En la década de 1990 y a principios de la de 2000, cada vez que uno compraba una computadora nueva, las cifras subían de forma notable. En pocos años, la velocidad de procesamiento pasó de unos cientos de megahercios a varios gigahercios, sin que las computadoras se calentaran en la misma proporción ni multiplicaran su consumo eléctrico. A partir de mediados de la década de 2000, sin embargo, las cifras de velocidad apenas cambiaron y se empezó a presumir de cuántos núcleos tenían los procesadores. La regla que explica este cambio es el «escalado de Dennard» (Dennard Scaling).
En pocas palabras, el escalado de Dennard es una ley de la miniaturización de semiconductores según la cual, si se reduce el tamaño de los transistores y se baja el voltaje en la misma proporción, la potencia consumida en una misma superficie del chip se mantiene constante. La ley de Moore, según la cual se duplica el número de transistores, indica cuántos más caben, mientras que el escalado de Dennard explica por qué el chip podía volverse más rápido al incorporar más transistores sin quemarse.
En este artículo veremos, en orden, cómo surgió el escalado de Dennard, por qué la miniaturización permitía ganar rendimiento sin costo, por qué dejó de cumplirse esta ley y cómo se ha mejorado desde entonces el rendimiento de las computadoras.
La época en que reducir el tamaño aumentaba la velocidad y cómo llegó a su fin
El artículo de 1974 del laboratorio de IBM
Esta ley debe su nombre a Robert H. Dennard, ingeniero eléctrico del laboratorio de IBM en Estados Unidos. También es conocido por idear la celda de memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), que almacena 1 bit con un transistor y un condensador. La memoria principal de la mayoría de las computadoras y los teléfonos inteligentes actuales se basa en esta estructura.
- Punto de partida (Original Paper). En 1974, Dennard y sus colegas publicaron en una revista académica de circuitos semiconductores un artículo sobre cómo diseñar transistores MOSFET muy pequeños.
- Condición fundamental (Constant Field Scaling). Propusieron reducir el tamaño y el voltaje en la misma proporción para mantener constante la intensidad del campo eléctrico dentro del transistor.
- Origen del nombre (Dennard Scaling). Con el tiempo, esta regla de miniaturización recibió el nombre de escalado de Dennard, por el autor que figura en la posición 1 del artículo, y también se conoció como escalado de MOSFET.
Mientras que la ley de Moore era una observación que anticipaba la evolución del mercado y la producción, el escalado de Dennard se asemeja más a una guía de diseño que se basa en las leyes físicas para calcular qué cambia y de qué manera al reducir el tamaño.
Las mejoras de rendimiento que se obtenían sin costo al reducir el tamaño
Los cálculos del escalado de Dennard son más sencillos de lo que parece. Supongamos que, en cada generación, la longitud y la anchura de los transistores se reducen a unas 0.7 veces sus valores anteriores.
(1) El área se reduce a la mitad
Si la longitud y la anchura pasan a ser 0.7 veces sus valores anteriores cada una, el área queda en aproximadamente 0.5 veces la original. Esto significa que en un chip del mismo tamaño cabe el doble de transistores.
(2) Los transistores se encienden y se apagan más rápido
Al reducirse el tamaño, el tiempo que tarda un transistor en completar un ciclo de encendido y apagado también se reduce a unas 0.7 veces el anterior. Así, con el mismo diseño, la velocidad de funcionamiento puede multiplicarse por aproximadamente 1.4.
(3) La densidad de potencia se mantiene constante
La potencia que consume un transistor es aproximadamente proporcional al producto de la capacitancia, el cuadrado del voltaje y la velocidad de funcionamiento. Como la capacitancia y el voltaje se reducen cada uno a 0.7 veces su valor anterior, incluso al aumentar la velocidad, la potencia que consume cada transistor queda en torno a la mitad. Dado que el área también se reduce a la mitad, la potencia que se consume en una misma superficie se mantiene constante.
Así, con cada generación de fabricación que reducía el tamaño de los transistores, los fabricantes podían duplicar su número y aumentar la velocidad con cambios mínimos en el consumo de potencia y el calor generado. Los desarrolladores de software también podían ejecutar sus programas más rápido en una computadora nueva sin tener que modificar nada.
El muro de potencia que se alcanzó a mediados de la década de 2000
Esta regla dejó de cumplirse hacia mediados de la década de 2000. El tamaño podía seguir reduciéndose, pero cada vez era más difícil reducir también el voltaje.
Corriente que se fuga incluso con el transistor apagado
Cuando los transistores se hicieron demasiado pequeños, aumentó la corriente de fuga (Leakage Current), es decir, la pequeña corriente que se escapa incluso cuando están apagados. Reducir aún más el voltaje umbral al que se enciende el transistor aumenta bruscamente la fuga, por lo que también se hizo difícil bajar el voltaje de alimentación por debajo de cierto nivel. Al mantenerse el voltaje, cuanto más se reducía el tamaño, más calor se generaba en una misma superficie.
El momento en que se frenó la carrera por la velocidad
Cuando se alcanzó el límite del calor que se podía disipar, la industria lo llamó «muro de potencia» (Power Wall). En 2004, Intel canceló sus planes para un procesador de nueva generación con el que buscaba alcanzar velocidades más altas. Desde entonces, la frecuencia base de los procesadores de escritorio se ha mantenido, por lo general, en torno a 4 gigahercios.
Cómo aumentar el rendimiento después del escalado de Dennard
Cuando dejó de ser posible aumentar la velocidad a voluntad, la industria informática cambió la forma de mejorar el rendimiento.
(1) Incorporar varios núcleos
Se generalizaron los procesadores multinúcleo, que integran en un solo chip varias unidades de procesamiento llamadas núcleos y reparten el trabajo entre ellas. Si el trabajo no puede dividirse en tareas más pequeñas, añadir núcleos aporta una mejora limitada, por lo que los programas también deben diseñarse para ejecutarse en paralelo si se quiere aumentar el rendimiento.
(2) Usar circuitos especializados para cada tarea
Se extendió el uso de circuitos especializados que realizan tareas específicas con gran eficiencia, como las unidades de procesamiento gráfico (GPU) y los chips para cálculos de inteligencia artificial. Renunciar a parte de la versatilidad permite hacer más cálculos con la misma potencia.
(3) Encender solo las partes necesarias
En 2011, unos investigadores señalaron que el límite de potencia impide que todos los transistores de un chip funcionen a pleno rendimiento al mismo tiempo y obliga a mantener algunos apagados. Llamaron «silicio oscuro» (Dark Silicon) a las zonas que quedan inactivas de este modo. Por eso, los chips actuales ahorran energía apagando las partes que no usan y aumentando la velocidad brevemente solo cuando hace falta.
El escalado de Dennard explica por qué hubo una época en que bastaba con reducir el tamaño para que todo mejorara y por qué esa época llegó a su fin. La eficiencia energética es hoy la métrica más importante para los teléfonos inteligentes y los centros de datos debido al reto que dejó pendiente esta ley.
Una vez agotadas las mejoras de rendimiento sin costo, plantearse cómo repartir la potencia disponible es el primer paso de la computación en la era posterior al escalado de Dennard.
