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

¿Sabes lo que es mejor que un gigahercio? Un terahercio. El problema, claro, es que conseguir que un procesador logre funcionar 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 5 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 industria del PC. En aquellos tiempos AMD incluso logró ganarle a Intel en la particular carrera por llegar a ofrecer una CPU a 1 GHz, y las mejoras en este ámbito eran constantes.

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

Eso, claro, impuso algunas alternativas, la más popular de las cuales ha sido el overclocking, una técnica que permite ir más allá de los límites "oficiales" que imponen los fabricantes. Si uno tiene nitrógeno líquido a raudales y mucho tiempo que invertir, puede lograr frecuencias que se acercan a los 9 GHz, pero eso son casos excepcionales a los que el usuario de a pie jamás tendrá a su alcance.

En lugar de eso los fabricantes cambiaron la pregunta. ¿Y si en lugar de buscar más velocidad buscamos más paralelismo y eficiencia? Eso es precisamente lo que hicieron con unos diseños y microarquitecturas en las que de repente lo importante era tener más núcleos, no más megahercios.

Esa es una de las razones por las que en 2019 podemos no tener procesadores de 1 terahercio, pero sí que tenemos micros con 32 núcleos de proceso y 64 hilos de ejecución, algo casi impensable hace una década.

En abril de 2019, por ejemplo, Intel presentó una CPU bestial con 56 núcleos y 112 hilos de ejecución, y en AMD están trabajando en un procesador aún más impresionante en este ámbito con 64 núcleos y 128 hilos de ejecución.

El paralelismo ofrecido por este procesador es asombroso, pero 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 3 GHz que puede dar el salto a los 4,2 GHz cuando la carga de trabajo lo requiere. A medida que bajamos de núcleos, eso sí, sube la frecuencia: el Intel Core i9-9900KS lo demuestra con sus ocho núcleos funcionando (sin trucos) a 5 GHz.

Para algunos los núcleos no son suficientes. Para ellos la búsqueda del chip que llegue a funcionar a un terahercio es lo único importante, y están comenzando a hacer avances relevantes para lograrlo.

Por qué no podemos 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 varios obstáculos a la hora de tratar de lograr ese objetivo:

• Tamaño de los transistores: en 2004 el Pentium 4 tenía 170 millones de transistores, y el Xeon E5 de 2016 tiene 7.200 millones. Cuantos más transistores, más pequeños son y más electricidad pierden, lo que hace difícil aumentar las frecuencias de reloj.
• Disipación de calor: cuanto más alta es la frecuencia de reloj de un procesador, más calor genera. Con la cantidad de transistores que existen en los procesadores modernos es aún más importante mantener las temperaturas a raya, y eso implica que los fabricantes limitan la frecuencia a la que un procesador puede operar para garantizar su longevidad.
• La era multicore: como mencionábamos anteriormente, ya que no podemos tener frecuencias de reloj más altas, sí que podemos contar con más núcleos para mejorar el rendimiento de cada nucleo y de las tareas que aprovechan esos núcleos simultáneamente. Aquí hay un fuerte componente software —el sistema operativo y las aplicaciones deben aprovechar ese número de núcleos—, lo que permite hacer las cosas más rápido con frecuencias de reloj menores porque más núcleos ayudan en esa tarea.

Hay otro problema fundamental, y como apunta Iain McClatchie, que trabaja en verificación de procesadores como el MIPS R8000, más allá de los transistores la barrera está en el diminuto cableado de esos procesadores.

Todas vías y pistas que comunican todos esos transistores y circuitos cuentan con una limitación importante en cuanto a la velocidad a la que pueden transmitir datos. Hablamos de escalas casi incompresibles, y este experto hablaba cómo cuando una puerta lógica cambia de estado se hace una transición en la que una señal necesita recorrer una distancia muy corta que habitualmente tarda en recorrer menos de 10 picosegundos.

El problema es que esos cables diminutos 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 pero que es preocupante a estas escalas.

Para solucionar el problema entra en juego la que podría ser la tecnología de fibra óptica, gran esperanza de los estudiosos del tema. Otros confían en ese otro material mágico que sigue dando titulares pero que por ahora no ha logrado 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, pero no será desde luego porque diversos grupos de investigación no lo estén intentando. Un grupo de investigadores de la Universidad de Jerusalén indicaban en marzo de 2018 cómo habían logrado crear una tecnología que habilitaría la creación de procesadores con velocidades que superarían el mítico terahercio.

El secreto de esta tecnología estaría en el uso de tecnología de fibra óptica en combinación con una estructura llamada MONOS (metal-oxide-nitride-oxide-silicon) que permitiría crear un nuevo tipo de circuito integrado que en un primer paso, afirman sus responsables, permitiría la creación de procesadores con frecuencias de reloj de entre 8 y 16 GHz. Eso sí: estos chips estarían destinados 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 avances importantes en diversas áreas. Varios investigadores del laboratorio de investigación HZDR (Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf), la Universidad de Duisburg-Essen y el instituto Max Plank revelaban en agosto de 2018 cómo por primera vez el grafeno podía convertir señales eléctricas con frecuencias en el rango de los gigahercios para multiplicarlas de forma eficiente y llegar a así a frecuencias del orden de los terahercios.

Según el Dr. Michael Gensh, uno de los responsables del avance, "hemos sido capaces de proporcionar la primera prueba directa de multiplicación de frecuencia de gigahercios a terahercios en una monocapa de grafeno y generar señales electrónicas en la gama de terahercios con una eficiencia notable".

Esa capacidad del grafeno llevaba tiempo anticipándose, pero estos investigadores han logrado utilizar 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 experimento permite demostrar que es posible concebir "componentes híbridos ultrarrápidos hechos de grafeno y semiconductores tradicionales". Puede que el procesador convencional a un terahercio esté lejos, sí, pero estos avances parecen vislumbrar su existencia en el futuro.

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