La ley de Moore y el futuro de los transistores (+PDF)

Nuestra sociedad ha cambiado de manera extraordinaria gracias, entre otros factores, a la aparición de la electrónica de consumo y la omnipresencia de ordenadores, debido a la mejora constante de sus prestaciones y a la bajada de precio. Ello ha sido posible porque durante los últimos 40 años el número de transistores en un circuito integrado se ha duplicado aproximadamente cada dos años, según una regla empírica conocida como“ley” de Moore que ha sido una guía que ha marcado el desarrollo tecnológico desde su formulación. Así, por ejemplo, se ha pasado de los poco más de dos mil del chip 4004 de INTEL en 1971, hasta los más de 1,7 miles de millones de transistores del skylake, en uso desde 2015 y 2,57 billones estimados del I7-8700K. Estos cambios han provocado que el tamaño y precio de los ordenadores hayan disminuido, mientras que la capacidad de cálculo se ha disparado, propiciando la llegada de la electrónica de consumo y el cambio de muchas costumbres sociales.

En el mundo tecnológico 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 TVs, 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 cimientos: los transistores.

Los transistores vienen a ser la unidad mínima del procesamiento, de modo que con su funcionamiento 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).

Los procesadores son fabricados usando fotolitografía, donde una imagen de la CPU es grabada en una pieza de sílice. El método exacto de cómo se hace esto se conoce generalmente como el nodo de proceso y se mide por lo pequeño que el fabricante puede hacer los transistores. Dado que los transistores más pequeños son más eficientes en el consumo de energía, pueden hacer más cálculos sin calentarse demasiado, lo que suele ser el factor limitante para el rendimiento de la CPU. También permite troqueles más pequeños, lo que reduce los costos y puede aumentar la densidad en los mismos tamaños, lo que significa más núcleos por chip.

Todos sabemos que los fabricantes están siempre ansiosos por reducir el proceso de fabricación de sus componentes a un nuevo nodo, que les permita reducir los nanómetros de los transistores que hay en su interior. La reducción de los nodos de fabricación de los componentes electrónicos es siempre uno de los principales objetivos de los diseñadores de chips, ya sean estos para memoria, para procesadores, núcleos gráficos, etc.

Un nodo de fabricación más bajo que el que se use en cualquier momento para fabricar un componente, presenta muchasventajas para el diseñador/comerciante del chip:

• Con un nodo más pequeño y mismo número de transistores, se pueden obtener mayor número de chips por cada oblea de silicio, con lo que sale más barata su fabricación.
• Por el contrario, podríamos emplear todo el espacio libre que deja el nuevo nodo de fabricación para meter todavía más transistoresdentro del componente. Esto, habitualmente, suele traducirse en un incremento del rendimiento.
• La reducción del nodo trae consigo una reducción de la energía que es necesaria para que los transistores cambien de estado. Por tanto, el componente, si no se le incorporan más transistores, consumirá menos.
• Otra opción es mantener el mismo techo de consumo de potencia, añadiendo más transistores al núcleo.

Una muestra muy clara de lo que es la reducción en nanómetros del nodo de fabricación es lo que ha hecho por ejemplo AMD con sus procesadores Ryzen. Los de 1ª Generación estaban fabricados en un nodo de 14 nm. Cuando AMD bajó su nodo a los 12 nm, empleó la reducción para implementar algunas mejoras, pero manteniendo, prácticamente, la misma envolvente térmica. El hecho es que, gracias a esta reducción del nodo, los nuevos Ryzen de 2ª Generación tienen una mayor frecuencia de funcionamiento, con un TDP que se ha mantenido igual (más o menos, y excepto en el caso de los Ryzen 7 2700X).

Según el informe que presento la Semiconductor International Association, el ITRS 2015 (International Technology Roadmap for Semiconductors), se preveía que los fabricantes cesaran 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 planteaba si se vería afectada la de de Moore.

Reducir el nodo de fabricación trae consigo una serie de problemas asociados con los que han de lidiar las fábricas que producen los componentes:

• Las vías de datos / corriente se van haciendo tan pequeñas, a medida que se reducen los nanómetros de los nodos, que es muy complejo mantener su integridad, y se deterioran con facilidad, algo que es creado por el fenómeno de laelectromigración. Ello da paso al problema de los electrones metiéndose en las vías donde no deben de ir.
• Es más complejo hacer las trazas de datos entre los transistores.
• Los transistores se vuelven mucho más sensibles a los cambios de voltaje. Lo cual es positivo, sí, pero también negativo.

Junto con estos problemas básicos, han existido varios factores se han conjurado para que la Ley de Moore empiece a dejar de ser válida o mantenga su validez a corto o medio plazo; y hay quien hasta ha vaticinado su muerte.

De la Ley Moore, su vigencia y de los transistores de los procesadores estaremos hablando hoy. Para ver el documento completo: http://infojav.cubava.cu/files/2019/05/La-ley-de-Moore-y-el-futuro-de-los-transistores.pdf