Rompiendo la ley de Moore: cómo los fabricantes de chips están empujando las computadoras a niveles nuevos

No hay dos formas de hacerlo: la PC se está desacelerando con la edad.

Eso puede ser un poco duro las computadoras son más rápidas y más pequeñas que nunca, pero el rendimiento del procesador simplemente no avanza a un ritmo vertiginoso. En un momento, los saltos de 50 a 60 por ciento en el rendimiento anual eran comunes. Ahora, las mejoras de 10 a 15 por ciento son la norma.

Afortunadamente, las computadoras que tienen más de cinco años todavía pueden hacer frente a las tareas diarias sin problemas, por lo que la desaceleración del rendimiento no es un gran problema. Además, es bueno no tener que reemplazar tu PC cada dos años durante una economía en baja. Pero la tecnología no avanza al apegarse al status quo. El futuro necesita velocidad !

"No creo que haya ningún ifs o peros sobre esto. Las arquitecturas heterogéneas son el camino del futuro."

Afortunadamente, el Los nombres más importantes en los procesadores de PC no están satisfechos con el status quo. Los fabricantes de chips están trabajando furiosamente para resolver los problemas planteados por la desaceleración de la Ley de Moore y el aumento de la pared eléctrica, en un intento por mantener el pedal de rendimiento al nivel del metal.

¿Qué clase de trucos radicales tienen bajo la manga? ? Varios tipos diferentes, en realidad, y cada uno tiene un gran potencial para el futuro. Echemos un vistazo detrás de la cortina.

Intel: construyendo sobre los hombros de gigantes

Wikipedia / Wikimedia CommonsEl transistor de la nave cuenta a lo largo de los años. (Haga clic para ampliar.)

¿Podemos apuntar las insignificantes ganancias de rendimiento de hoy en día a un colapso en la Ley de Moore? No exactamente. La legendaria línea de Moore podría citarse con frecuencia para hablar del rendimiento de la CPU, pero la letra de la Ley gira en torno a la cantidad de transistores en un circuito que se duplica cada dos años.

Mientras otros fabricantes de chips han luchado para reducir los transistores y exprimir más en un chip, Intel, la compañía que el propio Moore cofundó, ha mantenido el ritmo de la Ley de Moore desde su emisión, un logro que se puede poner a los pies del pequeño ejército de ingenieros de Intel. No solo ingenieros. Ingenieros inteligentes.

A medida que los transistores se compactan más, las preocupaciones sobre el calor y la eficiencia energética se convierten en problemas importantes. Ahora que los transistores alcanzan tamaños casi infinitesimalmente pequeños: cada uno de los más de mil millones de transistores en los chips Ivy Bridge de Intel mide 22 nanómetros (nm), o aproximadamente 0.000000866 pulgadas, conquistar esos males requiere un pensamiento creativo.

"No hay dudas de que se está difícil ", dijo el gerente de fabricación técnica de Intel, Chuck Mulloy, en una entrevista telefónica. "Realmente, realmente duro. Es decir, estamos en el nivel atómico."

Para mantener el progreso en marcha, Intel ha realizado algunos cambios significativos en el diseño base de los transistores en el pasado década. En 2002, la compañía anunció que cambiaba al llamado "silicio filtrado", que aumentaba el rendimiento de los chips entre un 10 y un 20 por ciento al deformar ligeramente la estructura de los cristales de silicio. Sin embargo, la energía de

Mo 'significa más problemas. Específicamente, a medida que los transistores continúan encogiéndose, sufren un aumento de la "fuga" de electrones, lo que los hace mucho menos eficientes. Dos ajustes recientes combaten esa fuga de maneras novedosas.

Sin volverse demasiado geek, la compañía comenzó cambiando los aisladores de dióxido de silicio estándar de los transistores a favor de aisladores más eficientes de "compuertas de metal de alta k" durante su cambio a la Proceso de fabricación de 45nm. Parece simple, pero en realidad fue un gran problema. A esto siguió un cambio aún más monumental, con la introducción de la tecnología de transistores "tri-gate" o "3D" en los actuales chips Ivy Bridge de Intel.

Imagen IntelAn que compara el flujo de electrones a través de planar (izquierda) y transistores de compuerta (derecha). Los electrones en los transistores de tres compuertas fluyen en el plano vertical, en comparación con el flujo plano de los transistores planos tradicionales.

Los transistores "planar" tradicionales tienen un par de "puertas" a cada lado de los canales que transportan electrones. Los transistores de tres puertas destrozaron ese pensamiento bidimensional con la adición de una tercera puerta sobre el canal, conectando las dos puertas laterales. El diseño mejora la eficiencia al reducir las fugas al tiempo que reduce las necesidades de energía. De nuevo, suena simple, pero la fabricación de transistores tridimensionales requiere una inmensa precisión técnica. Por el momento, Intel es el único fabricante de chips procesadores de envío con transistores 3D.

¿Qué sigue para Intel? La compañía no dice nada. De hecho, Mulloy dice que cualquier tecnología que la compañía pueda usar -como, por ejemplo, el proceso de fabricación de litografía ultravioleta extrema de próxima generación- entra en un "agujero negro" de PR años antes de que Intel lo introduzca en sus chips. Sin embargo, enfatizó, las mejoras del pasado discutidas arriba no se detienen cuando se presentan al público.

"La gente tiende a pensar que 'Intel usó esto, ahora están en lo siguiente'", Mulloy dijo. "El silicio deformado no desapareció cuando agregamos las capacidades de la compuerta de metal high-k. La compuerta de metal de alta k no desapareció cuando íbamos a transistores de tres compuertas, aún estamos construyendo y mejorando en eso. Estamos en la cuarta generación de silicio filtrado, la tercera generación de compuertas metálicas high-k, y nuestros próximos chips de 14nm serán la segunda generación de tri-gate. "

La mejor tecnología de chips por ahí sigue mejorando, en en otras palabras.

Ah, y por lo que vale, Intel piensa que la Ley de Moore continuará igual para al menos dos generaciones más de transistor-encogimiento.

AMD: Computación paralela hasta el final

Sin embargo, Intel no es el único fabricante de chips en la ciudad. En lugar de apostar puramente por mejoras en la tecnología de transistores, AMD rival cree que el futuro del rendimiento depende de reducir un poco las CPU al transferir parte de la carga de trabajo a otros procesadores que podrían ser más adecuados para tareas particulares. Los procesadores gráficos, por ejemplo, fuman a través de tareas que requieren una multitud de cálculos simultáneos, como el descifrado de contraseñas, la extracción de Bitcoin y muchos usos científicos.

¿Alguna vez escuchó sobre la informática paralela? De eso es de lo que estamos hablando.

AMDEl diseño de una APU AMD construida según los estándares HSA.

"Entrar en nodos más pequeños en el lado del transistor aumenta el rendimiento [de la CPU] de 6 a 8 a quizás 10 por ciento, año tras año ", dice Sasa Marinkovic, un fabricante sénior de marketing de tecnología de AMD. "Pero agregar una GPU con capacidades de computación GPU da ganancias mucho mayores. Por ejemplo, para Internet Explorer 8 a IE9 el aumento en el rendimiento fue 400 por ciento- cuatro veces el rendimiento de la generación anterior, y todo es gracias a La aceleración de la GPU de [IE9]. "

" Vemos ese tipo de rendimiento saltar dentro del envolvente de potencia de hoy en día, o puede reducir mucho la potencia y ver el mismo rendimiento [que tiene hoy] ", dice Marinkovic.

AMD ha avanzado lentamente hacia una arquitectura de sistema heterogénea -como se llama el método de distribuir la carga de trabajo entre varios procesadores en un solo chip- en sus populares unidades de procesamiento acelerado (APU), incluida la que alimenta la próxima consola de juegos PlayStation 4. Las APU contienen núcleos de CPU tradicionales y un gran núcleo de gráficos Radeon en el mismo troquel, como se muestra en el diagrama de bloques anterior. La CPU y la GPU en las APU Kaveri de próxima generación de AMD compartirán el mismo grupo de memoria, borrando aún más las líneas y ofreciendo un rendimiento aún más rápido.

AMD no es el único fabricante de chips que respalda la idea de la informática paralela. La compañía fue miembro fundador de la HSA Foundation, un consorcio de los principales fabricantes de chips, aunque sans Intel y Nvidia, que trabajan juntos para crear estándares que, con suerte, facilitarán la programación para computación paralela en el futuro.

Es bueno que las empresas líderes en la industria proporcionen la columna vertebral de la visión de la Fundación HSA, porque para que el gran futuro heterogéneo de la computación paralela llegue a buen término, los programas y las aplicaciones deben escribirse específicamente para aprovechar el diseños de hardware.

HSA Foundation

"El software es la clave", admite Marinkovic. "Cuando observa APU con [compatibilidad HSA completa] y sin HSA completa, el software tendrá que cambiar. Pero será un cambio para mejor … Donde queremos llegar es código-una vez, y usar en todas partes. usted tiene la arquitectura HSA en todas estas diferentes compañías de HSA Foundation, con suerte podrá escribir un programa para PC y ejecutarlo en su teléfono inteligente o tableta con pequeños ajustes o compilación. "

Ya puede encontrar la aplicación interfaces de procesamiento (API) que permiten el cómputo GPU en paralelo, como plataforma CUDA GeForce centradas de Nvidia, la API DirectCompute al horno en DirectX 11 en el sistema Windows, y OpenCL, una solución de código abierto gestionado por el Grupo Khronos.

Soporte para la aceleración de hardware se está acelerando entre los desarrolladores de software, aunque la mayoría de los programas manejan gráficos intensivos de alguna manera. Internet Explorer y Flash están en el carro, por ejemplo. La semana pasada, Adobe anunció que estaba agregando soporte OpenCL para la versión de Premiere Pro para Windows. Según los representantes, los usuarios con tarjetas gráficas discretas de AMD o APU podrán aprovechar la aceleración de GPU para editar videos HD y 4K en tiempo real, o exportar videos hasta 4.3 veces más rápido que el software base no acelerado.

"I no creo que haya dudas o peros sobre esto ", dice Marinkovic. "Las arquitecturas heterogéneas son el camino del futuro."

OPEL: ¡Hasta ahora, silicio, hola, arseniuro de galio!

¿Pero ese futuro está basado en la tecnología del silicio, como lo es la informática actual?

Definitivamente, a corto plazo. Definitivamente no, a largo plazo. En algún momento en el futuro -los expertos no saben exactamente cuándo- el silicio llegará a su límite y simplemente no podrá ser empujado más allá. Los fabricantes de chips tendrán que cambiar a otro material.

MIT La vista de un transistor de arseniuro de galio del indio fabricado por investigadores del MIT.

Ese día está muy lejos, pero los investigadores ya están explorando alternativas. Los procesadores de grafeno reciben una gran cantidad de publicidad como un potencial sucesor de silicio, pero OPEL Tecnologías piensa que el futuro está en el arseniuro de galio.

OPEL ha estado ajustando la tecnología de arseniuro de galio en el centro de su POET (planar Opto Electronic Technology) plataforma durante más de 20 años, y la compañía ha trabajado con BAE y el Departamento de Defensa de EE. UU. (entre otros) para validarlo. Mientras incursiones pasadas de procesadores en el arseniuro de galio han terminado en decepción leve, representantes de OPEL dicen que su tecnología patentada está listo para el gran momento.

OPEL sólo recientemente salieron de la fase de I + D y no ha tratado de hacer transistores pequeñita en Ivy Bridge de Tamaño de 20 nm, pero la compañía afirma que a 800 nm, los procesadores de arseniuro de galio son más rápidos que el silicio de hoy y usan aproximadamente la mitad de voltaje.

"Si quería igualar la velocidad de los procesadores de silicio de hoy, aproximadamente una frecuencia de reloj de 3GHz, no tendría que bajar hasta 20 o 30 nanómetros ", dice el Dr. Geoffrey Taylor, científico en jefe de OPEL. "Diablos, probablemente podrías golpear eso a 200nm". Y eso es usar tecnología plana, no transistores 3D.

Uno de los mayores problemas que enfrenta cualquier alternativa de silicio es que el silicio es la tecnología más avanzada del mundo, con miles de millones invertidos en la fabricación de procesadores de silicio para Máxima eficiencia. Va a ser difícil convencer a Intel, AMD, ARM y la Fundación HSA de que retiren todo eso por un nuevo material. OPEL dice que su tecnología tiene una gran superposición con los métodos actuales de fabricación de silicio.

"Es escalable y está conectada a CMOS", dice el director ejecutivo Peter Copetti. "Eso es muy importante. En nuestras conversaciones con diferentes fundiciones y compañías de semiconductores, lo primero que preguntan es '¿Tengo que volver a equipar mis instalaciones?' La inversión aquí es mínima porque nuestro sistema es complementario de lo que hay ahora ". OPEL también dice que sus obleas son reutilizables.

European Space AgencyUna sala limpia de la Agencia Espacial Europea para la fabricación de chips.

El International Technology Roadmap for Semiconductors ha identificado el arseniuro de galio como un posible reemplazo de silicio en algún momento entre 2018 y 2026. Todavía hay un montón de pruebas y la transición para hacerse antes de que el arseniuro de galio capture cualquier del mercado de procesadores de PC., pero si incluso una fracción de las afirmaciones de OPEL es cierta, su tecnología podría impulsar a los procesadores del futuro.

Bueno, al menos hasta que rompamos los transistores moleculares o la computación cuántica. Pero eso es todo un artículo …

Avanzando hacia un mañana que se derrite por la cara

Entonces, después de todo eso, ¡ah!, Tienes una mejor idea de hacia dónde se dirige el futuro del rendimiento de la PC. Las iniciativas de Intel, AMD y OPEL abordan cada uno grandes problemas de maneras decididamente diferentes, pero eso es algo bueno. Después de todo, no quieres todos tus huevos potenciales en una sola cesta. Y lo mejor de todo es que si todas esas piezas dispares del rompecabezas de rendimiento de PC resultan exitosas, podrían teóricamente fusionarse en La moda tipo Voltron para crear un procesador de arseniuro de galio tri-gate súper potente, asistido por GPU que podría hacer volar los pantalones hasta los procesadores Core i7 más potentes. La curva de rendimiento de hoy puede estar disminuyendo, pero el futuro nunca se vio tan

bestial.