Por qué la velocidad del reloj de la CPU no aumenta

Hubo una época en que la velocidad del reloj de la CPU aumentaba drásticamente de un año a otro. En los años 90 y principios de los 2000, los procesadores aumentaron a velocidades increíbles, disparando desde chips Pentium de 60 MHz a procesadores de nivel de gigahercios en una década.

Ahora, parece que incluso los procesadores de gama alta han dejado de aumentar sus velocidades de reloj. Los overclockers dedicados pueden forzar el mejor silicio a alrededor de 9 GHz con sistemas de enfriamiento de nitrógeno líquido, pero para la mayoría de los usuarios, 5 GHz es un límite que aún no se ha superado.

Intel alguna vez planeó alcanzar un procesador de 10 GHz, pero eso sigue estando tan fuera de alcance hoy como hace diez años. ¿Por qué dejó de aumentar la velocidad del reloj del procesador? ¿Empezará a aumentar de nuevo la velocidad del reloj del procesador o ha pasado ese tiempo?

Por qué la velocidad del reloj de la CPU no aumenta: calor y energía

Ley de Moores que aumenta la velocidad del reloj

Como sabemos de Ley de moore, el tamaño del transistor se reduce de forma regular. Esto significa que se pueden empaquetar más transistores en un procesador. Normalmente, esto significa una mayor potencia de procesamiento. También hay otro factor en juego, llamado Escala de Dennard. Este principio establece que la potencia necesaria para hacer funcionar los transistores en una unidad de volumen particular permanece constante incluso cuando aumenta el número de transistores.

Sin embargo, hemos comenzado a encontrarnos con los límites del escalado de Dennard y algunos están preocupados que la ley de Moore se está desacelerando. Los transistores se han vuelto tan pequeños que la escala de Dennard ya no se mantiene. Los transistores se encogen, pero aumenta la potencia necesaria para ejecutarlos.

la velocidad del reloj aumenta la potencia de fuga

Las pérdidas térmicas también son un factor importante en el diseño de chips. Colocar miles de millones de transistores en un chip y encenderlos y apagarlos miles de veces por segundo genera una tonelada de calor. Ese calor es mortal para el silicio de alta precisión y alta velocidad. Ese calor tiene que ir a alguna parte, y se requieren soluciones de enfriamiento adecuadas y diseños de chips para mantener velocidades de reloj razonables. Cuantos más transistores se agreguen, más robusto debe ser el sistema de enfriamiento para adaptarse al aumento de calor.

El aumento de la velocidad del reloj también implica un aumento de voltaje, lo que conduce a un aumento cúbico en el consumo de energía del chip. Entonces, a medida que aumenta la velocidad del reloj, se genera más calor, lo que requiere soluciones de enfriamiento más potentes. Hacer funcionar esos transistores y aumentar la velocidad del reloj requiere más voltaje, lo que lleva a un consumo de energía dramáticamente mayor. Entonces, cuando tratamos de aumentar la velocidad del reloj, encontramos que el consumo de calor y energía aumenta dramáticamente. Al final, los requisitos de energía y la producción de calor superan la velocidad del reloj.

Por qué la velocidad del reloj de la CPU no aumenta: problemas de transistores

El diseño y la composición de los transistores también impiden las velocidades de reloj de los titulares fáciles que una vez vimos. Si bien los transistores se están volviendo más pequeños de manera confiable (testigo de la reducción del tamaño del proceso con el tiempo), no están funcionando más rápidamente. Por lo general, los transistores se han vuelto más rápidos porque sus puertas (la parte que se mueve en respuesta a la corriente) se han adelgazado. Sin embargo, desde el proceso de 45 nm de Intel, la puerta del transistor tiene aproximadamente 0,9 nm de grosor, o aproximadamente el ancho de un solo átomo de silicio. Si bien los diferentes materiales del transistor pueden permitir una operación de puerta más rápida, los aumentos de velocidad fáciles que una vez tuvimos probablemente hayan desaparecido.

sección transversal del transistor que aumenta la velocidad del reloj

La velocidad del transistor ya no es el único factor en la velocidad del reloj. Hoy en día, los cables que conectan los transistores también son una gran parte de la ecuación. A medida que los transistores se encogen, también lo hacen los cables que los conectan. Cuanto más pequeños sean los cables, mayor será la impedancia y menor será la corriente. El enrutamiento inteligente puede ayudar a reducir el tiempo de viaje y la producción de calor, pero un aumento espectacular de la velocidad puede requerir un cambio en las leyes de la física.

Conclusión: ¿No podemos hacerlo mejor?

Eso solo explica por qué es difícil diseñar chips más rápidos. Pero estos problemas con el diseño de chips se resolvieron antes, ¿verdad? ¿Por qué no se pueden superar de nuevo con suficiente investigación y desarrollo?

Gracias a las limitaciones de la física y los diseños actuales de materiales de transistores, aumentar la velocidad del reloj no es actualmente la mejor manera de aumentar la potencia computacional. Hoy en día, las mayores mejoras en la potencia provienen de diseños de procesadores de múltiples núcleos. Como resultado, vemos chips como las ofertas recientes de AMD, con un número drásticamente aumentado de núcleos. El diseño de software aún no se ha puesto al día con esta tendencia, pero parece ser la dirección principal del diseño de chips en la actualidad.

Velocidades de reloj más rápidas no necesariamente significan computadoras más rápidas y mejores. La capacidad de la computadora aún puede aumentar incluso si la velocidad del reloj del procesador se estabiliza. Las tendencias en el procesamiento de múltiples núcleos proporcionarán una mayor potencia de procesamiento a las mismas velocidades de titulares, especialmente a medida que mejore la paralelización del software.

Credito de imagen: ourworldindata.org

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