Diseño chiplet vs núcleos híbridos, lucha de diseños en CPU

Intel y AMD ofrecen diseños distintos en sus procesadores, por lo que comparamos el diseño chiplet vs núcleos híbridos, que parece ser la última tendencia.

La palabra SoC cada vez la leemos y oímos más cuando la información viene de Intel o de su nueva familia de procesadores. Esto se debe a que los procesadores cada vez son más sofisticados, viendo que Intel apuesta por núcleos híbridos divididos en pequeños y grandes. AMD se mantiene con su diseño chiplet, pero, ¿por qué cada uno y cuál es mejor?

Diseño chiplet: la piedra angular de AMD

¿Cómo te quedas si te digo qué la primera vez que lo vimos fue en Intel? Concretamente, tendríamos que remontarnos a Nehalem en el ISSCC 2009. Fue un Intel Core i7 cuyo die se estructuraba por tener los núcleos por un lado, mientras que el controlador y las E/S de la memoria RAM iban por otro lado.

Esto no fue ignorado por AMD, que apostó todo al rojo para lo que vendría en 2017: AMD Ryzen, Threadripper y EPYC. Es decir, el chiplet es un diseño en el que dentro de un mismo paquete tenemos varios chips, que llaman encapsulados o «complejos». En concreto, AMD tiene un complejo CCD para albergar los núcleos y otro llamado IOD (Input Output Die), que gestiona las conexiones de entrada/salida o alberga el controlador de memoria.

¿Por qué no estamos formalmente ante un SoC? El SoC lo tiene todo dentro de un mismo chip: CPU, GPU, módem, controlador de memoria, etc. Sin embargo, la base es prácticamente la misma y AMD ha preferido hablar de procesadores x86 porque hasta los Ryzen 7000 no hemos visto iGPU, debiendo acudir a APU específicas en escritorio.

Entonces, las arquitecturas Zen, Zen+, Zen 2, Zen 3+ y Zen 4 están basadas en el diseño chiplet. ¿Por qué AMD opta por este diseño? Hay varios beneficios que ofrece el chiplet:

• Gran rendimiento.
• Consumo de energía reducido.
• Más flexibilidad en diseño.

No obstante, debemos hablar de la Ley de Moore que creó el cofundador de Intel Gordon Moore en 1965. Calificado como visionario, predijo que la cantidad de transistores en un chip se duplicaría cada 2 años, dando lugar a una economía de escala: aumento de rendimiento en procesamiento informático y reducciones de coste.

El chiplet es ideal para extender esta «Ley» porque dividimos el chip en módulos más pequeños y los interconectamos entre sí, lo que ayuda a instalar más y más transistores.

¿Creéis qué AMD se junta con TSMC porqué les tiene cariño? En absoluto, para extender la Ley de Moore es necesario que el chip esté fabricado con una litografía más avanzada: los famosos nanómetros. A día de hoy, el único fabricante de semiconductores que te puede dar viabilidad a una escala de litografía es TSMC, ya que Samsung ha mostrado serias dificultades de calidad y rendimiento en sus obleas por debajo de los 5 nm.

AMD ha logrado equipararse a Intel desde 2017 porque su diseño chiplet ha sido viable gracias a TSMC.

1. La primera generación de chips Ryzen (Summit Ridge) fueron fabricados por GlobalFoundries y tenían un proceso de 14 nm.
2. La segunda generación (Pinnacle Ridge) también fueron fabricados por GlobalFoundries y venían con 12 nm.
3. La tercera generación (Matisse) fue fabricada por TSMC con el famoso proceso de 7 nm.
4. Con la cuarta generación (Vermeer) TSMC fabricó la primera CPU de 5 nm del mercado.

Esto le ha permitido mejorar su diseño chiplet y equipar más y más transistores. No solo eso, el consumo se ha mantenido a raya y se ha mejorado, que es de lo que adolece Intel.

Por ejemplo, un Ryzen 5 1600 consumía unos 46 W en IDLE y casi 200 W en carga; el AMD Ryzen 5 7600X se coloca sobre los 60-70 W en IDLE, mientras que en carga se suele quedar entre 180-190 W. Ahora te preguntarás, ¿pero si es lo mismo no?

Bueno, el Ryzen 5 1600 tenía serios problemas para llegar a 4.0 GHz, mientras que el Ryzen 5 7600X se pone a unos 5.2 GHz en todos los núcleos bien refrigerado. De ahí que AMD siempre destaque el rendimiento/vatio de sus nuevos lanzamientos, y no es para menos la verdad.

Habréis visto que NVIDIA hace lo mismo en sus últimos lanzamientos (RTX 4000): de alguna manera hay que justificar que los chips de hoy consuman prácticamente lo mismo que los de hace años.

Aunque hemos hablado de procesadores, deciros que AMD ha trasladado este diseño chiplet a sus tarjetas gráficas Radeon, debutando en las RX 7000. Así lo remarcaron en la presentación de sus GPUs más potentes, creando los famosos MCD y GCD, complejos similares a los CCD de Ryzen.

Presentado este diseño de chips, proseguimos con la comparativa de núcleos híbridos vs diseño chiplet.

Núcleos híbridos: la estrategia de Intel por no avanzar de nodo

Turno para describir lo que viene haciendo Intel en sus procesadores desde 2021, presentando estos núcleos híbridos con Alder Lake (12ª generación). Todos sabéis que Intel tenía una hoja de ruta para avanzar de nodo, ya que venían de exprimir los 14 nm desde 2014 con Broadwell (5ª generación Intel Core).

Debo decir que es una proeza ofrecer tanto rendimiento con un proceso súper parecido (larga vida a los «++++») desde 2014 a 2020, ¡6 años! Hasta que no llegó la alianza AMD-TSMC, Intel no se puso las pilas con la fabricación de semiconductores (al menos en chips domésticos), pero vieron que no podían seguir los pasos de esta hoja de ruta por dificultades técnicas.

Intel adopta un diseño monolítico en sus procesadores, dando un salto de eficiencia y rendimiento con sus 10 nm Enhanced SuperFin en los Alder Lake-S (10ª generación). Tras ver en 2019-2021 que no podían avanzar a los 7 nm, decidieron inspirarse en los SoC de dispositivos móviles.

Quiero dejar claro ciertos puntos:

• Arm creó el diseño de los SoC que vemos hoy en día: todo dentro del chip para potenciar un dispositivo. Arm no fabrica chips, sino que vende sus diseños con royalties a otras marcas.
• La CPU dentro del SoC se caracteriza por tener núcleos más grandes y otros más pequeños.
• ¿Para qué? Los grandes son de alto rendimiento y consumen más energía, mientras que los más pequeños dan menos rendimiento y consumen menos.
• Gracias a este diseño se consigue un rendimiento muy bueno sin drenar la batería del dispositivo (fijaros en los móviles y tablets de hoy en día).

Vale, pero en escritorio necesitamos mucha potencia y el consumo no es tan vital porque no tenemos batería, ¿verdad? Antes he dicho que las marcas tienen que justificar al consumidor por qué el procesador nuevo consume lo mismo que el anterior. Con la fórmula anterior de Intel, no lograban mejorar el rendimiento/vatio porque las nuevas CPUs consumirían mucho más.

La solución pasó por adoptar el diseño big.LITTLE de Arm en CPUs x86, algo que no habíamos visto en procesadores de escritorio. Gracias a este movimiento, Intel pudo conseguir lo siguiente:

• Podían seguir con el diseño monolítico.
• Reducía el área del die y el coste de producción.
• Reducían el consumo de los procesadores, en comparación de adoptar la fórmula convencional.
• No necesitaban un proceso de 5 o 7 nm, dando viabilidad a los 10 nm.
• Gracias a incorporar estos núcleos pequeños, aumentaban las capacidades multitarea y podían «vender» a los consumidores que sus CPUs tienen más cores que AMD.
• El consumo seguía siendo más alto que los Ryzen 3000 con su litografía de 7 nm.
• El rendimiento mono-hilo de Intel seguía siendo competitivo.
• Las frecuencias de sus procesadores seguían siendo las más altas, algo que se ha extendido con Raptor Lake (13ª Gen).

Denominaron como «Performance Cores» a los núcleos grandes, mientras que los pequeños se llamaban «Efficency Cores«. A su vez, le daban un naming más técnico para diferencia sus capacidades: Gracemont y Golden Cove. Con la llegada de Raptor Lake (13ª Gen), vimos que mejoraron los cores potentes con Raptor Cove, aunque se mantuvieron los Gracemont.

La jugada salió bien e, incluso, sus procesadores Intel Core de 12ª generación tenían un precio más competitivo que AMD porque Intel fabricaba sus propios chips y no tenía problemas de escasez. En el período de 2020-2021, TSMC no daba a basto para fabricar chips para todos sus clientes, produciendo escasez y ésta se convirtió en productos más caros.

Por primera vez, veíamos un Ryzen 5 5600X por encima de los 310€, se perdía la relación calidad-precio que AMD sostenía durante 2017: el Intel Core i5-12600K se colocaba al mismo precio o, incluso menos.

Ya en 2022, los Ryzen volvieron a un precio mucho más accesibles, y tengo que decir que siguen vendiéndose como pipas.

No podíamos perder la oportunidad de hacer un diseño chiplet vs núcleos híbridos, así que tenía que explicar ambas opciones correctamente.

Núcleos híbridos vs diseño chiplet, ¿qué es mejor?

Explicados ambos diseños, solo queda emitir las conclusiones sobre qué es mejor y considero que hay ciertas ventajas y desventajas en esta comparativa de diseño chiplet vs núcleos híbridos. La resumo con esta tabla.

Difícil elegir «tu campeón», pero quiero recordar que Intel no tiene chips de 5 o 7 nm porque no quiere. Podría contratar a TSMC para la fabricación de chips avanzados, tal y como hace con sus tarjetas gráficas. Sin embargo, ve que Intel Foundry puede hacerse cargo de la mayoría de productos, ¡de momento!

Lo que sí sabemos es que AMD se ha quedado impresionada con los núcleos híbridos de Intel, y ya están llegando informaciones de que los Ryzen 8000 Strix Point serán híbridos (núcleos Zen 5 y Zen 5c). Eso sí, también fabricará otros procesadores con los núcleos habituales: 6, 8 y 12.

¿Cuál es mi ganador? Personalmente, me gusta más el diseño chiplet porque es modular y da un abanico de posibilidades grande al diseñador del die, además de estar acompañado por una litografía avanzada.

Te recomendamos los mejores procesadores del mercado.

Esperamos que os haya gustado este artículo. Si tenéis alguna duda, comentadla abajo y me encargaré de responder 🙂 ¿Por cuál te decantas?