estemos ante las especificaciones de un futuro nodo de lntel.

Es más, es posible que estemos ante las especificaciones del nodo de 5 nm de Intel, con el que le plantarían cara a los nodos de 3 nm de TSMC y Samsung que hemos comentado más arriba en este mismo artículo.

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