Nunca hemos llegado a tener procesadores de terahercios, y estas son las razones

Nunca hemos llegado a tener procesadores de terahercios, y estas son las deducciones

¿Sabes lo que es preferible que un gigahercio? Un terahercio. El problema, claro, es que alcanzar que un procesador logre procesar a esa frecuencia de reloj no es ni mucho menos trivial.

La Ley de Moore se nos queda corta ante una CPU de tal magnitud, y de hecho apenas sí hemos llegado a contar con procesadores de cinco GHz y llevamos años anclados en esos límites. Así pues, ¿es la CPU a un terahercio posible? Lo cierto es que sí.

De núcleos y overclocking

Durante cierto tiempo la batalla por los “megahercios” dominó la empresa del PC. En aquellos tiempos AMD inclusive logró ganarle a Intel en la particular carrera por llegar a brindar una CPU a 1 GHz, y las mejoras en este ámbito eran constantes.

Amd Un Athlon Thunderbird como este fue el 1° en alcanzar llegar a superar la barrera de 1 GHz en cuanto a frecuencia de reloj. Ocurrió en el año 2000.

Y entonces, algo pasó: ni las nuevas microarquitecturas ni dar el salto a procesos litográficos mas avanzados consiguieron ser bastante para los fabricantes. Aquellos micros no podían ir mas veloz porque si lo hacían, acababan fritos debido al calor generado por estos elementos funcionando a dichas frecuencias.

Eso, claro, impuso varias alternativas, la mas famoso de las cuales ha sido el overclocking, una técnica que acepta ir mas allá de los límites “oficiales” que imponen los fabricantes. Si uno tiene nitrógeno líquido a raudales y mucho tiempo que invertir, puede alcanzar frecuencias que se acercan a los nueve GHz, sin embargo eso son casos excepcionales a los que el cliente de a pie nunca obtendrá a su alcance.

En lugar de eso los creadores cambiaron la pregunta. ¿Y si en lugar de investigar mas rapidez buscamos mas paralelismo y eficiencia? Eso es precisamente lo que hicieron con unos diseños y microarquitecturas en las que de repente lo significativo era tener mas núcleos, no mas megahercios.

Esa es una de las deducciones por las que en 2018 logramos no tener procesadores de 1 terahercio, sin embargo sí que tenemos micros con 32 núcleos de proceso y 64 hilos de ejecución, algo casi impensable hace una década.

El paralelismo ofrecido por este procesador es asombroso, sin embargo lo cierto es que la frecuencia de reloj, aun siendo notable, no es espectacular: cada uno de sus 32 núcleos tiene una frecuencia estándar de tres GHz que puede dar el salto a los 4,2 GHz cuando la carga de trabajo lo requiere.

Para algunos los núcleos no son suficientes. Para ellos la búsqueda del chip que llegue a procesar a un terahercio es lo único importante, y están empezando a inventar mejoras notables para lograrlo.

Por qué no logramos tener procesadores de 1 THz

Como decíamos, hasta no hace mucho esa carrera de los megahercios y los gigahercios podría haber hecho pensar a algunos que esa barrera del terahercio (1 THz = 1.000 GHz) no estaba tan alejada. Sin embargo pronto se comprobó que había muchos obstáculos a la hora de tratar de alcanzar ese objetivo:

Grafeno1
  • Tamaño de los transistores: en 2004 el Pentium cuatro tenía 170 millones de transistores, y el Xeon E5 de 2016 tiene 7.200 millones. Cuantos mas transistores, mas pequeños son y mas electricidad pierden, lo que hace complicado ampliar las frecuencias de reloj.
  • Disipación de calor: cuanto mas alta es la frecuencia de reloj de un procesador, mas calor genera. Con la suma de transistores que existen en los procesadores modernos es todavía mas significativo sostener las temperaturas a raya, y eso implica que los creadores limitan la frecuencia a la que un procesador puede operar para garantizar su longevidad.
  • La era multicore: como mencionábamos anteriormente, ya que no logramos tener frecuencias de reloj mas altas, sí que logramos contar con mas núcleos para optimizar el rendimiento de cada nucleo y de las actividades que aprovechan esos núcleos simultáneamente. Aquí hay un resistente componente software —el metodo operativo y las programas deben aprovechar ese numero de núcleos—, lo que acepta inventar las cosas mas veloz con frecuencias de reloj menores porque mas núcleos ayudan en esa tarea.

Hay otro dilema fundamental, y como apunta Iain McClatchie, que trabaja en comprobación de procesadores como el MIPS R8000, mas allá de los transistores la barrera esta en el diminuto cableado de esos procesadores.

Todas vías y pistas que comunican todos esos transistores y circuitos dicen con una limitación significativo en cuanto a la rapidez a la que pueden retransmitir datos. Hablamos de escalas casi incompresibles, y este maestro hablaba como cuando una puerta lógica cambia de estado se hace una transición en la que una señal necesita avanzar una distancia muy corta que habitualmente tarda en avanzar menos de diez picosegundos.

El dilema es que esos cables pequeños acaban atenuando la señal, lo que obliga a que para que la puerta lógica detecte el cambio sean necesarios cientos de picosegundos, que como decimos parece algo insignificante sin embargo que es preocupante a estas escalas.

Para solucionar el dilema entra en videojuego la que podría ser la tecnología de fibra óptica, enorme esperanza de los estudiosos del tema. Otros confían en ese otro material mágico que continua dando titulares sin embargo que por ahora no ha conseguido llegar a mucho más: el grafeno.

Fibra óptica o grafeno como candidatos para la futura CPU de 1 THz

No tenemos chips a 1 THz, sin embargo no será desde despues porque diversos grupos de investigación no lo estén intentando. Un clan de examinadores de la Universidad de Jerusalén indicaban en marzo de 2018 como habían conseguido inventar una tecnología que habilitaría la creación de procesadores con velocidades que superarían el mítico terahercio.

Fibra

El secreto de esta tecnología estaría en el uso de tecnología de fibra óptica en mezcla con una estructura llamada MONOS (metal-oxide-nitride-oxide-silicon) que permitiría inventar un nuevo tipo de circuito integrado que en un 1° paso, afirman sus repsonsables, permitiría la creación de procesadores con frecuencias de reloj de entre ocho y 16 GHz. Eso sí: estos chips estarían enviados a la gestión de comunicaciones inalámbricas, al menos de momento.

A esa idea se le suman alternativas basadas en el grafeno, el material que lleva años prometiendo mejoras fundamentales en multiples áreas. Varios examinadores del laboratorio de exploración HZDR (Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf), la Universidad de Duisburg-Essen y el instituto Max Plank revelaban en agosto de 2018 como por 1ª vez el frafeno podía cambiar señales eléctricas con frecuencias en el rango de los gigahercios para multiplicarlas de forma efectiva y llegar a así a frecuencias del orden de los terahercios.

Según el Dr. Michael Gensh, uno de los encargados del avance, “hemos sido capaces de entregar la 1ª prueba directa de multiplicación de frecuencia de gigahercios a terahercios en una monocapa de grafeno y producir señales electrónicas en la variedad de terahercios con una eficacia notable”.

Esa capacidad del grafeno llevaba tiempo anticipándose, sin embargo estos examinadores han conseguido usar pulsos electromagnéticos con frecuencias de entre 300 y 680 gigahercios y multiplicarlas hasta por siete para llevarlas al rango de frecuencias de los terahercios.

Para dichos investigadores, este ensayo acepta indicar que es factible concebir “componentes híbridos ultrarrápidos hechos de grafeno y semiconductores tradicionales“. Puede que el procesador convencional a un terahercio este lejos, sí, sin embargo estos mejoras parecen vislumbrar su existencia en el futuro.

En Xataka | El futuro no esta hecho sólo de grafeno

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La novedad Nunca hemos llegado a tener procesadores de terahercios, y estas son las deducciones fue publicada originalmente en Xataka por Javier Pastor .


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