Estas CPU son las primeras fabricadas con la litografía Intel 4 de tipo ultravioleta extremo (UVE)
Los procesadores Meteor Lake aglutinan tres tipos de núcleos diferentes para maximizar su eficiencia energética
Hay mucho en juego. Muchísimo. Para Intel el lanzamiento de sus procesadores 'Meteor Lake' no es uno más. Ni mucho menos. Esta compañía asegura que esta arquitectura representa el avance más significativo que ha alcanzado durante las últimas cuatro décadas. Es una afirmación muy contundente, de eso no cabe duda, pero, como vamos a comprobar en este artículo, lo cierto es que desde un punto de vista estrictamente tecnológico la envergadura de las muchas innovaciones que ha introducido Intel en estas CPU es indiscutible.
No obstante, más allá de lo estrictamente técnico hay una razón más por la que nosotros también consideramos que estos procesadores marcan un punto de inflexión muy profundo en la trayectoria que ha seguido esta compañía durante las últimas décadas. El desarrollo de las litografías de Intel ha sido más lento que el de las tecnologías de integración de TSMC y Samsung, que son sus principales competidores en la industria de los semiconductores. De hecho, la compañía liderada por Pat Gelsinger ha permanecido estancada en los 10 nm durante los últimos cinco años.
Es justo reconocerle, eso sí, que ha conseguido refinar esta tecnología de integración hasta el punto de poder competir con los chips de 7 nm de sus competidores si nos ceñimos a las características físicas de los transistores y su densidad. Sea como sea los procesadores 'Meteor Lake' son los primeros fabricados por esta compañía empleando la tecnología de integración Intel 4 y los equipos de fotolitografía de ultravioleta extremo (UVE) que produce la empresa neerlandesa ASML.
Hace apenas tres semanas pudimos visitar las fábricas de Malasia en las que Intel está poniendo a punto estos chips, y aunque todavía no sabemos cuál será su denominación comercial ni cuándo llegarán a las tiendas, sí conocemos con mucho detalle su tecnología. Ahí va un pequeño espóiler: estos procesadores son las propuestas de esta marca más jugosas desde un punto de vista técnico de las últimas décadas. De hecho, además de en la litografía Intel 4 se apoyan en otra innovación muy importante: incorporan no dos, sino tres tipos de núcleos diferentes con el propósito de maximizar su eficiencia energética.
Esto es lo que nos promete la litografía Intel 4 de tipo ultravioleta extremo (UVE)
Pat Gelsinger está convencido de que su compañía tendrá los mejores transistores de la industria de los semiconductores en 2025. En menos de dos años. Parece un propósito difícil de alcanzar viniendo de donde viene, pero lo cierto es que por el momento Intel está cumpliendo los plazos que ella misma se ha marcado para lograrlo. La diapositiva que publicamos debajo de estas líneas describe con claridad el plan de esta empresa para lo que queda de 2023 y 2024, y es inusualmente ambicioso.
Antes de que concluya este año planea tener su nodo Intel 3 listo para la fabricación de chips. Durante la primera mitad de 2024 prevé tener preparado el nodo Intel 20A, y a lo largo del segundo semestre de 2024 promete estar preparada para fabricar circuitos integrados en el nodo 18A. Esta estrategia representa un desarrollo tecnológico de nada menos que 5 nodos en tan solo 4 años. Puede parecer un plan excesivamente optimista, pero tenemos una pista que nos invita a tomárnoslo en serio: ASML va a entregar a uno de sus clientes su primer equipo de litografía UVE de alta apertura (High-NA) antes de que finalice este año, y es probable que ese cliente sea Intel.
La siguiente diapositiva sintetiza cuáles son las principales aportaciones de la litografía Intel 4 frente a Intel 7, su predecesora. Como cabe esperar esta nueva tecnología de integración permite incrementar perceptiblemente la densidad de transistores por unidad de superficie debido a que tiene un impacto beneficioso en todos los parámetros físicos de la lógica. No obstante, lo más impactante es que, según Intel, esta litografía es al menos un 20% más eficiente que Intel 7. Será muy interesante comprobarlo cuando tengamos la oportunidad de analizar a fondo estos procesadores en nuestras propias instalaciones.
Las máquinas de litografía UVE de ASML juegan un rol fundamental en la tecnología de integración de los procesadores 'Meteor Lake'. Los ingenieros de Intel han refinado los transistores de estos chips y han mejorado su calidad, a lo que se suma su capacidad de apilar nada menos que 18 capas de transistores con diferentes características físicas, como podemos ver en la siguiente diapositiva. La complejidad estructural de estos procesadores es mucho mayor que la de las actuales CPU Intel Core de 13ª generación, lo que nos invita a prever que los nodos Intel 3, y, sobre todo, 20A y 18A, profundizarán más en este mismo camino.
Otra de las ventajas importantes de la litografía Intel 4 frente a su predecesora es su mayor inmunidad a la electromigración. Para entender qué es y cómo funciona este mecanismo nos interesa repasar que la electricidad es posible debido a que un flujo de electrones se desplaza a través de un material conductor gracias a la diferencia de potencial que existe entre sus dos extremos. Los electrones se mueven en un sentido determinado a lo largo del conductor, desde el electrodo negativo hacia el electrodo positivo (la corriente eléctrica por convenio va en sentido contrario).
Lo curioso, y este es el origen de la electromigración, es que durante su desplazamiento los electrones pueden chocar con los núcleos de los átomos que conforman el conductor. Cuando se produce este choque los electrones transfieren una cantidad de movimiento a los núcleos atómicos, y, si es suficiente, pueden desplazarlos. De alguna forma el efecto que tiene lugar cuando se produce el choque es similar al de un empujón que si es lo suficientemente intenso puede desplazar al núcleo atómico que ha recibido el impacto.
La consecuencia directa de este comportamiento es que una región del conductor puede tener un defecto de núcleos atómicos (menos de los que tenía inicialmente), y otra región puede tener un exceso de núcleos atómicos (más de los que tenía inicialmente). Se ha producido una migración real de material entre dos puntos, provocando que en uno de ellos queden huecos libres que inicialmente no estaban ahí. Este fenómeno es la electromigración, y, como acabamos de ver, describe la migración de material de un conductor ocasionada por la corriente eléctrica que lo atraviesa.
La probabilidad de que los electrones de la corriente eléctrica choquen con los núcleos atómicos del conductor depende de varios factores. Uno de ellos es la densidad de la corriente, que, dejando a un lado las fórmulas y los conceptos más complicados, está condicionada por la intensidad de la corriente y la sección del conductor. La intensidad de la corriente eléctrica refleja la cantidad de carga que se desplaza por unidad de tiempo, de manera que una misma cantidad de carga generará una mayor densidad de corriente en un conductor con menos sección que en otro conductor con una sección mayor.
Entender cómo funciona este mecanismo es sencillo si imaginamos que los electrones son coches y que el material conductor es una autopista llena de obstáculos. Si la carretera es muy ancha y salen desde el punto de partida a la vez cuatro coches es probable que todos ellos tengan espacio suficiente para llegar a la meta sin chocar con ningún obstáculo. Sin embargo, si colocamos esos mismos cuatro coches en una autopista mucho más estrecha y con el mismo número de obstáculos es probable que alguno de los coches acabe llevándose por delante alguno de los obstáculos, desplazándolo y alterando su ubicación como consecuencia del impacto.
El segundo factor crucial que determina que se produzca o no la electromigración es la temperatura. Si el conductor está sometido a una mayor temperatura sus núcleos atómicos vibran más debido a que adquieren una mayor energía cinética, y esta mayor vibración incrementa la probabilidad de que los electrones de la corriente eléctrica choquen contra ellos y les transfieran una cantidad de movimiento, desplazándolos.
Meteor Lake introduce algo inédito: tres tipos de núcleos de propósito general
La litografía Intel 4 es uno de los pilares sobre los que se sostienen estos procesadores, pero también se apoyan en otras innovaciones muy importantes. Una de ellas consiste en la distribución de la lógica en varios bloques funcionales diferentes a los que Intel llama tiles (esta palabra significa literalmente en inglés 'azulejos' o 'baldosas') que están conectados mediante enlaces de alto rendimiento.
No obstante, estos bloques funcionales forman parte de dos estructuras físicas diferentes que pueden fabricarse utilizando tecnologías de integración distintas si es necesario, por lo que su filosofía es similar a la de los chiplets implementados por AMD en sus procesadores Ryzen. La primera de ellas se llama NOC (Network-On-Chip) y la segunda IO (Input-Output).
El NOC aglutina dos tiles conocidos como Compute Tile y Graphics Tile, así como la NPU (Neural Processing Unit), que es la lógica especializada en la ejecución de algoritmos de inteligencia artificial; el controlador de memoria y uno de los dos módulos de administración de la energía. El otro bloque físico del procesador, el conocido como IO, incorpora las controladoras Wi-Fi y Bluetooth, la lógica de administración de los enlaces PCI Express, las controladoras USB o la lógica que se encarga de la reproducción del sonido, entre otros bloques funcionales. Esta arquitectura desagregada en la que la CPU está organizada en varios bloques funcionales diferentes con entidad física persigue incrementar la escalabilidad y la eficiencia energética del procesador.
Los núcleos de alto rendimiento y alta eficiencia que introdujo Intel en la arquitectura Alder Lake residen dentro del Compute Tile, aunque son diferentes tanto a los núcleos equiparables de Alder Lake como a los de Raptor Lake. Los ingenieros de Intel han puesto a punto dos microarquitecturas diferentes a las que llaman 'Redwood Cove' (para los núcleos de alto rendimiento) y 'Crestmont' (para los de alta eficiencia) con el propósito de incrementar su rendimiento y optimizar su eficiencia energética.
Dentro del SOC Tile residen la NPU, el controlador de la memoria principal o la lógica que se responsabiliza de enviar la señal de vídeo al monitor, entre otros bloques funcionales. No obstante, también aglutina un tercer tipo de núcleos de propósito general conocidos como núcleos eficientes de bajo consumo (Low Power E-cores). Sí, sorprendentemente los procesadores 'Meteor Lake' incorporan tres tipos de núcleos diferentes.
En 'Meteor Lake' los ingenieros de Intel han llevado la idea de arquitectura híbrida al extremo. Y pinta bien. La introducción de un tercer tipo de núcleos aún más eficientes que los E-cores que nos han propuesto los procesadores Alder Lake y Raptor Lake es un intento de incrementar la eficiencia energética de estas nuevas CPU. De hecho, los hilos de ejecución (threads) por defecto serán asignados a los nuevos núcleos eficientes de bajo consumo.
Si Intel Thread Director, que es el componente que decide en tiempo de ejecución en qué núcleo debe procesarse cada hilo, determina que un thread en particular requiere más potencia, irá a parar a uno de los núcleos eficientes (E-cores). Y si aún demanda una productividad mayor acabará en uno de los núcleos de alto rendimiento (P-Cores). Esta estrategia refleja con claridad que con 'Meteor Lake' Intel quiere poner fin de una vez por todas al consumo medio tan elevado de sus últimas generaciones de microprocesadores.
El rol del IO Tile dentro del SoC lo podemos intuir sin esfuerzo: recoge una parte de la lógica que se responsabiliza de las operaciones de entrada y salida de la CPU. En la siguiente diapositiva podemos ver que los bloques funcionales que resuelven la conectividad Thunderbolt 4 y PCI Express Gen 5 residen en el IO Tile, de modo que su proximidad física a la controladora de memoria y los núcleos de propósito general tenga un impacto beneficioso en la latencia.
La siguiente diapositiva resume las características más importantes de los procesadores 'Meteor Lake'. No cabe duda de que su fabricación en el nodo Intel 4 debería jugar a su favor, pero este SoC va más allá de la litografía UVE utilizada para producirlo. La llegada de los núcleos eficientes de bajo consumo debería tener un impacto perceptible en su rendimiento por vatio y la integración de la NPU dentro del SoC debería permitirle entregar una productividad notable durante la ejecución de algoritmos de inteligencia artificial.
Además, la lógica gráfica deriva directamente de la arquitectura Arc implementada por Intel en los procesadores gráficos de sus tarjetas gráficas dedicadas, por lo que sobre el papel es más capaz que los gráficos integrados en los anteriores procesadores de Intel. Por supuesto, lo comprobaremos tan pronto como tengamos la oportunidad de analizar a fondo los primeros chips 'Meteor Lake'.
Los procesadores 'Meteor Lake' utilizan un nuevo tipo de empaquetado al que Intel llama 'Foveros' ideado para hacer posible la conexión de todos los bloques funcionales del SoC mediante enlaces de alto rendimiento y mínima latencia. Este empaquetado ha sido diseñado expresamente, según Intel, para reducir el consumo de energía de las conexiones que permiten la comunicación de los módulos NOC e IO.
Esta innovación se suma al uso de la litografía Intel 4, a las optimizaciones introducidas en la microarquitectura de todos los núcleos y a la presencia de los nuevos núcleos eficientes de bajo consumo para conseguir que los procesadores 'Meteor Lake' sean perceptiblemente más eficientes que sus predecesores. Suena bien, pero no sabremos con certeza si Intel ha dado en la diana hasta que tengamos la oportunidad de analizarlos a fondo. Confiamos en que caigan en nuestras manos pronto.
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