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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 móviles y, en general, de cualquier dispositivo electrónico que funcione con algún tipo de software o sistema operativo.

De todos modos, la historia de los procesadores es reciente. Ha tenido un desarrollo exponencial, eso sí, partiendo del primer chip moderno, basado 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 micras (10.000 nm) con una velocidad de 740 KHz y una arquitectura de 4 bits.

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Cuarenta y cinco años después, los chips tienen varios miles de millones de transistores, con un tamaño de incluso 7 nanometros, funcionando a velocidades de varios GHz y con arquitecturas de 64 bits.

El camino hacia la miniaturización

La evolución de los procesadores para los ordenadores, ya fueran para uso doméstico, empresarial o en centros de supercomputación, estaba marcada por un amplio margen de maniobra en cuanto a consumo energético. Al menos hasta la llegada de los portátiles. Pero en la década de los 90 del siglo pasado, empezaron a popularizarse dispositivos organizadores de bolsillo, los PDA.

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

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Estos dispositivos 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 permite obtener elevados rendimientos a costa de un mayor consumo de energía, la arquitectura ARM ha ido evolucionando para acomodarse a las necesidades de los dispositivos móviles o los que tienen que mantener unas dimensiones muy reducidas donde apenas sí hay hueco para instalar sistemas de disipación de calor.

En sus orígenes, difícilmente se pensaba que los dispositivos móviles tendrían una repercusión tan formidable como la que tienen la telefonía móvil y los smartphones, por lo que la evolución de los chips para los smartphones ha tenido lugar en un segundo 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 convirtiendo en la arquitectura preferida para smartphones, tabletas y otros dispositivos “Smart”. Primero fue en los PDA, luego en los terminales híbridos entre PDA y teléfono móvil y finalmente en los smartphones. Para hacernos una idea sobre la evolución de ARM en los terminales móviles podemos destacar algunos modelos icónicos de terminales y ver qué CPU usaban.

Arm

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

A día de hoy, estamos hablando de procesadores para móviles con un tamaño para los transistores de hasta 10 nm, en cantidades que superan dos y hasta tres mil millones de ellos.

La suma de los progresos en diferentes 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 fabricación y el diseño de los chips. Los procesadores son versiones ultra reducidas de los circuitos impresos que vemos cuando “destripamos” un aparato electrónico.

Las pistas crean circuitos que conectan a los diferentes componentes electrónicos. En un procesador estas pistas y los transistores que actúan como interruptores para la corriente eléctrica, tienen tamaños microscópicos. Para fabricarlos, se usan 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 similar a como se revela un negativo fotográfico: las partes oscuras del negativo bloquean la luz que llega al papel fotosensible, de modo que a la hora de meter el papel en la cubeta de revelado, las partes que han recibido luz reaccionan y se tornan de color oscuro.

En los circuitos electrónicos sucede algo similar, aunque para proyectar el esquema en la oblea de silicio se necesita una "luz" con una longitud de onda comparable al de las dimensiones de los transistores. Es decir, hasta 7 nm, para lo cual se emplean fuentes de radiación ultravioleta, por ejemplo.

Además, es preciso manejar sistemas litográficos de gran precisión que permitan que todos y cada uno de los millones de transistores de los que consta el chip funcionen perfectamente y sin que haya errores en las pistas de circuito.

Mediatek Nucleo

La reducción de tamaño de los transistores, aparte de sus beneficios, también supone enfrentarse a otros retos: con el silicio como material semiconductor por excelencia, se puede llegar a un cierto nivel de miniaturización, pero más allá aparecen problemas que hacen preciso introducir nuevos componentes 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 preciso "rediseñar" los transistores reubicando sus elementos constitutivos.

Mejor cuanto más pequeños

El comportamiento de los transistores en un procesador es mejor cuanto más pequeños sean: es posible integrar más transistores, con un consumo energético más comedido. Además de tener la posibilidad de tener más núcleos en un mismo chip, los fabricantes tienen más margen para incorporar en el mismo silicio que los núcleos de CPU y gráficos otros componentes como el módem de comunicaciones o el procesador de imagen, así como memoria RAM.

Mediatek 2016

Por ello, a estos chips se les suele llamar también 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 posible “imprimir” más procesadores en una misma oblea, aumentando la producción, así como reduciendo el precio por chip, lo que contribuye a que los precios sean competitivos sin sacrificar el rendimiento ni la funcionalidad.

La fabricación de las propias obleas es otra pieza de este rompecabezas, con una gran importancia de cara a favorecer el progreso 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 sacar de ella. Cuanto mayor sea la oblea, más chips obtendremos en cada tanda. Ahora mismo se usan obleas de 300 mm de diámetro, pero ya se está trabajando en las de 450 mm.

Bigstock Electronic Technology

Parece fácil elaborar una oblea, pero 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 hacer que los chips sean defectuosos.

Las tendencias

En el mundo de los procesadores para movilidad, las tendencias actuales 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 rendimiento que se exija) o incluso con tres grupos de núcleos como en el caso del anunciado procesador Meadiatek Helio X30. En este caso, parece que habrá un grupo de núcleos de bajo rendimiento, otro de rendimiento medio y otro de rendimiento máximo.

MediaTek ha desarrollado un sistema llamado “core Pilot” que se encarga de asignar para cada tarea el grupo de núcleos más apropiado para ofrecer el máximo rendimiento con un consumo de energía ajustado y, de esta manera, aprovechar el máximo del procesador y de la batería.

La arquitectura preferida para diseñar estos núcleos es la propia de ARM salvo contadas excepciones. Además, los fabricantes no siempre tienen "fabs" propias, sino que su papel se limita a diseñar los chips, pero la fabricación se la encargan a terceras partes como TSMC.

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El módem de comunicaciones y el procesador de imagen tienden a tener un papel cada vez más relevante, sin olvidar al acelerador gráfico. Y compañías como Mediatek han logrado forjarse una notable reputación en el mundo de los procesadores móviles gracias a un proceso de evolución constante y sin pasos en falso. Partiendo de modelos pensados para gamas medias y bajas de smartphones y tabletas, para luego ir adoptando diseños más ambiciosos para audiencias más exigentes.

En la actualidad, Mediatek ha conseguido 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 fabricación sumamente avanzada con transistores de 10 nm en el caso del X30 frente a los 16 nm y los 14 nm de los procesadores más ambiciosos del momento.

No se trata tanto de conseguir récords de potencia 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 potencia de procesamiento, capaces 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 de imagen y las comunicaciones.

Foto | Apple Newton en Wikipedia, Litografía EUV en Wikipedia

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