La Ley de Moore está muerta. ¿Se estancará la industria de los semiconductores?
Tras afinar y simplificar los datos, este fenómeno se conoce como Ley de Moore: el número de transistores por chip se duplica cada 12 meses.
La Ley de Moore no se basa en ningún principio científico o de ingeniería. Simplemente refleja las tendencias de la industria. Sin embargo, en desarrollos posteriores, la industria de los semiconductores no consideró la Ley de Moore como una observación descriptiva y predictiva, sino como un código prescriptivo y determinista. Toda la industria debe alcanzar los objetivos previstos por la Ley de Moore.
Sin embargo, lograr este objetivo no puede dejarse al azar. El desarrollo de chips es un proceso complejo que requiere el uso de maquinaria, software y materias primas de múltiples empresas. Para garantizar que todos los proveedores sigan el mismo cronograma basado en la Ley de Moore, toda la industria sigue la misma hoja de ruta de desarrollo tecnológico. La Semiconductor Association, un grupo industrial compuesto por proveedores como Intel, AMD, TSMC, GlobalFoundries e IBM, ha estado publicando este tipo de hojas de ruta desde
1992. En 1998, la Asociación de la Industria de Semiconductores se asoció con organizaciones similares en otras partes del mundo para formar la Hoja de Ruta Internacional de Tecnología de Semiconductores. La hoja de ruta más reciente se publicó en
2013.
Las predicciones de la Ley de Moore han sido problemáticas durante mucho tiempo; en 1975, el propio Moore actualizó la Ley de Moore, extendiendo el ciclo de desarrollo de la industria de los semiconductores de 12 a 24 meses. Durante los siguientes 30 años, el desarrollo de chips continuó siguiendo la Ley de Moore, reduciendo el tamaño de los componentes de un chip.
El fin de la ley de Moore
Sin embargo, en la década de 1990, estaba claro que la reducción del tamaño por sí sola había llegado a su fin. Aún así, a través de otras tecnologías, los chips continúan evolucionando de acuerdo con las predicciones de la Ley de Moore. En la era de los 90 nm se introdujo la tecnología del silicio deformado. En la era de los 45 nm, estuvo disponible un nuevo material que aumentó la capacitancia del transistor. En la era de los 22 nm, los transistores de tres puertas hicieron que los chips fueran más potentes.
Sin embargo, estas nuevas tecnologías también han llegado a su fin. La tecnología de litografía utilizada en la fabricación de chips está bajo presión. Actualmente, los chips de 14 nm se fabrican utilizando luz a una longitud de onda de 193 nm. Cuanto mayor sea la longitud de onda de la luz, más complejo y costoso será el proceso de fabricación. La luz UVC lejana con una longitud de onda de 13,5 nanómetros se considera la esperanza del futuro, pero la tecnología de luz UVC lejana adecuada para la fabricación de chips aún debe superar los desafíos de ingeniería.
Incluso si se aplica la tecnología de luz ultravioleta, todavía se desconoce hasta qué punto se puede mejorar el nivel de integración del chip. Si se redujera a 2 nanómetros, un solo transistor tendría un tamaño de sólo 10 átomos, y la confiabilidad de un transistor tan pequeño probablemente sería problemática. Incluso si estos problemas se resuelven, el consumo de energía seguirá siendo un problema. A medida que los transistores se conectan más estrechamente, los chips consumirán cada vez más energía.
Nuevas tecnologías como el silicio deformado y los transistores de triple puerta requirieron más de una década de investigación para comercializarse. La exploración de la tecnología UVC lejana lleva aún más tiempo. Además, hay factores de costo a considerar. La contraparte de la Ley de Moore es la Ley de Locke. Según esta última ley, el coste de una planta de fabricación de chips se duplica cada cuatro años. El desarrollo de nuevas tecnologías puede conducir a mayores niveles de integración de chips, pero los costos de construcción de las fábricas para fabricar estos chips también serán elevados.
Recientemente, hemos visto que estos factores crean problemas reales para las empresas de chips. Intel planeó originalmente cambiar sus procesadores Cannonlake a un proceso de 10 nanómetros en 2016, que es más pequeño que el proceso de 14 nanómetros utilizado actualmente en los chips Skylake. El pasado mes de julio, Intel ajustó sus planes. Según el nuevo plan, Intel lanzará una nueva generación de procesador Kaby Lake, utilizando el proceso anterior de 14 nanómetros.
Los procesos Cannonlake y 10 nm todavía están planeados, pero se retrasaron hasta la segunda mitad de 2017.
Al mismo tiempo, los nuevos transistores se volvieron cada vez más difíciles de utilizar. En las décadas de 1980 y 1990, el valor de los transistores adicionales era claro. Los procesadores Pentium son mucho más rápidos que los procesadores 486 y el Pentium de segunda generación es mucho mejor que el Pentium de primera generación. Una vez que se actualice el procesador, el rendimiento de la computadora mejorará significativamente. Sin embargo, a medida que entramos en la década de 1990, esta mejora del desempeño se volvió cada vez más difícil. Debido a factores de disipación de calor, la frecuencia del reloj no se puede aumentar y el rendimiento de un único núcleo de procesador solo se puede mejorar gradualmente. Como resultado, vemos procesadores integrando más núcleos. En teoría, esto mejoraría el rendimiento general del procesador, pero sería difícil que el software aprovechara este aumento de rendimiento.
Una nueva hoja de ruta para la industria de los semiconductores
Esta serie de dificultades indican que la hoja de ruta para la industria de los semiconductores impulsada por la Ley de Moore está llegando a su fin. Pero el declive de la Ley de Moore no significa el fin del progreso en la industria de los semiconductores.
Daniel Reed, científico informático de la Universidad Estatal de Iowa, hizo una analogía: "Si piensas en lo que está sucediendo en la industria aeronáutica, el Boeing 787 no es más rápido que el 707 de la década de 1950. ¿Cuánto más rápido? , pero siguen siendo dos aviones muy diferentes ", por ejemplo, controles totalmente electrónicos y una estructura de fibra de carbono. "La innovación definitivamente continuará, pero será más compleja y matizada".
En 2014, la Organización Internacional de Hoja de Ruta de Tecnología de Semiconductores decidió que la próxima hoja de ruta ya no seguiría la Ley de Moore. La próxima hoja de ruta, que se publicará el próximo mes, adoptará un enfoque completamente diferente, según un artículo de Nature.
La nueva hoja de ruta ya no se centrará en la tecnología dentro del chip, y el nuevo enfoque se llama "Más allá de Moore". Por ejemplo, el desarrollo de los teléfonos inteligentes y del Internet de las cosas significa que la importancia de diversos sensores y procesadores de bajo consumo aumentará significativamente. Los chips altamente integrados utilizados en estos dispositivos requieren no sólo procesamiento lógico y módulos de caché, sino también módulos de memoria y administración de energía, dispositivos analógicos para GPS, redes móviles y WiFi, e incluso dispositivos MEMS como giroscopios y acelerómetros.
En el pasado, estos diferentes tipos de equipos requerían diferentes procesos de fabricación para satisfacer diferentes necesidades. Y la nueva hoja de ruta propondrá cómo se integrarán estos dispositivos. La integración de diferentes procesos de fabricación y el manejo de diferentes materias primas requerirán nuevas tecnologías de procesamiento y soporte. Si los fabricantes de chips esperan desarrollar chips para estos nuevos mercados, resolver estos problemas es más importante que aumentar la integración de chips.
Además, la nueva hoja de ruta se centrará en las nuevas tecnologías, no solo en los procesos CMOS de silicio actuales. Intel ha anunciado que dejará de utilizar silicio una vez que alcance los 7 nm. Los compuestos de antimonuro de indio y arseniuro de galio e indio tienen buenas perspectivas. Estos materiales cambian más rápido y consumen menos energía que el silicio. La industria continúa investigando materiales de carbono, ya sean nanotubos de carbono o grafeno.
Entre muchos materiales alternativos, el material bidimensional "grafeno" es muy popular. Este material espintrónico realiza cálculos invirtiendo los espines de los electrones en lugar de moverlos. Los interruptores electrónicos del orden de milivoltios (transistores que funcionan a voltajes mucho más bajos que los del orden de voltios) son más rápidos y generan menos calor que los interruptores de silicio Desafortunadamente, este material electrónico aún no ha salido del laboratorio. / p>
Imagen de microscopía de sonda de barrido de grafeno
Aunque se ha reducido la prioridad, la práctica de reducir el tamaño para mejorar la integración no se ha abandonado por completo en la base de los transistores de tres puertas. Por otro lado, los transistores y nanocables "all-gate" se convertirán en una realidad alrededor de 2020. A mediados de la década de 2020, es posible que veamos la aparición de chips 3D integrados, que crean dispositivos multicapa en una sola pieza de silicio. >
El ingeniero eléctrico de la Universidad de Stanford, Subhasish Mitra, y sus colegas han desarrollado una forma de conectar capas de células de memoria tridimensionales utilizando nanotubos de carbono, que pueden transportar corriente eléctrica entre las capas.
El equipo de investigación cree. que esta arquitectura puede reducir el consumo de energía a menos de una milésima parte del de un chip estándar
La microestructura del chip de memoria tridimensional de IBM
Otra forma de mejorar el rendimiento informático es. utilizar tecnologías como la "computación cuántica", que promete acelerar los cálculos de problemas específicos, y la "neurocomputación", que pretende simular el cerebro.
La "Neurocomputación" es una tecnología que tiene como objetivo simular las unidades de procesamiento neuronal del cerebro.
Sin embargo, estas tecnologías alternativas pueden tardar mucho en salir del laboratorio.
Muchos investigadores creen que las computadoras cuánticas brindarán ventajas para aplicaciones específicas, en lugar de reemplazar los cálculos numéricos en las tareas cotidianas. A fines del año pasado, el Laboratorio de Inteligencia Artificial Cuántica de Google demostró que su computadora cuántica D-Wave puede manejar ciertos problemas más rápido que las computadoras comunes. 100 millones de veces más rápido.
Computadora cuántica D-Wave
Con nuevos materiales, diferentes efectos cuánticos e incluso nuevas tecnologías increíbles como la superconductividad, la industria de los semiconductores puede ser capaz de avanzar. En el pasado, la integración de chips continúa aumentando. Si el nivel de integración se puede mejorar en gran medida, la demanda del mercado de procesadores más rápidos puede explotar nuevamente.
Pero parece que romper la Ley de Moore se convertirá en la nueva norma. El papel de las leyes en la industria de los semiconductores se está debilitando.