El enunciado establecido por Gordon Moore (cofundador de Intel) en el año 1965 mantiene su vigencia hasta el día de hoy, a pesar de lo mucho que se habla de su inminente obsolescencia. Diversas iniciativas buscan formas de prorrogar su vencimiento, ya que, mientras esa ley siga en vigor, seguirá habiendo espacio para la innovación en la industria de los chips.
En 1965, Gordon Moore afirmó que el número de transistores en los chips se duplicaría cada año, y que la tendencia seguiría durante dos décadas. Más tarde, en 1975, Moore modificó su enunciado, señalando que la densidad de transistores en los chips se duplicaría cada dos años. En 2007, el propio Moore dictaminó que su ley caducaría en un plazo de entre 10 y 15 años. “En términos de tamaño [de transistores] puede verse que nos aproximamos al tamaño de los átomos, lo cual es una barrera fundamental, pero pasarán dos o tres generaciones antes de que lleguemos tan lejos; si bien eso es lo más lejos que conseguiremos llegar jamás”, declaró Moore. “Tenemos por delante otros 10 ó 20 años antes de que alcancemos un límite fundamental”. Mientras nos acercamos al cumplimiento del plazo predicho por el ex líder de Intel, distintas iniciativas buscan extender la vigencia de la ley y su viabilidad económica.
El CEO de TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), Mark Liu, destacó al escalamiento enunciado por Moore como una estrategia fundamental para su compañía. Actualmente TSMC opera con una tecnología de proceso de 16nm, pero su CEO asegura que para fines de este año su tecnología de 10nm estará en condiciones de producir en volumen, y que para principios del año próximo, comenzará a operar en 7nm.
Mientras tanto, la compañía se encuentra desarrollando su tecnología de proceso de 5 nm, mientras que su departamento de investigación evalúa las posibilidades de bajar a 3 nm, y más adelante, a 2nm. Liu asegura que varios segmentos prometedores, como HPC (High-Performance Computing) e IoT (Internet of Things), son los impulsores del crecimiento a futuro de la empresa, y por lo tanto, de las próximas reducciones en tecnología de proceso.
SE ACABA EL ACHICAMIENTO
La ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) es un informe creado en colaboración por las compañías más importantes de la industria de semiconductores. Desde 1993, esta hoja de ruta es considerada la autoridad máxima a la hora de predecir el futuro de la computación. En su última edición, la ITRS indicó que los transistores dejarán de achicarse luego del año 2021, pero de todos modos la Ley de Moore continuará vigente.
El aspecto más interesante de la ITRS es que intenta predecir los materiales y procesos que usarán los fabricantes de chips en los 15 años subsiguientes a cada edición. La idea básica es que, al colaborar en esa hoja de ruta, las compañías involucradas pueden decidir sabiamente hacia dónde dirigir sus esfuerzos de investigación y desarrollo.
Por ejemplo, a pesar del revuelo que vienen generando desde hace unos años los materiales como el grafeno y los nanotubos de carbono, la ITRS de 2011 predijo que pasarían entre 10 y 15 años antes de que esos materiales puedan empezar a usarse en chips de memoria o microprocesadores. Los semiconductores de germanio, en cambio, estaban (según la ITRS) a una distancia más corta en años, por lo que empresas como IBM e Intel les han destinado mayores esfuerzos.
El último informe ITRS pone el foco en dos cuestiones clave: la primera es que no será económicamente viable continuar achicando los transistores más allá del año 2021, y la segunda, qué puede hacerse para mantener la vigencia de la ley de Moore cuando los transistores hayan alcanzado su límite (cabe destacar que la Ley de Moore habla de la densidad de transistores dentro de un circuito integrado; no hace referencia ni al tamaño ni a la performance de dichos transistores).
La primera de las dos cuestiones es conocida desde hace tiempo. Después de alcanzar el hito de 65 nm en el año 2006, las ventajas económicas de migrar a transistores más pequeños comenzaron a mermar gradualmente. Antes de eso, cada migración a una tecnología más diminuta permitía colocar muchos más chips en las obleas de silicio, con incrementos de costo acotados. Pero con las recientes migraciones a tecnologías de 22 ó 14 nm, se sumaron tantos pasos adicionales requeridos para fabricar una oblea completa que el costo aumentó drásticamente; sin tener en cuenta el costo adicional requerido por los diseños de chips apilados, como through-silicon vias (TSV).
MAYORES COSTOS, LOS MISMOS INGRESOS
El aumento de costo que implica fabricar chips con las actuales tecnologías de proceso es la causa de que la industria de semiconductores haya pasado de estar compuesta por alrededor de 20 fabricantes en el año 2000 a sólo cuatro el día de hoy: Intel, TSMC, GlobalFoundries y Samsung (IBM abandonó recientemente el negocio al vender sus instalaciones a GlobalFoundries).
Handel Jones, CEO de la consultora International Business Strategies, estima que una fábrica de microprocesadores de última generación cuesta actualmente alrededor de U$S 7.000 millones. El directivo señala que, para cuando la industria llegue a producir chips de 5nm, ese costo podría elevarse a U$S 16.000 millones, cosa que representa casi un tercio de los actuales ingresos de Intel. Dichos ingresos fueron, en 2015, sólo un 2 por ciento más que en 2011. El lento aumento en ingresos y el importante incremento de los costos apunta a una conclusión sombría: “Desde un punto de vista meramente económico, la Ley de Moore está terminada”, dijo Linley Gwennap, líder de Linley Group, una consultora de analistas de Silicon Valley.
Para la segunda cuestión -mantener la densidad de transistores-, la ITRS presenta un par de soluciones probables. Por un lado, la hoja de ruta estima que los fabricantes y diseñadores de chips comenzarán a alejarse de la tecnología FinFET en el año 2019, para comenzar a utilizar diseños de transistores rodeados por compuertas (gate-all-around). Algunos años más tarde, estos transistores se volverán verticales, con el canal construido en base a alguna clase de nanocables. Esto permitirá un incremento masivo en densidad de transistores.
Esas ganancias lamentablemente no continuarán por largo tiempo. Según la ITRS, hacia el año 2024 los circuitos una vez más se encontrarán con una barrera térmica. Dado que existe un límite en cuanto a la cantidad de calor que una superficie puede disipar, a medida que los chips se vuelvan más pequeños y densos, eventualmente se volverá imposible mantenerlos funcionando a temperaturas normales.
NANOTUBOS AL RESCATE
Investigadores de la Universidad de California anunciaron recientemente la creación de un transistor de apenas 1 nm basado en nanotubos de carbono y disulfuro de molibdeno (MoS2, un lubricante para motores) en reemplazo del silicio.
El científico Ali Javey, líder del equipo de investigación responsable del logro, comentó que “hemos construido el transistor más pequeño reportado hasta la fecha. La longitud de la compuerta es considerada una dimensión definitiva del transistor. Hemos demostrado un transistor con una compuerta de 1 nanómetro, evidenciando que, con la correcta selección de materiales, hay todavía margen para reducir los componentes electrónicos”.
El disulfuro de molibdeno es parte de una familia de materiales con un enorme potencial de aplicaciones en LEDs, lasers, transistores, celdas de energía solar, etc. Debe tenerse en cuenta que el transistor de 1 nm es sólo una prueba de concepto, y que por ahora no existen planes concretos para llevarlo a la producción masiva.
El logro de los investigadores demuestra que es posible vencer las barreras tecnológicas a las que se enfrenta la Ley de Moore, aunque lograr vencer las barreras económicas que se interponen a la producción masiva de esa tecnología es una historia completamente distinta.
CAMINOS ALTERNATIVOS
En paralelo con los intentos por achicar los transistores o juntarlos para aumentar su densidad, las áreas de investigación y desarrollo de las empresas analizan la viabilidad de otras formas lograr que la lógica de los chips ocupe menos espacio. A continuación, algunas de las ideas más prometedoras:
- Comunicación óptica: el uso de luz en lugar de electricidad para la comunicación entre componentes dentro de los chips podría disminuir el consumo energético y aumentar la performance. Hewlett-Packard y el Massachusetts Institute of Technology (MIT) están trabajando en esta línea de investigación.
- Transistores cuánticos: Intel se encuentra investigando el uso de fenómenos cuánticos para alterar el comportamiento de portadores de cargas eléctricas en los transistores para incrementar su performance y así prolongar la vigencia de la Ley de Moore.
- Computación neuromórfica: para tareas de inteligencia artificial y otras, como reconocimiento de patrones, IBM y Qualcomm están invirtiendo en investigación y desarrollo de dispositivos modelados como las redes neuronales que procesan información en el cerebro animal.
- Transistores de nanotubos de carbono: los nanotubos ya están mostrando sus beneficios económicos en el desarrollo de chips de memoria. En un futuro no muy lejano, harán lo propio con los microprocesadores.
LA ERA DEL CAOS
Los analistas de la industria IT consideran que el crepúsculo de la Ley de Moore iniciará una época de cambios, desorden y destrucción creativa, dado que cambiará la dinámica de las innovaciones al no poder depender éstas de las continuas reducciones de tamaño de los chips. Al respecto, Bob Colwell, diseñador del chip Pentium, señaló que a los consumidores (principales impulsores de la industria de los chips) no les importa la Ley de Moore. “La mayoría de la gente que compra computadoras ni siquiera sabe qué es lo que hace un transistor”, comentó Colwell.
Los compradores de tecnología sólo esperan que los productos sean cada vez mejores y más útiles. En el pasado, eso se lograba gracias a aumentos exponenciales en velocidad y rendimiento. Esa veta se está agotando, pero no caben dudas de que surgirán muchas otras formas viables de construir computadoras cada vez mejores.
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