Dennard Scaling, Dark Silicon… ¿qué es?

Ya he introducido términos como binning, switching vs clocking, electromigración, stepping y BKM, la Ley de Moore, etc. Términos muy populares en el mundo de los semiconductores. En este artículo le toca el turno a otos dos bastante interesantes y algo desconocidos para algunos: Dennard Scaling y Dark Silicon.

Así agrego dos más a la larga lista de términos interesantes que existen en la industria de la microelectrónica y, especialmente, en el sector de los semiconductores

¿Qué es Dennard Scaling?

La escala de Dennard, o Dennard Scaling (también conocida como Ley de escalado de los MOSFET o Ley de Escalado), es otro de esos fundamentos esenciales en la historia del desarrollo de chips, y está íntimamente ligada a la Ley de Moore. Sin embargo, durante mucho tiempo ha estado a la sombra de esta otra ley creada por uno de los fundadores de Intel.

Su coautor fue Robert H. Dennard, en 1974, y originalmente se originó para los transistores MOSFET que se emplean para los chips, aunque actualmente se haya modificado para los nuevos FinFET y otras nuevas estructuras.

Esta ley establece, aproximadamente, que a medida que los transistores se hacen más pequeños, su densidad de potencia permanece constante, de modo que el uso de energía permanece en proporción con el área. Esto es debido a que tanto el voltaje como la corriente necesaria también se reducen con la reducción de la longitud de los transistores integrados.

Como ya comenté en el artículo de la Ley de Moore, ésta estaba relacionada también con otras conocidas leyes, como la de Pollacks, y también lo está con Dennard Scaling. De hecho, con estas tres se cierra un círculo muy importante a tener en cuenta a la hora de desarrollar los transistores en la industria de semiconductores.

El consumo de potencia dinámica (por conmutación) de los CMOS es proporcional a la frecuencia, pero  históricamente ha permitido a los fabricantes escalar la frecuencia de reloj sin aumentar significativamente el consumo siguiendo el escalado Dennard.

Si se entrelaza con la Ley de Moore, se podría estimar que cada vez que se duplica la densidad de los transistores, un circuito podría volverse un 40% más rápido y el consumo permanecería igual si se ve acompañado por una mejora en el nodo de fabricación. Algo parecido podría ocurrir entre el precio y el rendimiento.

Dennard Scaling, Moore, Pollacks relación
Fuente: EE Times

Algo que, como se ha apreciado en Intel, por sus problemas con los nodos de fabricación, no ha sido del todo así. A pesar de que estas leyes se han sostenido bastante bien en el pasado, en los últimos años se comienzan a tambalear. De hecho, desde 2005-2007 se especula con que esta escala está rota.

Desde 2016 se han buscado alternativas para que la cantidad de transistores siga creciendo, pero las mejoras resultantes de estos incrementos son más suaves, ya que cuanto más se reducen los transistores, más desafíos supone la corriente de fuga y la potencia de disipación (fuga térmica.

Ha habido algunos casos nefastos de chips donde las fugas eran demasiado elevadas, como el Qualcomm Snapdragon 810.

Debido a que la escala de Dennard ya no es significativa, los nuevos diseños se han orientado hacia los procesadores multinúcleo y hacia los empaquetados MCM o chiplets, y los empaquetados 3D. Es la alternativa actual para mejorar el rendimiento que beneficia a algunas cargas de trabajo (algunas aún no aprovechan bien el paralelismo).

¿Qué es Dark Silicon?

Con esa tendencia que he explicado en el último párrafo del apartado anterior, al tener varias unidades de procesamiento o chips, se puede dar el caso de que algunas partes estén activas en un momento dado, mientras otras permanecen apagadas. Así se puede evitar violar las restricciones de potencia.

Más información sobre cómo se apagan estas zonas en ACPI.

Son esas áreas inactivas las que se conocen como Dark Silicion o silicio oscuro. Algo que no ocurría hace años, donde el recuento de transistores (y densidad) de u microprocesador era menor. Esa simplicidad permitía hacer funcionar al chip al 100% y poder alimentarlo y refrigerarlo sin problemas.

Pese al incremento de rendimiento y transistores, lejos quedan aquellos años en los que se necesitaban 5v o 3.3v para alimentar estos chips. Ahora, las cifras son próximas a 1v (o algo más en casos de overclocking).

Ahora, al no poder seguir manteniendo esa densidad de consumo determinada, se necesitan buscar esas alternativas de diseño que harían que el consumo creciese de no ser por este Dark Silicion, «oscureciendo» zonas de la superficie de silicio que se apagan para bajar el consumo y permitir que otros transistores tengan mayor margen de consumo y temperatura para trabajar.

Dark Silicon
Fuente: presentación Intel

Puede parecer que esto puede solucionar el problema del consumo y temperatura, pero genera otro muy evidente: ¿De qué sirve tantos transistores si no se pueden usar siempre a la vez? ¿Tiene sentido aumentar la superficie para esto (agravando el problema del Dark Silicon)? ¿No sería mejor simplificar la cantidad de unidades funcionales y que estén 100% activas como en el pasado?

Si lo recuerdas, los procesadores evolucionando y dividiendo las tareas en diferentes unidades funcionales (ALU, FPU, AGU,…) para ir ganando rendimiento y mejorando la eficiencia de procesamiento. Es decir, así se tenía una parte más pequeña del procesador haciendo una tarea de forma eficiente. Eso permitía también que otros transistores pudieran estar trabajando en otra zona de la superficie (otra unidad funcional) sin afectar al consumo total demasiado.

Esa tendencia ha ido evolucionando hasta los nuevos procesadores multinúcleo, técnicas como el multiprocesamiento heterogéneo, SoCs, DSA, y demás dispositivos actuales. Es precisamente la especificación de ciertas unidades, como en el caso de los DSA y la computación heterogénea, la que ha conseguido mejorar el problema del Dark Silicon, aunque a priori parezca lo contrario.

Es cierto que con esas técnicas se dispone de más unidades especializadas. Pero también es cierto que realizan su trabajo de forma mucho más eficiente, por lo que el consumo y disipación de calor se reduce. El resultado es que se puedan usar más unidades a la vez sin sobrepasar ciertas barreras peligrosas, eludiendo el power gating (apagado de partes).

Otras técnicas como el throttling también permiten reducir la frecuencia de las unidades funcionales activas para que sean más eficientes energéticamente y reduzcan su temperatura. El Dark Silicon también puede evitar que entren en juego estas estrategias que merman la velocidad, ya que puede apagar zonas y hacer que las activas estén trabajando al máximo.

Por cierto, el Dark Silicon está generando también desafíos en las herramientas de diseño, como los entornos EDA.

Isaac

Apasionado de la computación y la tecnología en general. Siempre intentando desaprender para apreHender.

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