Si alguna vez has visto la hoja de especificaciones o un anuncio de una CPU, GPU o incluso un dispositivo completamente armado como una computadora portátil o de escritorio, probablemente hayas visto publicidad sobre cómo utiliza un proceso, nodo o nodo de proceso de 7 nm o 5 nm, o incluso 4 nm. Pero como muchas especificaciones técnicas, el nodo de proceso es mucho más complicado que un simple número, rara vez se explica mediante el marketing y no es algo que realmente deba preocuparte demasiado. Aquí tienes todo lo que necesitas saber sobre los nodos de proceso y lo que realmente significan para los chips de computadora.
Nodos de proceso: una de las principales razones por las que los procesadores se vuelven más rápidos cada año sin fallar
Los nodos de proceso tienen todo que ver con la fabricación de chips, también llamada fabricación o "fabbing", que se lleva a cabo en instalaciones conocidas como fabs o fundiciones. Aunque prácticamente todos los chips se fabrican utilizando silicio, existen diferentes procesos de fabricación que las fundiciones pueden emplear, y de ahí proviene el término "proceso". Los procesadores están compuestos por muchos transistores, y cuantos más transistores, mejor, pero como los chips solo pueden ser tan grandes, colocar más transistores en un chip reduciendo el espacio entre los transistores para aumentar la densidad es un gran logro. La invención de procesos o nodos más nuevos y mejores es la forma principal de lograr una mayor densidad.
Los distintos procesos o nodos se diferencian por una longitud que históricamente se ha medido en micrómetros y nanómetros, y cuanto menor sea el número, mejor es el proceso (piense en las reglas del golf). Este número solía referirse a las dimensiones físicas de un transistor, que los fabricantes quieren reducir al crear un nuevo proceso, pero después del nodo de 28 nm esta cifra se volvió arbitraria. El nodo de 5 nm de TSMC en realidad no es de 5 nm, TSMC solo quiere que sepas que es mejor que el de 7 nm y no tan bueno como el de 3 nm. Por la misma razón, esa cifra no se puede utilizar para comparar procesos modernos; el de 5 nm de TSMC es totalmente diferente al de 5 nm de Samsung, e incluso en el caso del proceso N4 de TSMC, seconsidera parte de la familia de 5 nm de TSMC. Confuso, lo sé.
Sin embargo, los nuevos procesos no solo aumentan la densidad, sino que también tienden a aumentar la velocidad de reloj y la eficiencia. Por ejemplo, el nodo de 5 nm de TSCM (utilizado en los procesadoresRyzen 7000yRX 7000) en comparación con su antiguo proceso de 7 nm puede proporcionar una velocidad de reloj un 15 % mayor con la misma potencia o un 30 % menor con la misma frecuencia, o una combinación de las dos en una escala móvil. Sin embargo, las ganancias de frecuencia y eficiencia solían ser mucho más espectaculares hasta mediados de la década de 2000, ya que la reducción de tamaño de los transistores reducía directamente el consumo de energía en los procesos más antiguos, una tendencia llamada escala de Dennard.
La muerte de la Ley de Moore y qué tienen que ver los nodos de proceso con ella
La motivación principal para que las empresas utilicen procesos más nuevos es seguir el ritmo de algo llamado Ley de Moore, una observación hecha por el legendario experto en semiconductores Gordon Moore en 1965. La ley original establecía que la tasa de crecimiento de los transistores en la CPU más rápida se duplica cada dos años; si el procesador más rápido en un año tiene 500 millones de transistores, en dos años debería haber uno que tenga mil millones de transistores. Durante más de 40 años, la industria pudo mantener este ritmo inventando nuevos procesos, cada uno con mayor densidad que el anterior.
Sin embargo, la industria empezó a encontrar obstáculos en la década de 2000. Primero, el escalado de Dennard colapsó alrededor de la marca de 65 nm a 45 nm a mediados de la década de 2000, pero después de que saliera el proceso de 32 nm a fines de la década de 2000 y principios de la década de 2010, se desató el infierno. Para la mayoría de las fundiciones, este fue el último nodo importante que entregarían durante años. El proceso de 20 nm de TSCM de 2014 fue simplemente malo y solo su proceso de 16 nm en 2015 fue una actualización que valió la pena desde los 28 nm de 2011, Samsung no llegó a los 14 nm hasta 2015, y GlobalFoundries (escindida de las fábricas de AMD en la década de 2000) tuvo que alquilar el proceso de 14 nm de Samsung en lugar de fabricar el suyo propio.
Una notable excepción a esta confusión fue Intel, que logró sacar al mercado su proceso de 22 nm en 2011. Sin embargo, el calendario de lanzamiento de Intel y la calidad del proceso comenzaron a decaer después de la marca de los 22 nm. Su proceso de 14 nm se suponía que saldría en 2013, pero se lanzó en 2014 con bajas velocidades de reloj y altos niveles de defectos. Los ridículos objetivos de Intel con su nodo de 10 nm finalmente lo condenaron al infierno del desarrollo, perdiendo su ventana de lanzamiento de 2015. El primer chip de 10 nm llegó en 2018 yes una de las peores CPU de Intel de la historia. El 10 nm de Intel, rebautizado como Intel 7 con fines de marketing, no estuvo completamente listo hasta 2021.
El último desastre se refiere al nodo de 3 nm de TSMC, que proporciona una mejora significativa en la densidad de los transistores lógicos (que son los que forman los núcleos de las CPU y GPU, entre otras cosas), pero literalmente ninguna mejora en la densidad dela memoria caché, también conocida como SRAM. No poder reducir la memoria caché es un desastre total, y es posible que las fundiciones se encuentren con problemas similares en futuros nodos. Incluso si TSMC es la única fábrica que está luchando por reducir la memoria caché, también es el mayor productor de chips del planeta.
Cuando lees sobre la muerte de la Ley de Moore, esto es lo que significa, porque si las empresas no pueden aumentar la densidad año tras año, el número de transistores no puede aumentar. Si el número de transistores no puede aumentar, entonces eso significa que la Ley de Moore está muerta. Hoy en día, las empresas se centran en mantenerse al día con las implicaciones de rendimiento de la Ley de Moore, en lugar de las técnicas. Si el rendimiento se duplica cada dos años, entonces todo está bien. AMD e Intel están utilizando chiplets para aumentar tanto el número de transistores como el rendimiento al tiempo que reducen los costos, y Nvidia se basa únicamente en la IA para compensar la falta de rendimiento.
En última instancia, los nodos de proceso son solo un factor que determina si un chip es bueno.
Si tenemos en cuenta que un nuevo proceso puede hacer que un chip sea más pequeño, aumentar su velocidad de reloj y hacerlo más eficiente, todo ello sin realizar grandes cambios en el diseño o la arquitectura, resulta obvio por qué los procesos son tan importantes. Sin embargo, otros factores como el encapsulado (como los chiplets, los mosaicos o los chips apilados) y la IA se están convirtiendo en formas cada vez más viables de dar valor a un procesador mejorando el rendimiento o añadiendo funciones, por no hablar de la simple optimización del software. La muerte de la Ley de Moore no es ideal, pero no es el fin de la industria de los semiconductores.
Además, debido a que los nodos se nombran por razones de marketing, no hay una razón real para estimar la competencia de un chip basándose únicamente en su proceso; por ejemplo, el 10nm de Intel es en realidad tan bueno como el 7nm de TSMC a pesar de que 7 es menos que 10. Sin embargo, también es cierto que un proceso no es la única característica que importa en un procesador. Muchas CPU, GPU y otros procesadores han sido malos a pesar de estar en buenos nodos, como el Radeon VII de AMD, que era un nodo de proceso completo por delante del RTX 2080 Ti de Nvidia y, sin embargo, era tan lento como para seruna de las peores GPU de la historia.
Por sí solo, el nodo de proceso de un chip no significa nada. Sería como comprar una CPU basándose únicamente en la cantidad de núcleos que tiene, o una consola porque tiene un procesamiento espectacular. Lo que realmente importa en un procesador es su rendimiento real, que depende de otras especificaciones de hardware y de lo bien optimizadas que estén las aplicaciones para ese hardware. Si solo quieres saber cuál es lamejor CPUoGPUocomputadora portátil, el nodo de proceso no te lo dirá. Solo te dirá quién fabricó el chip.