De nanómetros, miniaturización y ley de Moore: el futuro de los transistores

Hablando de tecnología estamos acostumbrados a que haya batallas de mayor o menor duración en referencia a batir cierta cifra, bien sea por aumentarla o dividirla. Lo vemos con los megapíxeles de los sensores, con la memoria RAM de los dispositivos electrónicos y también con los procesadores. Pero no hablamos de los núcleos, sino de un cambio que al parecer se avecina para lo que se entiende como sus ladrillos: los transistores.

Según el informe que ha presentado la Semiconductor International Association, el ITRS 2015 (International Technology Roadmap for Semiconductors), se prevé que los fabricantes cesen en el empeño de reducir el tamaño de los transistores en un intervalo de cinco años. Una tendencia que existe desde hace más de 50 años y que con esta predicción de nuevo se plantea si se vería afectada otra que tomó dimensiones de ley, la de Moore.

¿Una carrera menos?

Como hemos comentado, los transistores vienen a ser la unidad mínima del procesamiento, de modo que cuya comunicación hace que los procesadores puedan llevar a cabo todas las operaciones que realiza un dispositivo que lleve una de estas unidades como un smartphone, un tablet o un ordenador. Tiene tres conexiones y, según permita o no el paso de energía por él, se emula el comportamiento básico de un bit con sus estados 0 y 1. Es decir, es una especie de interruptor por el cual se realiza cualquier tipo de operación matemática o lógica gracias al paso o el bloqueo de corriente (siendo transmisor o resistencia).

Cuando hablamos de miniaturización nos referimos al fenómeno que ya en 1965 fue descrito por Gordon Moore, fundador de Intel. Empezó con el desarrollo del transistor hacia finales de los 40 y se prolongó con el de los circuitos integrados hasta pasar a otro nivel con los microprocesadores, y esto también se ha visto en la arquitectura de los procesadores.

Lo vimos al hablar de esta carrera en concreto, la de los nanómetros. En la actualidad los transistores son tan pequeños que se han de ver con microscopio electrónico, pasando de los 10.000 nanómetros a los 14 de los Broadwell de Intel. Sobre esta compañía se espera la llegada de los 10, 7 y 5 nanómetros, aunque puede que se queden ahí.

Así, en el ITRS 2015 se prevé que a esta miniaturización le quedan cinco años, hasta 2021. Una fecha que se anticipa a la expuesta en el informe del año anterior (que apuntaba a 2028) debido al auge de las arquitecturas 3D desde hace algunos años (es decir tanto en horizontal como en vertical). El motivo es que se calcula que no compensará económicamente la reducción de las dimensiones de los transistores, sino que lo hará el optar a una geometría vertical y a construir por capas.

¿Y qué ocurre con Moore y su ley?

Mencionábamos antes que puede que con esta predicción la ley de Moore se viese afectada de nuevo. Recordando de manera breve qué enuncia esta ley, se trata de una ley formulada en 1965 a partir de los cálculos que el fundador de Intel y que establecía (en un principio) que el número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados se duplicaría cada año durante las dos décadas posteriores. Posteriormente el mismo Moore se autocorregía diciendo que el ritmo bajaría (no se duplicarían cada año, sino cada dos).

¿Qué tiene que ver con la miniaturización? Cuestión de espacio. Si los elementos son más pequeños, van a caber más en una misma superficie, ergo su número se multiplica. Es lo que ha ocurrido con los transistores y a lo que hacíamos referencia al hablar de los nanómetros: cuanto más pequeños sean los transistores, más habrá por procesador y por circuito integrado. Pero si como dice el ITRS a la miniaturización le quedan cinco años, ¿le queda eso también a la ley de Moore?

Según este mismo informe a la ley empírica del fundador de Intel aún le quedan algunos años. Así lo afirma Paolo Gargini, director del ITRS, al hablar de esta suposición, negando que se vaya a ver afectada. Explica que el ITRS simplemente refleja una predicción del número de transistores por área en los próximos años (en una o varias capas) y que si una compañía prefiere optar por seguir reduciéndolos lo hará, pero que "resulta más económico ir al 3D; ése es el mensaje que queremos transmitir".

[La idea de que se va a acabar la ley de Moore] es completamente incorrecta. La prensa ha inventado muchas maneras de definir esta ley pero sólo hay una: el número de transistores se dobla cada dos años.

El futuro de los transistores: ¿habéis jugado a los bloques?

Según este informe lo que está por llegar es que los fabricantes dejen de usar la estructura actual (FinFET) a favor de una estructura que conectará distintas capas en vertical, con canales de nanocables, formando una especie de canales. Y hablando de estos canales, lo que está en el punto de mira es el silicio. El ya popular material será reemplazado por materiales que pertenecen al tercer y al quinto grupo de la tabla periódica como el germanio.

Se espera que esto repercuta en la mejora de los transistores en cuanto a la velocidad de reloj, pero puede que también afecte a las compañías. Haciendo un repaso desde principios de siglo, según recuerdan en IEEE Spectrum de las 19 compañías dedicadas a la fabricación de chips con transistores de alta tecnología hoy en día sólo quedan cuatro, siendo Intel, TSMC, Samsung y GlobalFoundries. Para Gargini está habiendo un cambio en la industria.

La industria ha cambiado. Los compradores de chips y las compañías encargadas del diseño como Apple, Google o Qualcomm están dictando cada vez en mayor grado los requisitos de las futuras generaciones de chips. [...] Érase una vez las compañías de semiconductores decidieron qué características tendrían que llevar éstos. Éste ya no volverá a ser el caso.

Vía | IEEE Spectrum
En Xataka | La importancia de los nanómetros en los procesadores