La muerte del escalado de la CPU: de un núcleo a muchos, y por qué seguimos estancados

Oblea de CPU

Han pasado casi ocho años desde que Intel canceló Tejas y anunció sus planes para una nueva arquitectura de múltiples núcleos. La prensa perdió poco tiempo en declarar muerta la escala de CPU convencional, y aunque los medios de comunicación tienden a enterrar productos, tendencias y, en ocasiones, a las personas mucho antes de su fecha de vencimiento, esta es una declaración que ha resistido la prueba del tiempo.

Para comprender la magnitud de lo sucedido en 2004, puede ser útil consultar el siguiente cuadro. Muestra recuentos de transistores, velocidades de reloj, consumo de energía y paralelismo a nivel de instrucción (ILP). La duplicación de los conteos de transistores cada dos años se conoce como ley de Moore, pero con el tiempo, también se hicieron suposiciones sobre el rendimiento y el consumo de energía y se demostró que avanzaban en líneas similares. Moore recibió todo el crédito, pero no fue el único visionario en el trabajo. Durante décadas, los microprocesadores siguieron lo que se conoce como escala de Dennard. Dennard predijo que el espesor del óxido, la longitud del transistor y el ancho del transistor podrían escalarse mediante un factor constante. La escala de Dennard es lo que le dio sus dientes a la ley de Moore; es la razón por la que el microprocesador de propósito general pudo superar y dominar otros tipos de computadoras.

Escalado de CPUEscalado de CPU que muestra la densidad de transistores, el consumo de energía y la eficiencia. Gráfico originalmente de Se acabó el almuerzo gratuito: un giro fundamental hacia la simultaneidad en el software



El 8086 original consumió ~ 1.84W y el P3 1GHz usó 33W, lo que significa que el consumo de energía de la CPU aumentó en 17.9x mientras que la frecuencia de la CPU mejoró en 125x. Tenga en cuenta que esto no incluye los otros avances que ocurrieron durante el mismo período de tiempo, como la adopción de cachés L1 / L2, la invención de la ejecución fuera de orden o el uso de superescalado y canalización para mejorar la eficiencia del procesador. Es por esta razón que a veces se hace referencia a la década de 1990 como la edad de oro del escalamiento. Esta versión ampliada de la ley de Moore se mantuvo fiel a mediados de la década de 2000, momento en el que las mejoras en el consumo de energía y la velocidad del reloj colapsaron. El problema a 90 nm era que las puertas del transistor se volvían demasiado delgadas para evitar que la corriente se filtrara al sustrato.

Intel y otros fabricantes de semiconductores han contraatacó con innovaciones como el silicio tensado, la puerta de metal hi-k, FinFET y FD-SOI, pero ninguno de estos ha vuelto a habilitar nada como el escalado que una vez disfrutamos. De 2007 a 2011, la velocidad máxima de reloj de la CPU (con el modo Turbo habilitado) aumentó de 2,93 GHz a 3,9 GHz, un aumento del 33%. De 1994 a 1998, las velocidades de reloj de la CPU aumentaron en un 300%.

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