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64 bits, ¿para quién? | 36 comentarios (36 temáticos, editoriales, 0 ocultos)
Si quieres una historia... (5.00 / 2) (#16)
por jorginius ("jorginius" en Google Mail) a las Sat Nov 12th, 2005 at 03:06:53 PM CET
(Información Usuario) http://www.rodriguezmoreno.com

Esto es más o menos lo que yo hubiera dicho de cómo funciona una cpu y dónde está el problema con los Intel.

Va por delante que no soy ningún experto, más bien al contrario. Esto es lo que te enseñan en primero o segundo de carrera. Tampoco soy profesor aunque he intentado escribirlo de la forma más comprensible que puedo.

Además, como ya dije, no creo que aporte gran cosa explicar esto y habría que integrarlo con el resto.

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Un microprocesador actual es un dispositivo digital. Está basado en interruptor, en miles y miles de pequeños interruptores que cambian al ritmo que impone el reloj. Todas las operaciones, por complejas que pueden parecer, al final se reducen a aperturas y a cierres.

El concepto no ha variado en exceso desde el Pascaline, la calculadora automática de Pascal, que usaban dientes de engranajes (abierto/cerrado) y una manivela como reloj, o desde el Z3, el primer computador programable de la historia, basado en relés, o desde el posterior ENIAC que usaba triodos. Todos son dispositivos digitales que basan su funcionamiento en la conmutación, en la apertura/cierre de interruptores controlados y fabricados con distintas tecnologías.

El conmutador que estamos usando ahora es el transistor, inventado en los Laboratorios Bell en 1947 y perfeccionado en los 60 para el uso que nos ocupa. A partir de entonces tenemos interruptores en estado sólido, sin partes móviles y tremendamente pequeños. Nace la electrónica del semiconductor (típicamente Silicio). Un semiconductor es un material que varía su resistencia al paso de la corriente dependiendo de ciertos factores: controlando esos factores podemos tener un interruptor abierto (resistencia muy grande) o un interruptor cerrado (resistencia muy pequeña).

Tener interruptores más pequeños y más fiables nos permite meter más de ellos en menos espacio. Los dispositivos menguan y a la vez más complejos y rápidos. Muy a grosso modo, si antes para realizar una operación hacían falta cinco clicks y sólo teníamos un interruptor, entonces hacía falta cinco golpes de reloj pero ahora podemos meter cinco interruptores en el mismo espacio y todo se hará en un solo golpe. Esto es lo que nos ha catapultado en esta era de la computación, de cada vez mayor integración y conmutadores más rápidos... Que se está acabando.

Con unos conocimientos a nivel de EGB se puede plantear un primer contacto con el problema. Si los transistores son cada vez más pequeños entonces los "cables" que los conectan entre sí tienen que ser más pequeños también. La resistencia de un conductor es inversamente proporcional a su sección, luego la resistencia en los cables según hacemos transistores más pequeños es mayor lo que se traduce en que la señal e propaga más lentamente por esos cables. Podríamos pensar en, ya que tenemos que hacerlos estrechos, hagamos más grande la sección haciéndolos más altos. Esto tampoco funciona porque al final te encuentras con que tienes "placas" conductoras paralelas, es decir: hay efecto de capacidad (condensación) que además va a peor según aumentamos la frecuencia.

Ahora entraremos en detalle:

Por comodidad en la explicación, vamos a introducir a la puerta lógica. Las puertas son conjuntos de transistores que realizan una función lógica (AND, OR...) y son los bloques con los que se construyen todas las funciones más complejas. En una puerta, aplicamos una señal en la entrada y, pasado un tiempo en el que los interruptores han ido cambiado su posición y la señal de entrada ha circulado a través de ellos, obtenemos un resultado a la salida.

Como ya hemos dicho, según crece la densidad de integración podemos hacer circuitos son más complejos, con más puertas. La señal de entrada en esos circuitos tienen que cruzar esas puertas, sufriendo un retardo en cada una de ellas (debido a la velocidad a la que conmutan los interruptores y, más importante, lo que tarda en desplazarse por las conexiones). Sumando esos retardos vemos que hay un número máximo de puertas que puede cruzar una señal antes de que llegue el siguiente golpe de reloj.

Si la señal aún no ha cruzado todo el circuito para cuando eso ocurra habrá que introducir registros y buffers de sincronización (es decir, más puertas) para que se pueda completar la operación después, mientras nuevas señales empiezan a cruzar el micro. Es lo que se llama una nueva etapa del pipeline.

Hasta ahora para conseguir un micro más rápido bastaba con aumentar la velocidad del reloj. Si todo se basa en conmutadores y hacemos que estos cambien de estado más deprisa entonces la computadora trabajará más deprisa... Pero según aumentamos la frecuencia nos tropezamos de bruces con el problema de la propagación. La señal tiene menos tiempo para cruzar puertas por golpe de reloj y hacen falta más etapas de pipeline para no "dejarla colgada", es decir, mayor complejidad y más puertas. Si seguimos aumentando la frecuencia llega un punto que sí, hacemos más conmutaciones pero no hacemos más trabajo "real". Las mejoras en la densidad de integración se las come el aumento de etapas.

El aumento del reloj sería sostenible si estuviera acompañado de una reducción en los tiempos de propagación. Por desgracia los avances en los "cables" están yendo más despacio que los del reloj.

¿Cómo se palía el problema?. Cambiando los diseños para intentar que las operaciones relacionadas estén "más cerca" (explotando la localidad), intentando ofrecer caminos más cortos a la señal aún a frecuencias más bajas.

[ Padre ]


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