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Introducción
No cuesta mucho imaginar la titánica evolución tecnológica de la que hemos sido testigos estas últimas décadas. Lejos quedan aquellos tiempos en los que íbamos llamando timbre por timbre a nuestros amigos para quedar con ellos o en los que usábamos el teléfono de casa para el mismo propósito.
Las nuevas tecnológicas de la información y comunicación (TIC) han supuesto un cambio radical en nuestro estilo de vida y de cómo concebimos las relaciones personales y profesionales. Los ordenadores personales, laptops, tablets, smartphones, televisiones inteligentes, internet en casa, almacenamiento en la nube y un largo abanico de servicios y productos tecnológicamente innovadores han hecho replantearnos como debemos vivir y comunicarnos en la actualidad.
Todos estos avances tienen un elemento en común sin el cual no habrían sido posible, no es sino el comúnmente conocido como CPU. Gracias a la evolución de este elemento podemos disfrutar de teléfonos móviles inteligentes, ordenadores personales, laptops que se pueden transportar con mucha facilidad y un largo etcétera de productos disponibles para la sociedad.
Lejos queda ese Intel 4004 (i4004) producido por primera vez a finales del año 1971 y el cual contaba con tan solo 740khz de frecuencia de reloj y 16 pines. Ahora nos encontramos con verdaderas bestias en cuanto a potencia se refiere, tanto el Intel Core I7-8700k (con 3.70 Ghz de frecuencia base y un turbo boost de 4.70 Ghz; integrado por 6 núcleos con sus 12 hilos y 1151 contactos que sería lo que antes se conocía como pines) como el AMD Ryzen Threadripper 1950X (con una frecuencia base de 3.40 Ghz, con un turbo boost de 4.00 Ghz; integrado por 16 núcleos que se traducen en 32 hilos y 4094 contactos) los cuales suponen una mejora cercana a 550.000 puntos porcentuales con respecto al Intel 4004; al menos, en cuanto a velocidad de reloj se refiere.
¿Cómo funcionan los microprocesadores?
Para poder entender cómo se ha logrado alcanzar una mejora de tal magnitud, debemos tener claro cuál es el funcionamiento básico de un procesador. Las partes que componen este tipo de chips son las siguientes:
- Encapsulado: Sirve para proteger al propio microprocesador de elementos externos así como para facilitar su refrigeración por medio del acople de un disipador.
- Unidad de control (UC): La cual se encarga de enviar, controlar y organizar las instrucciones de los diferentes programas para que sean procesadas por el núcleo.
- Unidad Aritmética Lógica (ALU): Encargada de realizar las operaciones aritméticas y lógicas sobre números enteros.
- Memoria caché: Dada su significante velocidad en comparación con la memoria RAM, este tipo de memoria se utiliza para minimizar el tiempo de espera que necesita el propio procesador para recopilar los datos que usará en sus operaciones. Usualmente se usan varios niveles de memoria caché, las cuales tienen distintas velocidades de funcionamiento.
- Registros: Memoria muy pequeña y rápida encargada de almacenar datos a la espera de ser procesados. Es un tipo de memoria muy similar a la caché pero con fines particulares.
- Puertos: Es el método que tiene el procesador de estar conectado al resto de los componentes del dispositivo y por lo tanto, esencial para la comunicación. A través de estos puertos se envían y reciben los datos que se requieren así como los ya procesados.
No cabe duda que con el tiempo este elenco de componentes será más extenso, lo que influirá positivamente en el rendimiento y eficiencia de los procesadores.
Vista la composición, pasamos ahora a explicar el funcionamiento básico del procesador. El procesador es un circuito electrónico que envía pulsos electromagnéticos cuya misión es la de ejecutar instrucciones. El rendimiento de la CPU se determina mediante la denominada velocidad de reloj que responde al número de pulsos por segundo que es capaz de generar el procesador; así, cuando se habla de que un procesador tiene una velocidad de reloj de 4Ghz, se dice que este es capaz de enviar 4.000.000.000 de pulsos por segundo. Además, el número de pulsos que envía depende en gran medida del número de transistores que forman el propio procesador y de la velocidad con la que el pulso completa el recorrido completo (Un mayor voltaje hará posible un funcionamiento más veloz de estos pulsos; sin embargo, generará una mayor cantidad de calor que podría dañar nuestra unidad).
En relación a lo anteriormente mencionado, hay que aclarar que para completar una instrucción es normal que sean necesarios varios ciclos. Se entiende pues que 1 ciclo no equivale necesariamente a completar 1 instrucción.
Pero, ¿Qué son los transistores y para qué sirven?
Los transistores son diminutos componentes semiconductores que se ubican en la unidad central de procesamiento y su funcionamiento es de vital importancia para la obtención de los datos que son requeridos. Explicado de una forma muy básica, estos elementos son como pequeñísimos interruptores que poseen una gran velocidad y los cuales sirven para obtener valores dependiendo de si dejan pasar la corriente o no (valores como 1 y 0 además de sí, no, o …). Así pues, estos elementos son esenciales en el proceso de cálculo de cualquier microprocesador.
¿Cuáles han sido las claves para alcanzar semejante mejora?
Aclarado cual es el funcionamiento básico de los actuales procesadores, podemos pasar ahora a entender que se ha realizado durante los últimos años para lograr la mejora tecnológica que se ha producido.
- En primer lugar, se ha tenido que reducir al máximo el tamaño de los millones de transistores que nos podemos encontrar en los chips actuales para (a mismo tamaño de chip) aumentar el número de operaciones que se pueden realizar en un ciclo y como consecuencia, lograr un aumento sustancial en su rendimiento. Así pues, el grueso de la mejora de rendimiento de los chips viene explicada por la ley de Moore, la cual predica que cada dos años el número de transistores utilizados en los microprocesadores se duplica.
- En segundo lugar, optimización de los procesadores para que con la misma arquitectura se consiga un mayor rendimiento. Esta optimización puede venir de diferentes componentes y medios. Si nos fijamos en dos de los procesadores de Intel, el I7-7700 y el I7-8700 son prácticamente idénticos, siendo mejor el segundo por pequeños detalles entre los que podemos destacar el aumento de núcleos (4 vs 6), el aumento de la frecuencia de reloj con el turbo activo (4,2 Ghz frente a los 4,6 Ghz del último modelo) así como el aumento de la memoria caché (8 Mb respecto a los 12 Mb del nuevo procesador de Intel).
En resumen, los fabricantes actuales de chips se han centrado en dos premisas; la primera de ellas es la de reducir el tamaño de estos semiconductores para conseguir aumentar la cantidad que cabe en un núcleo del mismo tamaño; así, hemos podido observar como con el paso de los años los fabricantes nos han hecho llegar procesadores con una estructura muy similar a los que han utilizado durante años pero con un cambio drástico en su manera de producirlos, el tamaño de estos diminutos componentes; es decir, la mejora en el rendimiento que han experimentado durante los últimos años este tipo de chips se ha basado en gran medida en la capacidad para incrementar el número de transistores de cada procesador sin tener que hacer una base más grande, todo ello debido a la mejora de la tecnología usada para conseguir disminuir su tamaño sin afectar a su normal funcionamiento. Además, la segunda fuente de mejora ha sido la de potenciar la estructura y otros elementos internos de las CPU. Por citar algunos ejemplos, nos encontramos con que los fabricantes han ido elevando el número de procesadores dentro del propio procesador; a esto se le llama procesador multinúcleo, ya que combinan varios núcleos (o dicho de otra forma, procesadores individuales) dentro de un mismo microprocesador; también se ha mejorado la capacidad de la memoria caché para aumentar la cantidad de datos a los que el procesador tiene acceso de manera casi instantánea; así como el avance producido en diversas tecnologías usadas (Un ejemplo de ello es la tecnología “HyperThreading” la cual permite ejecutar varios hilos de forma simultánea además de mejorar el tiempo de respuesta).
¿Qué consecuencias tiene este sistema de producción a corto y medio plazo?
¿Cuáles son las consecuencias a largo plazo?
Conclusiones
Por un lado nos encontramos con que el sistema utilizado en la actualidad resulta el más eficiente a la hora de conseguir nuevos chips más potentes y pequeños que los predecesores. Esto es posible dado que las técnicas de fabricación usadas hasta ahora son realmente similares a las que se venían utilizando en los últimos años, ayudando a aprender y conocer de antemano cuáles pueden ser los problemas y soluciones que se deben aplicar para solventar los inconvenientes que se planteen durante los nuevos procesos de fabricación e implementación.
Por otro lado, cada año que se avance en la reducción del tamaño de estos elementos, nos acercaremos al límite del mismo debido a que nos acercamos frenéticamente a lo que parece ser el final de dicha capacidad de fabricación. Ese límite no es más que el tamaño de los átomos; para que se entienda mejor, un átomo tiene un grosor medio de 0,32 nanómetros mientras que los semiconductores que se están empezando a desarrollar tendrían unos 5 nanómetros.
Así pues, parece necesario que en los próximos años se experimente un cambio radical en la forma en la que los procesadores deben funcionar, en sus elementos básicos o en la tecnología empleada hasta ahora (que no es más que reducir y reducir al máximo posible el tamaño de los transistores) dado que nos aproximamos precipitadamente hacia lo que parece no tener solución, la barrera del tamaño del átomo.
Parece factible pensar que seguir usando este sistema a corto y medio plazo es más o menos viable si lo comparamos con otros avances que se están estudiando en el presente; como es la computación cuántica, la cual tiene un coste tremendamente elevado y dado que es algo que está empezando a desarrollarse en la actualidad supone una incógnita de si será viable a nivel doméstico o no; de momento, no parece tener muchas papeletas para que veamos esta tecnología en los hogares; al menos, hasta dentro de unas cuantas décadas.
Si elaboramos una tabla con el tamaño de los semiconductores a lo largo de los años se puede apreciar como la velocidad con la que el tamaño (expresado en nanómetros) de estos componentes se reduce, experimenta un bajón enorme en la última década y esto no es sino por la gigantesca dificultad que supone seguir reduciendo su tamaño.
De hecho, durante estos años se están produciendo transistores de 7 y 5 nanómetros (nm); sin embargo, su aplicación dentro del procesador está resultando difícil dada la complejidad para su integración en los chips, estos problemas resultan mucho más difíciles de resolver y con un mayor coste ya que previsiblemente se tendrán que mejorar las máquinas usadas para su inclusión en los procesadores.
Resumiendo, parece ser que en los próximos años seguiremos viendo reducido el tamaño de estos componentes; aunque no sin un coste enorme, ya que cuanto más nos acercamos al límite físico de esta reducción más difícil y costosa supone llevarla a cabo, factor que a su vez influirá en el precio creciente de los procesadores que ya observamos en los últimos años y los cuales seguirán aumentando conforme este sistema de producción se haga más y más complejo.
Si elaboramos una tabla con el tamaño de los semiconductores a lo largo de los años se puede apreciar como la velocidad con la que el tamaño (expresado en nanómetros) de estos componentes se reduce, experimenta un bajón enorme en la última década y esto no es sino por la gigantesca dificultad que supone seguir reduciendo su tamaño.
De hecho, durante estos años se están produciendo transistores de 7 y 5 nanómetros (nm); sin embargo, su aplicación dentro del procesador está resultando difícil dada la complejidad para su integración en los chips, estos problemas resultan mucho más difíciles de resolver y con un mayor coste ya que previsiblemente se tendrán que mejorar las máquinas usadas para su inclusión en los procesadores.
Resumiendo, parece ser que en los próximos años seguiremos viendo reducido el tamaño de estos componentes; aunque no sin un coste enorme, ya que cuanto más nos acercamos al límite físico de esta reducción más difícil y costosa supone llevarla a cabo, factor que a su vez influirá en el precio creciente de los procesadores que ya observamos en los últimos años y los cuales seguirán aumentando conforme este sistema de producción se haga más y más complejo.
¿Cuáles son las consecuencias a largo plazo?
De lo comentado en el apartado anterior se desprende que este proceso de fabricación y mejora de los semiconductores no va a ser nada sencillo en el futuro, haciendo que su precio aumente conforme se avance en la tecnología; además, ya se está llegando al máximo que estos elementos van a poder reducirse, lo cual va a suponer que la mejora tenga que ser obtenida por otras fuentes; o en el peor de los casos, que se tenga que cambiar drásticamente el modo en que entendemos los procesadores en la actualidad. No podemos esperar que el tamaño se reduzca cada pocos años de manera indefinida y todo hace indicar que las técnicas empleadas hasta ahora no van a durar muchos años más (Difícil parece esperar que en 20 años sigamos hablando de reducciones en el tamaño de los transistores que conforman los procesadores actuales).
A tenor de lo expuesto, también resulta difícil de imaginar el incremento del número de núcleos por procesador, dado que una vez llegados al límite de tamaño de los componentes una de las maneras de aumentar tanto potencia como cantidad de núcleos sería la de aumentar el tamaño del propio microprocesador, solución que si bien es cierto podría adoptarse en los primeros años, a largo plazo tampoco sería una opción dado que por una parte, su uso debe de ser posible para la mayor cantidad de gente y elementos tecnológicos posibles (no imaginamos que un ordenador a 20 años vista sea tan grande que no quepa por la puerta de vivienda o móviles que no pueden ser sujetados con 1 sola mano) así como por la forma en la que se tendrían que rediseñar los disipadores para lidiar con la gran cantidad de calor producida por microprocesadores de un tamaño desproporcionado.
Con esto en mente, los fabricantes han sabido limitar dichas mejoras en el tiempo, alargando el mismo proceso de fabricación durante varios años en los que, o bien han mejorado otros elementos de los chips para conseguir ese extra de rendimiento con respecto a la generación anterior, o bien han limitado el potencial de esos chips anteriores pensando en los 2-4 años siguientes en los que la tecnología de producción empleada ha sido la misma pero mejorando los demás elementos internos así como la tecnología del mismo.
Debemos pensar que en el futuro lejano tendremos que dar un salto hacía otro tipo de computación (Previsiblemente, la computación cuántica) si no queremos quedarnos estancados en la potencia capaz de alcanzar en los dispositivos inteligentes que ya conocemos y los nuevos que están por llegar.
A tenor de lo expuesto, también resulta difícil de imaginar el incremento del número de núcleos por procesador, dado que una vez llegados al límite de tamaño de los componentes una de las maneras de aumentar tanto potencia como cantidad de núcleos sería la de aumentar el tamaño del propio microprocesador, solución que si bien es cierto podría adoptarse en los primeros años, a largo plazo tampoco sería una opción dado que por una parte, su uso debe de ser posible para la mayor cantidad de gente y elementos tecnológicos posibles (no imaginamos que un ordenador a 20 años vista sea tan grande que no quepa por la puerta de vivienda o móviles que no pueden ser sujetados con 1 sola mano) así como por la forma en la que se tendrían que rediseñar los disipadores para lidiar con la gran cantidad de calor producida por microprocesadores de un tamaño desproporcionado.
Con esto en mente, los fabricantes han sabido limitar dichas mejoras en el tiempo, alargando el mismo proceso de fabricación durante varios años en los que, o bien han mejorado otros elementos de los chips para conseguir ese extra de rendimiento con respecto a la generación anterior, o bien han limitado el potencial de esos chips anteriores pensando en los 2-4 años siguientes en los que la tecnología de producción empleada ha sido la misma pero mejorando los demás elementos internos así como la tecnología del mismo.
Debemos pensar que en el futuro lejano tendremos que dar un salto hacía otro tipo de computación (Previsiblemente, la computación cuántica) si no queremos quedarnos estancados en la potencia capaz de alcanzar en los dispositivos inteligentes que ya conocemos y los nuevos que están por llegar.
Conclusiones
Por un lado nos encontramos con que el sistema utilizado en la actualidad resulta el más eficiente a la hora de conseguir nuevos chips más potentes y pequeños que los predecesores. Esto es posible dado que las técnicas de fabricación usadas hasta ahora son realmente similares a las que se venían utilizando en los últimos años, ayudando a aprender y conocer de antemano cuáles pueden ser los problemas y soluciones que se deben aplicar para solventar los inconvenientes que se planteen durante los nuevos procesos de fabricación e implementación.
Por otro lado, cada año que se avance en la reducción del tamaño de estos elementos, nos acercaremos al límite del mismo debido a que nos acercamos frenéticamente a lo que parece ser el final de dicha capacidad de fabricación. Ese límite no es más que el tamaño de los átomos; para que se entienda mejor, un átomo tiene un grosor medio de 0,32 nanómetros mientras que los semiconductores que se están empezando a desarrollar tendrían unos 5 nanómetros.
Así pues, parece necesario que en los próximos años se experimente un cambio radical en la forma en la que los procesadores deben funcionar, en sus elementos básicos o en la tecnología empleada hasta ahora (que no es más que reducir y reducir al máximo posible el tamaño de los transistores) dado que nos aproximamos precipitadamente hacia lo que parece no tener solución, la barrera del tamaño del átomo.
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