Ley de Moore: ¿Qué es y cómo influye en el desarrollo de CPUs?

Los transistores en la tecnología actual

Hoy en día vivimos rodeados de chips y circuitos integrados, que cada vez son más potentes y avanzados, con nuevas generaciones de productos, saliendo prácticamente cada año introduciendo nuevas tecnologías y dando un salto respecto sus respectivas generaciones anteriores. Todo esto es posible gracias principalmente a una minúscula pieza que está dentro de todos los chips en cantidades que se cuentan en millones o incluso billones: el transistor.

El transistor es la pieza fundamental de todo dispositivo inteligente que permite controlar el flujo de energía en un circuito. Uno solo no hará gran cosa, pero cuando se combinan en altas cantidades se consiguen circuitos capaces de reaccionar a diferentes estímulos de forma inteligente, permitiendo crear chips que realicen diferentes tareas. Por eso, cuantos más transistores podamos meter dentro de un chip, más complejo podremos hacerlo y, por tanto, más potente y capaz será el chip.

Lamentablemente, no se pueden meter todos los transistores que queramos en un chip, debido a que para hacerlos funcionar hay que alimentarlos y refrigerarlos correctamente, aparte de que ocuparán más espacio y será necesario un chip más grande, lo cual genera diferentes problemas que los hacen poco viables. Por eso, desde la invención de los chips se ha tendido por optar a hacer los transistores lo más pequeño posible, haciendo que se especulara sobre el tamaño que llegarían a tener desde que se empezaron a producir, como hizo Gordon Moore en 1965 con sus predicciones que luego se convertirían en la ley que lleva su nombre.

Orígenes y explicación de la Ley de Moore.

Para hablar de los orígenes de la ley de Moore, primero habría que conocer en qué situación se formuló y que razones tenía su formulador para afirmar tales cosas, lo cual nos dará una idea y una mejor visión de porque el enunciado se ha mantenido verdadero hasta nuestros tiempos a pesar de haber nacido en 1965, hace más de 5 décadas.

Lo primero es entender la situación histórica de esos años, y es que en 1960 nació el transistor mosfet, una gran revolución que aún a día de hoy sigue presente en nuestros chips. Y es que la invención de los mosfets supuso que por primera vez existía un transistor que era compacto, miniaturizarle y se podía producir en gran escala y aplicarse a prácticamente cualquier campo. Esto supuso que por primera vez se pudieran fabricar chips de pequeño tamaño con varios cientos o incluso miles de transistores de este tipo en su interior, dando comienzo a una época de gran crecimiento en el sector.

En ese contexto, en 1965 se invitó a Gordon Moore, que era director de investigación y desarrollo en Fairchild Semiconductor, una empresa americana ya extinta de semiconductores, a participar en el 35 aniversario de una revista en el que se le pidió una predicción del futuro de estos dispositivos, a lo que respondió que en 1975 sería posible tener chips del tamaño de un cuarto de pulgada (1.6 centímetros cuadrados) con hasta 65.000 transistores en su interior. Y que aproximadamente a lo largo de esos 10 años la capacidad de los chips se duplicaría cada año en el mismo espacio.

Pero esta no sería la versión final de la predicción de Moore, y es que mientras que esos 10 primeros años el avance fue rápido, se vio que este, aunque seguiría, posiblemente bajaría en ritmo. Por ello, en 1975, Moore actualizo su predicción en la IEEE Internacional Electron Devices Meeting a que a partir de 1980 pasarían de duplicar su número de transistores cada año a duplicarse cada 2 años, que es como se conoce a la ley de Moore actualmente. De hecho, el término “Ley de Moore” lo acuño Carver Mead, profesor de la prestigiosa escuela de ingeniería y ciencias Caltech.

Entonces, lo que establece la Ley de Moore es que a partir de 1980 cada dos años se duplicará el número de transistores máximos que cabrán dentro de un chip en el mismo espacio, o, dicho de otra manera, que cada dos años la densidad de los transistores en un chip se doblará. Pero esta ley implica de forma directa que cada vez los transistores se harán más pequeños, ya que si queremos meter en el mismo espacio el doble de número de objetos, tendremos que reducir el tamaño de esos objetos, que en el caso de los transistores son nanómetros (nm), o micrómetros en su inicio cuando los transistores eran de mayor tamaño.

Aparte de la Ley de Moore más conocida, también existe la “segunda Ley de Moore” o la “Ley de Rock” que establece también una progresión exponencial a lo largo del tiempo, pero en este caso, en vez de tratarse de densidad, habla del coste de las instalaciones de fabricación de chips, estableciendo que cada cuatro años el precio de una planta de fabricación se duplica, aunque en este caso la predicción parece no haberse cumplido, dado que el precio de estas instalaciones se nivelaron en la década de los 90.

Densidad y minuaturiación de transistores en los procesadores

Los transistores son el componente base de un chip de cualquier tipo, ya sean de grandes dimensiones y rendimiento, como una CPU o el procesador de una tarjeta gráfica, o un chip encargado de hacer tareas básicas como gestionar un puerto de comunicación. Todos ellos contienen gran cantidad de transistores colocados y configurados de maneras específicas para realizar diferentes tareas, por ello la densidad de transistores (transistores por unidad de superficie) que tenga cada chip determinará las capacidades y el rendimiento que tendrá cada chip.

La densidad de cada chip viene determinada por dos factores: el tamaño de los transistores, con lo que hay que tener cuidado, ya que se puede medir de diferente manera según quien fabrique el chip, y dentro de cada chip puede haber diferentes tamaños de transistores y el diseño interno de cada procesador, que viene a ser como están colocados esos transistores dentro de cada chip.

Cuando Gordon Moore formuló su primera predicción, los transistores eran muchísimo más grandes que ahora, con tamaños superiores a los 10 micro metros, o 0.01 milímetros. Lo cual puede ya parecer bastante pequeño, pero todavía esa cifra era muy mejorable, y en los años venideros consiguieron reducir su tamaño más hasta 1 micro metro en la década de los 80 y llegando a 180 nano metros en la década de los 90.

Luego, desde la entrada de este siglo, su tamaño siguió bajando gracias a la inclusión de nuevas tecnologías para la fabricación de chips y nuevos diseños de mosfets como el Fin-Fet, reduciendo su tamaño hasta los 32 nm en 2009 y los 5 nm en 2020 que se pueden ver en muchos chips que están actualmente en el mercado, aunque ya se haya conseguido fabricar chips aún más pequeños como este de 2 nm de IBM.

La tecnología que ha hecho posible manejar estos tamaños tan minúsculos de transistores ha sido la de fabricación por rayos ultravioleta, la cual exploraremos a continuación y que cuenta con una precisión mucho mayor frente a otras técnicas anteriores como la producción por láser.

Estado actual de la Ley de Moore

Actualmente, los procesadores y chips más avanzados de todos los dispositivos se construyen usando técnicas EUV (Extreme Ultra Violet) que consiste en el uso de rayos ultravioleta para “imprimir” en el silicio los circuitos y transistores de cada chip en tamaños de hasta 5 nm. Este proceso de fabricación es el más avanzado actualmente y el que seguramente se siga utilizando durante los siguientes años, dado que todavía es relativamente reciente y se puede seguir perfeccionando para conseguir mejores resultados y seguir cumpliendo la ley de Moore, aunque ya se apunte a que se vaya a frenar su desarrollo en los próximos años como veremos más en detalle a continuación.

El proceso consiste en el bombardeo con rayos ultravioleta de obleas de silicio, sobre las cuales quedan impresos los circuitos deseados, las cuales luego se tratan y se dividen en los diferentes chips, ya que cada oblea puede llegar cientos de diferentes chips de gamas diferentes.

Alrededor del mundo podemos encontrar diferentes tipos de fábricas localizadas principalmente en Asia, en países como Taiwán, China, Singapur o Japón, y EEUU, dejando a Europa con un rol secundario en cuanto a producción de chips de última generación se refiere, aunque haya planes para cambiar la situación como este de parte de Intel.

Cada una de ellas especializada en un tipo diferente de dispositivos y con tecnología diferente según lo que produzcan, como explicábamos en esta guía, ya que no todo el dispositivo es compensa hacer la inversión y producirlos con transistores del mínimo tamaño, razón por la que aún se fabrican chips con litografías de 32 nm o 22 nm. Entre los dispositivos que estas fábricas producen se incluyen memorias flash para RAM o SSDs, procesadores de gran tamaño como CPUs o GPUs, chips secundarios como procesadores de audio, red o chipsets, SoCs para móviles o coches...

¿Seguirá cumpliéndose en el futuro?

La ley de Moore es obvio que no se cumplirá hasta el final de los tiempos, y no porque no podamos reducir el tamaño de los transistores a ese ritmo, sino porque la física tiene límites y no podremos hacer un objeto infinitamente pequeño por mucho que avancemos tecnológicamente, ya que nunca podremos sobrepasar el tamaño de los neutrones o los protones, que son al final los componentes de los átomos que a su vez toda la materia conocida y que tienen un radio atómico de 0.5 a 5 Ä (Ángstroms) que serían a su vez equivalentes a 10^-10 metros, o si lo compramos con los nanómetros, estos serían 0,1 ángstroms, por lo que actualmente estamos relativamente cerca de ellos y podría decirse que en el futuro no se podrá reducir ya mucho más el tamaño de los transistores.

Pero si miramos en el corto plazo, todavía queda bastante recorrido hasta llegar a los límites de la física, ya que en el mercado a día de hoy lo más pequeño que tenemos son 5 nm y todavía en reducidas líneas de productos, siendo más frecuentes los 10 nm o 7 nm si miramos piezas como CPUs o tarjetas gráficas como este Ryzen 7 de AMD o la última línea de CPUs de Intel. Así que todavía la ley de Moore podrá seguir cumpliéndose en los siguientes años, pero eso sí, se habla de durante los próximos años a medida que nos acerquemos a ese límite se vaya reduciendo el ritmo, al complicarse la tarea de reducir su tamaño, y al hacerse cada vez más caro producirlos, tal y como establecía la segunda ley de Moore y más especialmente dada la gran demanda de chips que ya genero escasez de productos recientemente, y lo que se tarda en abrir y gestionar un proyecto de tal tamaño.

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