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07 mayo 2020

El futuro de la electrónica: ¿Hora de declarar el fin de la ley de Moore?

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En 1965 Gordon Moore, cofundador de Fairchild Semiconductor, fue tentado por la revista Electronics para aventurar cuál sería el futuro de los circuitos integrados (CI) de transistores, entonces la nueva revolución tecnológica. En su artículo, Moore constataba que en el lustro anterior se había doblado el número de transistores por CI cada año, lo que le invitaba a predecir que lo mismo sucedería en el decenio siguiente. En 1975 actualizó su pronóstico: el doble de transistores por CI cada dos años. Y durante medio siglo, la predicción de Moore ha sido ley. Sin embargo, hoy se anuncia el fin de la ley de Moore. Pero ¿es así?

El transistor, una especie de diminuto interruptor controlado por electricidad, fue desarrollado en 1947 por los ingenieros de Bell Laboratories John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley. Este avance vino a sustituir a los voluminosos tubos de vacío, que por entonces eran la opción para amplificar la señal telefónica a lo largo de su recorrido. En 1959 Mohamed Atalla y Dawon Kahng, también de Bell, inventaron el tipo de transistor que perduró durante décadas, MOSFET (Transistor de Efecto Campo de Semiconductor de Óxido de Metal).

BBVA-OpenMind-El futuro de la electrónica-ley de Moore 2-Gordon Moore (izquierda) y Robert Noyce fundaron Intel en 1968, cuando dejaron Fairchild Semiconductor. Credit: Intel Free Press
Gordon Moore (izquierda) y Robert Noyce fundaron Intel en 1968, cuando dejaron Fairchild Semiconductor. Crédito: Intel Free Press

El primer MOSFET medía 20 micras en el parámetro tomado como referencia, la longitud de la Puerta (el canal por el que se mueven los electrones de la Fuente al Drenador). Pero pronto este tamaño comenzó a reducirse. En 1987 bajó a 0,8 micras, 800 nanómetros (nm), y continuó descendiendo en las décadas posteriores hasta alcanzarse en 2012 el nodo —o generación en el desarrollo de estas tecnologías— de 22 nm. A menor tamaño, mayor número de transistores por superficie de microchip.

El límite de la miniaturización

Cada nodo sucesivo se ha ido alcanzando de acuerdo a la ley de Moore, que guio la construcción del International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), el mapa de carreteras patrocinado por la industria con el que las compañías mejoraban sus productos manteniendo la rentabilidad económica. Según precisa a OpenMind Tom Conte, científico computacional de Georgia Tech y expresidente de la Computer Society del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), “la ley de Moore no trata sobre la duplicación de los transistores por área de trabajo; si vas al artículo original de Moore, trata sobre la economía de la industria de los semiconductores. Por ponerlo simple, si hoy pagas un dólar por 1.000 transistores, en x años pagarás medio dólar por 1.000 transistores”.

Pero ya en este siglo, la Ley de Moore comenzó a tambalearse, como admitió en 2015 el propio ingeniero. Por un lado, la miniaturización del MOSFET tenía un límite físico. Por otro, los beneficios de la reducción también quedaban restringidos. “Tristemente, la época en la que nuestros chips duplicaban su capacidad cada par de años ha venido y se ha ido”, comenta a OpenMind Neil Thompson, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y experto en economía digital. “Desde mediados de los 2000, uno de los principales beneficios de reducir los transistores, su mayor rapidez, desapareció, y con ello muchos de los beneficios a los que estábamos acostumbrados. El segundo mayor beneficio, tener más transistores, también está ahora en peligro y probablemente decaerá lentamente a medida que los desafíos técnicos y la economía de la producción de chips empeoren”.

BBVA-OpenMind-El futuro de la electrónica-ley de Moore 3-Los transistores sustituyeron a los voluminosos tubos de vacío. Fuente: PH
Los transistores sustituyeron a los voluminosos tubos de vacío. Fuente: PH

Y pese a ello, los medios especializados no dejan de informarnos de nuevos nodos alcanzados: 14 nm en 2014, 10 nm en 2016 y 7 nm en 2018. Este era el que se anunciaba como el límite físico inquebrantable, pero en 2019 se fabricaron los primeros transistores de 5 nm, se han anunciado los de 3 nm, e Intel, el gigante del sector cofundado por Moore, ha lanzado una apuesta para 1,4 nm en diez años

Sin embargo, es necesario aclarar que en los nodos por debajo de 22 nm “el número del nodo ya no se corresponde con ninguna dimensión física concreta”, cuenta a OpenMind Ignacio Mártil de la Plaza, catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y autor del libro Microelectrónica: La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX (Ediciones Complutense, 2018). El motivo es que la configuración de los transistores ha cambiado, por lo que los nodos anunciados ahora son “básicamente propaganda: en el mercado de feroz competencia de los fabricantes de chips, nadie puede aspirar a vender un producto si no se vende con alguna ventaja que se pueda publicitar fácilmente”, dice Mártil de la Plaza. Según apunta a OpenMind Erik DeBenedictis, de Sandia National Laboratories y copresidente de la iniciativa Rebooting Computing del IEEE, en lugar de un escalado geométrico basado en reducir el mismo tipo de transistor, hoy “se busca crear un equivalente a la longitud para otros cambios no geométricos en los semiconductores”.

Un camino hacia arriba y hacia el 3D

Así, el mapa marcado por la ley de Moore ha quedado abandonado: en 2016 dejó de actualizarse el ITRS. Hoy las compañías buscan nuevos vericuetos por los que avanzar para seguir descollando frente a sus competidores. Los desarrollos actuales plantean nuevas opciones: la primera, transistores verticales. “Esto es lo que nos dio las ciudades de rascacielos como Nueva York”, señala Conte, también copresidente de Rebooting Computing. “Manhattan está rodeada de agua. Si quieres estar allí, ¡el único camino es hacia arriba!”. 

“Desde 2012 los grandes fabricantes de la industria (Samsung, Intel, TSMC y Globalfoundries) ya no fabrican chips de tecnología MOSFET, sino FinFET, un dispositivo vertical, no horizontal”, precisa Mártil de la Plaza. En los FinFET (de fin, “aleta” en inglés) no solo se pierde el significado de la longitud de la Puerta, sino que además la Ley de Moore se diluye: “Está enunciada en un mundo 2D”, dice el catedrático. El paso a 3D es uno de los caminos marcados por el International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) de Rebooting Computing, que ha tomado el relevo al ITRS. 

BBVA-OpenMind-El futuro de la electrónica-ley de Moore 4-Un chip de tecnología FinFET. Crédito: Ignacio Mártil
Un chip de tecnología FinFET. Crédito: Ignacio Mártil

Pero los expertos advierten: la integración 3D es solo una de las carreteras de ese mapa que ya estamos recorriendo. Otras vías exploran nuevos materiales, arquitecturas o la especialización, “construir chips que hacen menos funciones pero las hacen mejor”, resume Thompson, poniendo como ejemplos las Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU) o los chips para Inteligencia Artificial. “El cambio ya no es una mejora directa en un aspecto, sino mejoras en un conjunto más diverso de parámetros”, resume DeBenedictis. Abandonada la Ley de Moore, el mapa actual ya no es unidimensional, y para Conte, “el ganador será la diversidad en la implementación”.

Pero a todo lo anterior se suma una incógnita, y es si el progreso de la microelectrónica será compatible con un mundo cada vez más concienciado con la problemática medioambiental. “La industria microelectrónica es cualquier cosa menos sostenible, si se analiza el ciclo completo de producción, desde la extracción de la materia prima hasta la obtención del CI”, apunta Mártil de la Plaza. Según el experto, los procesos de fabricación son escrupulosamente respetuosos con el medio ambiente, pero los materiales son otro cantar: “Vanadio, niobio, titanio, tungsteno, germanio y un largo etcétera. Si miramos dónde están las fuentes de estos materiales y qué tecnologías se emplean para extraerlos, procesarlos y lo que es crucial, purificarlos, es muy decepcionante”. 

Javier Yanes

@yanes68

 

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