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recuento de transistores

El recuento de transistores es el número de transistores en un dispositivo electrónico (normalmente en un único sustrato o "chip"). Es la medida más común de la complejidad de los circuitos integrados (aunque la mayoría de los transistores de los microprocesadores modernos están contenidos en memorias caché , que consisten principalmente en los mismos circuitos de celdas de memoria replicados muchas veces). La velocidad a la que ha aumentado el número de transistores MOS generalmente sigue la ley de Moore , que observa que el número de transistores se duplica aproximadamente cada dos años. [1] Sin embargo, al ser directamente proporcional al área de un chip, el número de transistores no representa cuán avanzada es la tecnología de fabricación correspondiente: una mejor indicación de esto es la densidad de transistores (la relación entre el número de transistores de un chip y su área).

A partir de 2023 , el recuento más alto de transistores en la memoria flash es el chip de memoria flash V-NAND de 2 terabytes ( apilado en 3D ), 16 matrices y 232 capas de Micron , con 5,3 billones de MOSFET de puerta flotante ( 3 bits por transistor ).   

El recuento de transistores más alto en un procesador de un solo chip a partir de 2020 es el del procesador de aprendizaje profundo Wafer Scale Engine 2 de Cerebras . Tiene 2,6 billones de MOSFET en 84 campos expuestos (muere) en una oblea, fabricada mediante el proceso FinFET de 7 nm  de TSMC . [2] [3] [4] [5] [6]

A partir de 2023 , la GPU con el mayor número de transistores es la MI300X de AMD , construida sobre el proceso N5 de TSMC y con un total de 153 mil millones de MOSFET.

El recuento más alto de transistores en un microprocesador de consumo en junio de 2023 es de 134  mil millones de transistores, en el sistema M2 Ultra de doble matriz basado en ARM en un chip de Apple , que se fabrica utilizando el proceso de fabricación de semiconductores de 5 nm de TSMC . [7]

En términos de sistemas informáticos que constan de numerosos circuitos integrados, la supercomputadora con el mayor número de transistores en 2016 fue la Sunway TaihuLight de diseño chino , que tiene para todas las CPU/nodos combinados "alrededor de 400 billones de transistores en la parte de procesamiento del hardware". " y "la DRAM incluye alrededor de 12 mil billones de transistores, y eso es aproximadamente el 97 por ciento de todos los transistores". [8] En comparación, la computadora más pequeña , en 2018 eclipsada por un grano de arroz, tenía del orden de 100.000 transistores. Las primeras computadoras experimentales de estado sólido tenían tan solo 130 transistores pero usaban grandes cantidades de lógica de diodos . La primera computadora con nanotubos de carbono tenía 178 transistores y era una computadora con un conjunto de instrucciones de 1 bit , mientras que una posterior es de 16 bits (aunque su conjunto de instrucciones es RISC-V de 32 bits ).

Los chips de transistores iónicos ( procesador analógico limitado "a base de agua") tienen hasta cientos de estos transistores. [9]

Estimaciones del número total de transistores fabricados:

recuento de transistores

Gráfico de recuentos de transistores MOS para microprocesadores en comparación con las fechas de introducción. La curva muestra que los recuentos se duplican cada dos años, según la ley de Moore .

Microprocesadores

Parte de una jaula para tarjetas IBM 7070 repleta de tarjetas del sistema modular estándar

Un microprocesador incorpora las funciones de la unidad central de procesamiento de una computadora en un único circuito integrado . Es un dispositivo programable de usos múltiples que acepta datos digitales como entrada, los procesa de acuerdo con instrucciones almacenadas en su memoria y proporciona resultados como salida.

El desarrollo de la tecnología de circuitos integrados MOS en la década de 1960 condujo al desarrollo de los primeros microprocesadores. [12] El MP944 de 20 bits , desarrollado por Garrett AiResearch para el caza F-14 Tomcat de la Marina de los EE. UU . en 1970, es considerado por su diseñador Ray Holt como el primer microprocesador. [13] Era un microprocesador de múltiples chips, fabricado con seis chips MOS. Sin embargo, estuvo clasificado por la Marina hasta 1998. El Intel 4004 de 4 bits , lanzado al mercado en 1971, fue el primer microprocesador de un solo chip.

Los microprocesadores modernos suelen incluir memorias caché en el chip . La cantidad de transistores utilizados para estas memorias caché normalmente excede con creces la cantidad de transistores utilizados para implementar la lógica del microprocesador (es decir, excluyendo la memoria caché). Por ejemplo, el último chip DEC Alpha utiliza el 90% de sus transistores para caché. [14]

GPU

Una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) es un circuito electrónico especializado diseñado para manipular y alterar rápidamente la memoria para acelerar la creación de imágenes en un búfer de cuadros destinado a su salida a una pantalla.

El diseñador se refiere a la empresa de tecnología que diseña la lógica del chip del circuito integrado (como Nvidia y AMD ). El fabricante ("Fab") se refiere a la empresa de semiconductores que fabrica el chip utilizando su proceso de fabricación de semiconductores en una fundición (como TSMC y Samsung Semiconductor ). El número de transistores en un chip depende del proceso de fabricación del fabricante, y los nodos semiconductores más pequeños suelen permitir una mayor densidad de transistores y, por tanto, un mayor número de transistores.

La memoria de acceso aleatorio (RAM) que viene con las GPU (como VRAM , SGRAM o HBM ) aumenta en gran medida el recuento total de transistores, y la memoria normalmente representa la mayoría de los transistores en una tarjeta gráfica . Por ejemplo, el Tesla P100 de Nvidia tiene 15 mil millones de FinFET (16 nm) en la GPU además de 16 GB de memoria HBM2 , lo que suma alrededor de 150 mil millones de MOSFET en la tarjeta gráfica. [195] La siguiente tabla no incluye la memoria. Para conocer los recuentos de transistores de memoria, consulte la sección Memoria a continuación.   

FPGA

Una matriz de puertas programables en campo (FPGA) es un circuito integrado diseñado para ser configurado por un cliente o diseñador después de la fabricación.

Memoria

La memoria semiconductora es un dispositivo electrónico de almacenamiento de datos , utilizado a menudo como memoria de computadora , implementado en circuitos integrados . Casi todas las memorias de semiconductores desde la década de 1970 han utilizado MOSFET (transistores MOS), en sustitución de los anteriores transistores de unión bipolar . Hay dos tipos principales de memoria semiconductora: memoria de acceso aleatorio (RAM) y memoria no volátil (NVM). A su vez, existen dos tipos principales de RAM: memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM) y memoria estática de acceso aleatorio (SRAM), así como dos tipos principales de NVM: memoria flash y memoria de solo lectura (ROM).

La SRAM CMOS típica consta de seis transistores por celda. Para DRAM, es común 1T1C, que significa una estructura de transistor y capacitor. El condensador cargado o no [ se necesita aclaración ] se usa para almacenar 1 o 0. En la memoria flash, los datos se almacenan en puertas flotantes y se detecta la resistencia del transistor [ se necesita aclaración ] para interpretar los datos almacenados. Dependiendo de qué tan fina se pueda separar la resistencia [ se necesita aclaración ] , un transistor podría almacenar hasta tres bits , lo que significa ocho niveles distintos de resistencia posibles por transistor. Sin embargo, una escala más fina conlleva el costo de problemas de repetibilidad y, por tanto, de confiabilidad. Normalmente, se utiliza memoria flash MLC de 2 bits de baja calidad para las unidades flash , por lo que una  unidad flash de 16 GB contiene aproximadamente 64 mil millones de transistores.

Para los chips SRAM, el estándar era celdas de seis transistores (seis transistores por bit). [295] Los chips DRAM a principios de la década de 1970 tenían celdas de tres transistores (tres transistores por bit), antes de que las celdas de un solo transistor (un transistor por bit) se convirtieran en estándar desde la era de la DRAM de 4 Kb a mediados de la década de 1970. [296] [297] En la memoria flash de un solo nivel , cada celda contiene un MOSFET de puerta flotante (un transistor por bit), [298] mientras que la memoria flash multinivel contiene 2, 3 o 4 bits por transistor. 

Los chips de memoria flash comúnmente se apilan en capas, hasta 128 capas en producción, [299] y 136 capas administradas, [300] y están disponibles en dispositivos de usuario final de hasta 69 capas por parte de los fabricantes.

Computadoras de transistores

Antes de que se inventaran los transistores, los relés se utilizaban en máquinas tabuladoras comerciales y en las primeras computadoras experimentales. La primera computadora digital programable y totalmente automática en funcionamiento del mundo , [359] la computadora Z3 de 22 bits de longitud de palabra de 1941 , tenía 2.600 relés y funcionaba a una frecuencia de reloj de aproximadamente 4 a 5  Hz . La computadora de números complejos de 1940 tenía menos de 500 relés, [360] pero no era completamente programable. Las primeras computadoras prácticas utilizaban tubos de vacío y lógica de diodos de estado sólido . ENIAC tenía 18.000 tubos de vacío, 7.200 diodos de cristal y 1.500 relés, y muchos de los tubos de vacío contenían dos elementos triodos .

La segunda generación de computadoras fueron computadoras de transistores que presentaban placas llenas de transistores discretos, diodos de estado sólido y núcleos de memoria magnéticos . Se cree ampliamente que la computadora experimental de transistores de 48 bits de 1953 , desarrollada en la Universidad de Manchester , es la primera computadora de transistores que entró en funcionamiento en cualquier parte del mundo (el prototipo tenía 92 transistores de punto de contacto y 550 diodos). [361] Una versión posterior, la máquina de 1955 tenía un total de 250 transistores de unión y 1.300 diodos de contacto puntual. La Computadora también usó una pequeña cantidad de válvulas en su generador de reloj, por lo que no fue la primera completamente transistorizada. El ETL Mark III, desarrollado en el Laboratorio Electrotécnico en 1956, puede haber sido la primera computadora electrónica basada en transistores que utilizó el método del programa almacenado . Tenía alrededor de "130 transistores de contacto puntual y se utilizaban alrededor de 1.800 diodos de germanio para los elementos lógicos, y estos estaban alojados en 300 paquetes enchufables que podían insertarse y extraerse". [362] La arquitectura decimal IBM 7070 de 1958 fue la primera computadora con transistores que fue completamente programable. Tenía alrededor de 30.000 transistores de germanio con uniones de aleación y 22.000 diodos de germanio, en aproximadamente 14.000 tarjetas de sistema modular estándar (SMS). El MOBIDIC de 1959 , abreviatura de "MOBIle DIgital Computer", de 12.000 libras (6,0 toneladas cortas) montado en el remolque de un camión semirremolque , era un ordenador transistorizado para datos del campo de batalla.

La tercera generación de computadoras utilizó circuitos integrados (CI). [363] La computadora de guía Apollo de 15 bits de 1962 utilizó "alrededor de 4.000 circuitos" Tipo-G "(puerta NOR de 3 entradas)" para aproximadamente 12.000 transistores más 32.000 resistencias. [364] El IBM System/360 , introducido en 1964, utilizaba transistores discretos en paquetes de circuitos híbridos . [363] La CPU PDP-8 de 12 bits de 1965 tenía 1409 transistores discretos y más de 10.000 diodos, en muchas tarjetas. Las versiones posteriores, comenzando con el PDP-8/I de 1968, utilizaron circuitos integrados. Posteriormente, el PDP-8 se reimplementó como microprocesador como Intersil 6100 , ver más abajo. [365]

La siguiente generación de computadoras fueron las microcomputadoras , comenzando con la Intel 4004 de 1971 , que usaba transistores MOS . Estos se usaban en computadoras domésticas o computadoras personales (PC).

Esta lista incluye las primeras computadoras transistorizadas (segunda generación) y computadoras basadas en circuitos integrados (tercera generación) de las décadas de 1950 y 1960.

Funciones lógicas

El recuento de transistores para funciones lógicas genéricas se basa en la implementación estática de CMOS . [384]

Sistemas paralelos

Históricamente, cada elemento de procesamiento en los sistemas paralelos anteriores (como todas las CPU de esa época) era una computadora en serie construida con múltiples chips. A medida que aumenta el número de transistores por chip, cada elemento de procesamiento podría construirse a partir de menos chips y, más adelante, cada chip de procesador multinúcleo podría contener más elementos de procesamiento. [387]

Goodyear MPP : (¿1983?) Procesadores de 8 píxeles por chip, de 3.000 a 8.000 transistores por chip. [387]

Brunel University Scape (elemento de procesamiento de matriz de un solo chip): (1983) procesadores de 256 píxeles por chip, de 120.000 a 140.000 transistores por chip. [387]

Cell Broadband Engine : (2006) con 9 núcleos por chip, tenía 234 millones de transistores por chip. [388]

Otros dispositivos

Densidad de transistores

La densidad de transistores es la cantidad de transistores que se fabrican por unidad de área, generalmente medida en términos de cantidad de transistores por milímetro cuadrado (mm 2 ). La densidad del transistor generalmente se correlaciona con la longitud de la puerta de un nodo semiconductor (también conocido como proceso de fabricación de semiconductores ), generalmente medida en nanómetros (nm). A partir de 2019 , el nodo semiconductor con la mayor densidad de transistores es el nodo de 5 nanómetros de TSMC , con 171,3  millones de transistores por milímetro cuadrado (tenga en cuenta que esto corresponde a una separación entre transistores de 76,4 nm, mucho mayor que los "5 nm" relativamente sin sentido) [ 395]

Nodos MOSFET

Ver también

Notas

  1. ^ Desclasificado 1998
  2. ^ El TMS1000 es un microcontrolador, el recuento de transistores incluye memoria y controladores de entrada/salida , no solo la CPU.
  3. ^ 3510 sin transistores pull-up en modo de agotamiento
  4. ^ 6.813 sin transistores pull-up en modo de agotamiento
  5. ^ Matriz de chiplet de 3.900.000.000 núcleos, matriz de 2.090.000.000 de E/S
  6. ^ ab Estimación
  7. ^ Se confirma que Versal Premium se enviará en el primer semestre de 2021, pero no se mencionó nada sobre el VP1802 en particular. Por lo general, Xilinx publica noticias por separado para el lanzamiento de sus dispositivos más grandes, por lo que es probable que el VP1802 se lance más tarde.
  8. ^ "Unidad de procesamiento de inteligencia"

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