36 Billones de Operaciones por Segundo: Anatomía Secreta de la GPU

Imagina a ocho mil millones de personas resolviendo cada una una multiplicación por segundo, sin pausas ni errores. Harían falta aun así unas 4400 Tierras pobladas para igualar la potencia de una tarjeta gráfica moderna. El salto impresiona: Mario 64 se conformaba con cien millones de operaciones por segundo, Minecraft exigía cien mil millones, mientras que Cyberpunk 2077 reclama cerca de 36 billones de operaciones cada segundo. Semejante diluvio cabe en una caja de pocos litros gracias a una arquitectura masivamente paralela , una memoria voraz y una planificación milimétrica.

Carguero o Avión Jumbo

La pastilla gráfica alinea 10752 núcleos frente a los 24 núcleos de un procesador clásico, pero la comparación cruda engaña. La imagen del carguero frente al avión de línea aclara el compromiso: el barco mueve un volumen inmenso despacio, el avión entrega poco pero rápido. Igual ocurre aquí: el procesador gestiona tareas variadas, rápidas e imprevisibles, mientras la tarjeta repite cálculos sencillos sobre montañas de cifras. No ejecuta ningún sistema operativo , no atiende ni teclado ni red , y asume esa especialización radical.

En el centro de la tarjeta reina una pastilla llamada GA102, grabada con 28300 millones de transistores. Su plano se organiza en 7 grupos llamados GPC, cada uno con 12 multiprocesadores de flujo. Cada multiprocesador combina haces de 32 núcleos CUDA , un núcleo Tensor y un núcleo de trazado de rayos , es decir 10752 unidades de cálculo clásico, 336 unidades matriciales y 84 unidades de trazado luminoso. Las primeras sostienen el sombreado de los juegos, las segundas aceleran las transformaciones geométricas y la inteligencia artificial , las terceras trazan la luz.

Los Chips Defectuosos no se Desechan

Las tarjetas 3090 Ti, 3090, 3080 Ti y 3080 comparten el mismo diseño de pastilla, pese a precios y rendimientos distintos. La explicación está en la fabricación: el polvo y los fallos de grabado dañan a veces zonas del silicio. En vez de tirar la oblea, los ingenieros aíslan y desactivan el multiprocesador defectuoso, gracias a un diseño repetitivo que confina la avería. Luego las pastillas se clasifican: intactas para la gama alta, parcialmente desactivadas hacia abajo. La frecuencia de reloj y la memoria integrada diferencian los modelos.

Un núcleo CUDA se parece a una calculadora de unos 410000 transistores. Su circuito principal, de 50000 transistores, ejecuta la operación A multiplicado por B más C, bautizada como multiplicación-suma fusionada . La mitad maneja flotantes de 32 bits y la otra alterna entre enteros y flotantes, mientras secciones vecinas gestionan signos, desplazamientos y colas de instrucciones. Cada núcleo encadena una multiplicación y una suma por ciclo: con 10496 unidades a 1,7 gigahercios se alcanzan 35,6 billones de operaciones por segundo. Las divisiones y raíces cuadradas quedan para unas unidades especiales .

Hambre de Memoria y Trucos de Señal

Alrededor de la pastilla, la tarjeta parece una central en miniatura atornillada sobre un circuito impreso . Un módulo regulador convierte los 12 voltios en 1,1 voltios y vuelca cientos de vatios sobre la pastilla. Cuatro tubos de calor llevan ese calor a unas aletas ventiladas, lo que explica el peso del aparato. Los 24 gigabytes de GDDR6X acogen el decorado: al cargar, los modelos migran del SSD a la memoria de vídeo . El bus de 384 bits entrega 1,15 terabytes por segundo, frente a 64 gigabytes en el procesador.

Transmitir tantos datos obliga a jugar con la señal eléctrica. La GDDR6X codifica dos bits por nivel con cuatro tensiones, un esquema llamado PAM-4. La generación siguiente adopta una codificación ternaria: tres bits binarios se vuelven dos cifras de tres estados, con tensiones positiva, nula y negativa. Este PAM-3 simplifica el codificador, aclara la relación señal-ruido y ahorra energía. Para los aceleradores de inteligencia artificial , la memoria HBM apila capas de DRAM unidas por vías de silicio, con hasta 192 gigabytes de gran velocidad alrededor de la pastilla.

Una Instrucción para Millones de Datos

Algunos cálculos se reparten solos, y el renderizado 3D es uno de ellos. Piensa en un sombrero vaquero: unos 28000 triángulos nacidos de 14000 vértices marcados en X, Y y Z dentro del espacio del modelo. Para instalarlo en el mundo virtual basta sumar la posición del objeto a cada coordenada, una instrucción repetida sobre millones de números. Con 5629 objetos y 8,3 millones de vértices, la escena pide 25 millones de sumas independientes, repartidas entre miles de núcleos. Es el paralelismo vergonzante , o una instrucción, múltiples datos .

Cada instrucción la porta un hilo de ejecución ; 32 hilos forman un haz llamado warp. Los haces forman bloques confiados a los multiprocesadores, reunidos en mallas que pilota el motor Gigathread . Antes, los 32 hilos marchaban al paso como falange; desde 2016, la arquitectura SIMT deja que cada hilo avance a su ritmo con su contador de programa . Los hilos comparten una caché L1 de 128 kilobytes, pero las ramificaciones divergentes imponen resincronizaciones costosas. La palabra warp vendría del telar de Jacquard, no de los viajes espaciales.

La misma maquinaria brilla más allá del juego. Para validar un bloque de bitcóin, el algoritmo SHA-256 mezcla transacciones, marca temporal y un número aleatorio llamado nonce, como una lotería de boletos al azar. Una tarjeta produce unos 95 millones de boletos por segundo, pero los circuitos dedicados ASIC alinean 250 billones de jugadas, 2600 tarjetas. Los núcleos Tensor multiplican matrices enteras de una vez, pan cotidiano de las redes neuronales . Los núcleos de trazado de rayos simulan los rayos de luz para unos reflejos creíbles.