Sin el silicio hipervitaminado no tendríamos la explosión de los procesadores más inteligentes

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Los procesadores son el corazón y el cerebro de los ordenadores, de los súper ordenadores, de las cámaras de fotos, de las tabletas, de los teléfonos y, en general, de cualquier dispositivo electrónico que funcione con algún tipo de programa informático o sistema operativo.

De todos modos, la historia de los procesadores es reciente. Ha tenido un crecimiento exponencial, eso sí, partiendo del 1.er chip moderno, entró en transistores de Silicio en vez de válvulas de vacío que data de 1971. Era el Intel® 4004. Tenía 2.300 transistores y el tamaño de cada uno de ellos era de 10(diez) micras (10.000 nm) con una rapidez de 740 MHz y una arquitectura de 4(cuatro) bits.

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Cuarenta y cinco años después, los chips tienen muchos muchos de millones de transistores, con un tamaño de inclusive 7(siete) nanometros, funcionando a aceleraciones de muchos GHz y con arquitecturas de 64 bits.

El camino hacia la miniaturización

La transformación de los procesadores para los ordenadores, ya fueran para uso doméstico, empresarial o en centros de supercomputación, estaba marcada por un extenso margen de maniobra en cuanto a consumo energético. Al menos hasta la llegada de los portátiles. No obstante en la década de los 90 del siglo pasado, empezaron a popularizarse aparatos organizadores de bolsillo, los PDA.

Uno de los primeros fue el Cupertino (Apple) Newton (1992), para continuar los Palm Pilot en 1996 y los aparatos Windows® CE en 1997 y Windows® Mobile en 2003. Estos organizadores personales empezaron a demandar tecnología específica para movilidad. Y más todavía si se combina una PDA con un móvil, como sucedió con el Nokia® 9000 Communicator en 1996 o ya en un instante más maduro, con el Ericsson R380 en el año(365 días) 2000.

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Estos aparatos requerían que se usasen procesadores optimizados para minimizar el consumo y maximizar el rendimiento. Mientras la arquitectura x86 empleada en procesadores de sobremesa o portátiles admite adquirir elevados rendimientos a costa de un mayor consumo de energía, la arquitectura ARM ha ido progresando para acomodarse a las necesidades de los aparatos teléfonos o los que tienen que sostener unas longitudes muy reducidas donde apenas sí hay hueco para instalar sistemas de disipación de calor.

En sus orígenes, difícilmente se pensaba que los aparatos teléfonos tendrían una repercusión tan formidable como la que tienen la telefonía celular y los smartphones, por lo que la transformación de los chips para los teléfonos ha tenido lugar en un 2.º plano durante muchos años. Sin embargo, ahora son los procesadores de sobremesa los que se ven eclipsados por el protagonismo de los procesadores móviles.

Poco a poco, ARM se ha ido transformando en la arquitectura preferida para smartphones, tablets y otros aparatos “Smart”. Primero fue en los PDA, luego en los celulares híbridos entre PDA y smartphone celular y finalmente en los smartphones. Para hacernos una idea sobre la transformación de ARM en los celulares teléfonos podemos destacar algunos modelos icónicos de celulares y mirar qué CPU usaban.

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Por ejemplo, el Nokia® 9210 Communicator en el año(365 días) 2001 usaba un procesador(CPU) ARM920T a 52 MHz con 2,5 millones de transistores con un tamaño de 250 nm. El iPhone® original, en 2007, usaba un procesador(CPU) ARM con tecnología de 90 nm. En 2010, el 1.er Samsung® Galaxy S usaba un procesador(CPU) con tecnología de 45nm y arquitectura ARM Cortex A8.

A día(24hrs) de hoy, estamos conversando de procesadores para teléfonos con un tamaño para los transistores de hasta 10(diez) nm, en cantidades que superan dos y hasta tres mil millones de ellos.

La suma de los progresos en distintas disciplinas

Estos rápidos progresos en la tecnología de los procesadores son el resultado de la conjunción de avances en áreas de las que depende la producción y el diseño(design) de los chips. Los procesadores son versiones ultra reducidas de los circuitos impresos que vemos cuando “destripamos” un dispositivo electrónico.

Las vestigios crean circuitos que conectan a los distintas elementos electrónicos. En un procesador(CPU) estas vestigios y los transistores que actúan como interruptores para la corriente eléctrica, tienen tamaños microscópicos. Para fabricarlos, se utilizan obleas de silicio con una pureza sumamente elevada, en las que se “imprimen” los entramados de circuitos que conforman el chip. El matiz estriba en que estas “impresoras” pueden costar centenares de millones de dólares.

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La forma de hacerlo es parecido a como se revela un negativo fotográfico: las partes oscuras del negativo bloquean la luz que viene al papel fotosensible, de modo que a la hora de poner el papel en la cubeta de revelado, las partes que han obtenido luz reaccionan y se tornan de color oscuro.

En los circuitos electrónicos sucede algo similar, sin embargo para proyectar el esquema en la oblea de silicio se requiere una “luz” con una dimensión de onda comparable al de las longitudes de los transistores. Es decir, hasta 7(siete) nm, para lo cual se emplean fuentes de radiación ultravioleta, por ejemplo.

Además, es exacto manejar sistemas litográficos de enorme precisión que permitan que todos y cada uno de los millones de transistores de los que consta el chip funcionen excelentemente y sin que haya errores en las vestigios de circuito.

Mediatek Nucleo

La reducción de tamaño de los transistores, aparte de sus beneficios, también cree enfrentarse a otros retos: con el silicio como material semiconductor por excelencia, se puede llegar a un cierto nivel de miniaturización, no obstante más allá aparecen problemas que crean exacto insertar nuevos elementos en la ecuación, como dieléctricos o capas de materiales con propiedades específicas para adecuar el comportamiento de los transistores a su escala microscópica. También es exacto “rediseñar” los transistores reubicando sus elementos constitutivos.

Mejor cuanto más pequeños

El comportamiento de los transistores en un procesador(CPU) es mejor cuanto más pequeños sean: es probable integrar más transistores, con un consumo energético más comedido. Asimismo de tener la oportunidad de tener más núcleos en un mismo chip, los productores tienen más margen para integrar en el mismo silicio que los núcleos de CPU y gráficos otros elementos como el módem de comunicaciones o el procesador(CPU) de imagen, así como memoria RAM.

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Por ello, a estos chips se les suele llamar a la vez SoC (System on a Chip) ya que integran prácticamente sistemas completos en una única pieza de silicio.

Otro factor que hace que la reducción de tamaño sea una ventaja es la económica. A medida que mejora la litografía, es probable “imprimir” más procesadores en una misma oblea, incrementando la producción, así como reduciendo el precio(costo) por chip, lo que contribuye a que los precios sean competitivos sin sacrificar el desempeño ni la funcionalidad.

La producción de las propias obleas es otra pieza de este rompecabezas, con una enorme importancia de cara a beneficiar el avance en los procesadores móviles. Lo ideal es tener obleas con un diámetro lo mayor posible. En el proceso de “impresión” cada oblea pasa por el proceso litográfico en un único paso independientemente del número de chips que se vayan a extraer de ella. Cuanto mayor sea la oblea, más chips obtendremos en cada tanda. Ahora mismo se utilizan obleas de 300 mm de diámetro, no obstante ya se está laborando en las de 450 mm.

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Parece fácil elaborar una oblea, no obstante en la práctica es un proceso sumamente complejo teniendo en cuenta que las obleas tienen que ser perfectas en cuanto a su geometría (grosor, alineación de la superficie) o en cuanto a la pureza de los materiales empleados en su fabricación. Una desviación ínfima en la formulación de los materiales semiconductores y dieléctricos puede inutilizar una oblea o crear que los chips sean defectuosos.

Las tendencias

En el universo de los procesadores para movilidad, las preferencias recientes apuntan hacia los chips multinúcleo, con entre cuatro y diez núcleos organizados en cluters big.LITTLE (grupos de núcleos con rendimientos diferenciados que se activan o desactivan dependiendo del desempeño que se exija) o inclusive con tres grupos de núcleos como en el caso del mostrado procesador(CPU) Meadiatek Helio X30. En este caso, parece que habrá un grupo de núcleos de bajo rendimiento, otro de desempeño medio y otro de desempeño máximo.

MediaTek ha fabricado un sistema llamado “core Pilot” que se encarga de designar para cada tarea el grupo de núcleos más conveniente para brindar el máximo desempeño con un consumo de energía ajustado y, de esta manera, aprovechar el máximo del procesador(CPU) y de la batería.

La arquitectura preferida para diseñar estos núcleos es la propia de ARM salvo contadas excepciones. Además, los productores no continuamente tienen “fabs” propias, sino que su papel se limita a diseñar los chips, no obstante la producción se la encargan a terceras partes como TSMC.

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El módem de comunicaciones y el procesador(CPU) de imagen tienden a tener un papel cada vez más relevante, sin olvidar al acelerador gráfico. Y empresas como Mediatek han obtenido forjarse una distinguido reputación en el universo de los procesadores teléfonos gracias a un proceso de transformación incesante y sin pasos en falso. Partiendo de modelos pensados para gamas medias y bajas de teléfonos y tabletas, para luego ir adoptando diseños más ambiciosos para audiencias más exigentes.

En la actualidad, Mediatek ha obtenido ponerse a la cabeza de la tecnología con sus chips Helio X10 (con ocho núcleos) y los Helio X20 y el futuro Helio X30 (ambos con diez núcleos) con una tecnología de producción sumamente avanzada con transistores de 10(diez) nm en el caso del X30 frente a los 16(dieciséis) nm y los 14(catorce) nm de los procesadores más ambiciosos del momento.

No se trata tanto de obtener récords de resistencia de procesamiento, como de lograr un funcionamiento equilibrado y eficiente energéticamente en la parte alta de cifras de rendimiento. La introducción del tri cluster (tres grupos de núcleos, cada uno de ellos diferenciado por la resistencia de procesamiento, aptos de funcionar bajo demanda dependiendo de la carga de trabajo) es un punto a favor de Mediatek, sin olvidar la presencia de chips específicos para el procesamiento(proceso) de imagen y las comunicaciones.

Foto | Apple Newton en Wikipedia, Litografía EUV en Wikipedia

[[Disclaimer: Contenido ofrecido por MediaTek]]

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