Recuento de transistores: ¿nos están engañando?

En la era digital actual, los chips electrónicos son los pilares fundamentales de la revolución tecnológica, impulsando avances en áreas como la inteligencia artificial, la computación cuántica y la conectividad móvil. Detrás de su poder y capacidad se encuentran los transistores, que hacen que los procesadores, por ejemplo, puedan tener un rendimiento y funcionalidad mayor. En este artículo, te explicaré acerca del recuento de transistores en los chips, y si resulta una unidad fiable o realmente nos están engañando…

Recuento de puertas lógicas: ¿es lo mismo?

El gate count o recuento de puertas lógicas de un chip se refiere al número total de puertas lógicas presentes en el diseño del circuito integrado. Una puerta lógica es un componente básico que realiza operaciones lógicas, como AND, OR o NOT, en las señales de entrada para producir una salida determinada. El recuento de puertas lógicas es una métrica importante para evaluar la complejidad y la capacidad de procesamiento de un chip, ya que está estrechamente relacionado con su funcionalidad, rendimiento y tamaño físico. A medida que la tecnología avanza, los chips modernos pueden contener miles, millones e incluso miles de millones de puertas lógicas, permitiendo un procesamiento más rápido y sofisticado en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas.

Como debes saber, el gate count y el transistor count no son equivalentes, puesto que las distintas puertas lógicas pueden estar implementadas con un número variable de transistores. Por ejemplo, no es lo mismo los transistores necesarios para una NOT que para una XOR, tampoco es lo mismo los transistores necesarios para una NAND CMOS que una NAND implementada en la familia lógica TTL. Es decir, variará en función del tipo de puerta y la familia lógica en la que se implemente.

Además de esto, no todo es lógica combinacional en un procesador, también hay otras partes como las celdas de memoria o la lógica secuencial. Éstos otros elementos que no son puertas lógicas, también necesitan de un número de transistores variable.

Lógica combinacional:

• La lógica combinacional se basa únicamente en las entradas presentes en un momento dado para generar las salidas correspondientes.
• Las salidas en la lógica combinacional se determinan exclusivamente por las combinaciones lógicas de las entradas actuales.
• No hay memoria o retroalimentación en la lógica combinacional, lo que significa que no hay un estado interno o secuencia de eventos.
• Los circuitos combinacionales son útiles para realizar operaciones aritméticas, funciones lógicas y otras tareas que no requieren almacenamiento de información temporal.

Lógica secuencial:

• La lógica secuencial tiene en cuenta tanto las entradas presentes como el estado previo del sistema para determinar las salidas.
• Las salidas en la lógica secuencial dependen de las entradas actuales y también de la historia de eventos y estados anteriores.
• La lógica secuencial contiene elementos de almacenamiento, como flip-flops o registros, que mantienen el estado interno y permiten el procesamiento de información temporal.
• Los circuitos secuenciales se utilizan para construir sistemas de control, como contadores, registros de desplazamiento y secuenciadores, que requieren la capacidad de recordar y responder a eventos pasados.

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¿Qué es el recuento de transistores?

El término recuento de transistores se utiliza para referirse a la cantidad de transistores individuales presentes en un chip. Los transistores son componentes electrónicos esenciales que pueden actuar como interruptores o amplificadores de señal, y desempeñan un papel fundamental en la creación de una amplia gama de circuitos integrados, desde lógicos hasta memorias.

Recuerda que estos transistores pueden variar en tipo y tecnología, incluyendo MOSFET tipo PMOS y NMOS, tecnología PLANAR, FinFET, GAA,  CFET, entre otros.

El recuento de transistores en un chip puede indicar su complejidad y capacidad de procesamiento. En general, un mayor recuento de transistores se asocia con un mayor nivel de integración, lo que permite al chip realizar más operaciones por segundo, mejorar su rendimiento y ofrecer una mayor variedad de funcionalidades. Por eso las empresas lo usan como parte de su marketing para sus chips.

A lo largo del tiempo, el recuento de transistores ha sido una métrica importante para comparar el rendimiento y la capacidad de diferentes chips de procesamiento y memoria, en consonancia con la Ley de Moore, que establece que el número de transistores suele duplicarse aproximadamente cada 18 meses.

Con el avance de las tecnologías de fabricación y el diseño de circuitos integrados, el recuento de transistores en los microprocesadores ha aumentado drásticamente. Por ejemplo, el primer microprocesador comercial de Intel, el 4004, lanzado en 1971, contaba con solo 2.300 transistores, mientras que el Pentium 4 llegó a tener alrededor de 55 millones y el procesador Intel Core i7, lanzado en 2008, superó los 700 millones. Hoy en día, los procesadores de última generación pueden superar los 10.000 millones de transistores, como el chip de GPU NVIDIA GeForce RTX 4090 con 76.300 millones o el AMD Ryzen 9 7900 con 13.140 millones, y esta cifra sigue aumentando.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que el recuento de transistores no es la única métrica relevante para medir el rendimiento y la capacidad de un chip. También se deben considerar otros factores como la velocidad de reloj, el tamaño de la caché, la eficiencia energética, la conmutación de los transistores (que depende del nodo de fabricación) y otros aspectos del diseño del circuito integrado.

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Desigualdad en el tamaño de los transistores

Por otro lado, hay que decir que todos los transistores no son del mismo tamaño dentro de un mismo chip. Los hay más o menos grandes, y también dependerá del tipo de celda estándar que se ha empleado para el diseño del circuito de entre los existentes en las herramientas EDA del diseñador. Incluso, en el pasado era frecuente optimizar de forma manual algunos de los transistores para ciertas zonas críticas.

Las razones por las que pueden variar las dimensiones de los transistores integrados en un chips son:

• Funcionalidad y requisitos de diseño: los transistores en un chip pueden tener diferentes tamaños para cumplir con requisitos específicos de funcionalidad. Algunas partes del chip pueden requerir transistores más grandes para proporcionar mayor potencia o capacidad de amplificación, mientras que otras áreas pueden necesitar transistores más pequeños y rápidos.
• Rendimiento/consumo: también se pueden ajustarse para optimizar el rendimiento en algunas zonas o unidades funcionales o para reducir el consumo de energía, reduciendo también el tamaño de estos transistores, minimizando la cantidad de energía eléctrica necesaria para hacerlos conmutar.

En términos generales, los transistores más grandes se emplean en funciones de potencia, como suministrar energía al chip y alimentar los circuitos de entrada/salida. Estos transistores tienen una capacidad de corriente mayor y una resistencia menor, lo que los hace idóneos para manejar cargas eléctricas de gran tamaño.

Por otro lado, los transistores más pequeños se utilizan en lógica y memoria, ya que su tamaño compacto permite colocar más transistores en el mismo espacio, aumentando así la densidad de los chips y mejorando su rendimiento. Además, los transistores más pequeños también pueden conmutar más rápidamente, lo que resulta beneficioso para mejorar la frecuencia de reloj a la que el chip puede funcionar. En contraste, los transistores más grandes pueden ser más lentos debido a su mayor tamaño y capacitancia.

Lo que quiero decir con esto es que no se puede hacer una extrapolación exacta entre las dimensiones de los transistores y el tamaño del chip para calcular la cantidad de transistores existentes. Por tanto, no te lleves a engaños, puesto que no se sabe bien el tamaño de todos ellos…

¿Y realmente nos dicen la cifra exacta?

Para finalizar, seguro que muchos se están preguntando si el recuento de transistores que nos dan los fabricantes o diseñadores de chips es una cifra real y exacta o no. Pues bien, generalmente suele ser una aproximación, ya que los chips no tienen cifras de transistores exactas como las que suelen dar últimamente.

Por tanto, se trata de una mera aproximación. Por ejemplo, el Intel Pentium 4 Northwood tenía 55 millones de transistores. Evidentemente no tiene exactamente 55.000.000, puede variar arriba o abajo de forma ligera. Sí que es verdad que en los primeros chips de la historia, el recuento era de cientos o miles de unidades, y eso hace mucho más fácil el recuento exacto. Además, se podían aplicar técnicas de ingeniería inversa para comprobarlo. Actualmente es más complejo todo…

Evidentemente, en algunos chips simples de la actualidad, también se puede saber de forma sencilla cuál sería el recuento de transistores que tienen. Por ejemplo, el chip Texas Instruments SN74HC00N que veis en la anterior imagen, es muy simple, como vemos, el recuento de puertas lógicas exacto es 4 puertas NAND, y usa una lógica CMOS, por tanto, sabiendo el número de puertas lógicas y la familia lógica, podemos saber que tiene exactamente un recuento de transistores igual a 16. ¿Por qué? Pues como se aprecia en la imagen, tenemos 4 puertas lógicas, y cada una necesita 4 transistores para implementarse.

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