¿Qué tan pequeñas pueden llegar a ser las CPU?

Durante el siglo XX, los inventores crearon dispositivos de los que el público dependía habitualmente. Podría decirse que uno de los inventos más importantes fue el transistor. Desarrollado en 1947 por ingenieros que trabajaban para los Laboratorios Bell, el propósito original del transistor era amplificar el sonido a través de líneas telefónicas. El transistor reemplazó una tecnología más antigua: los tubos de vacío. Los tubos no eran fiables, eran voluminosos y también generaban mucho calor.

El primer transistor fue un transistor de contacto puntual que medía media pulgada (1,27 centímetros) de altura. El transistor no era muy potente, pero los físicos reconocieron el potencial del dispositivo. En poco tiempo, físicos e ingenieros comenzaron a incorporar transistores en diversos dispositivos electrónicos. Y con el paso del tiempo, también aprendieron a hacer transistores más pequeños y más eficientes.

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En 1958, los ingenieros conectaron dos transistores a un cristal de silicio y crearon el primer circuito integrado del mundo. A su vez, el circuito integrado abrió el camino para el desarrollo del microprocesador. Si comparamos una computadora con un ser humano, el microprocesador sería el cerebro. Realiza cálculos y procesa datos.

En la década de 1960, el científico informático (y cofundador de Intel) Gordon Moore hizo una observación interesante: notó que cada 12 meses, los ingenieros podían duplicar el número de transistores en una pieza de silicio de una pulgada cuadrada. Como un reloj, los ingenieros estaban encontrando formas de reducir el tamaño de los transistores. Es gracias a estos pequeños transistores que tenemos dispositivos electrónicos como computadoras personales, teléfonos inteligentes y reproductores de mp3. Sin transistores, todavía estaríamos usando tubos de vacío e interruptores mecánicos para realizar cálculos.

Desde la observación de Moore, la tendencia a la baja ha continuado. Pero no ha seguido el ritmo observado por Moore. Hoy en día, el número de transistores se duplica cada 24 meses. Pero eso plantea una pregunta interesante: ¿Qué tan pequeños pueden llegar a ser los transistores y, por extensión, las CPU? En 1947, un solo transistor medía poco más de una centésima de metro de altura. En la década de 2010, Intel produjo microprocesadores con transistores que medían sólo 45 nanómetros de ancho. ¡Un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro!

Intel y otros fabricantes de microprocesadores ya están trabajando en la próxima generación de chips. Estos utilizarán transistores que miden apenas 32 nanómetros de ancho. Pero algunos físicos e ingenieros creen que podríamos estar topando con algunos límites físicos fundamentales en lo que respecta al tamaño de los transistores.

Anatomía de un transistor

Antes de entrar en las limitaciones físicas de los transistores, es útil saber en qué consiste un transistor y qué hace realmente. Básicamente, un transistor es un interruptor hecho de un tipo especial de materia. Una forma de clasificar la materia es observando qué tan bien puede conducir la electricidad. Eso divide la materia en tres categorías: conductores, aislantes y semiconductores. Un conductor es cualquier tipo de material formado por átomos con espacios libres para los electrones.

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Una corriente eléctrica puede pasar a través de un material conductor; los metales tienden a ser buenos conductores. Un aislante es materia compuesta de átomos que no tienen espacios para electrones disponibles. Como resultado, la electricidad no puede fluir a través de estos materiales. La cerámica o el vidrio son buenos ejemplos de aislantes.

Los semiconductores son un poco diferentes. Están compuestos de materia con átomos que tienen algo de espacio para los electrones, pero no el suficiente para conducir la electricidad como lo hacen los metales. El silicio es uno de esos materiales. En algunas circunstancias, el silicio puede actuar como conductor. En otros, actúa como aislante. Modificando estas circunstancias, es posible controlar el flujo de electrones. Este concepto simple es la base de los dispositivos electrónicos más avanzados del mundo.

Los ingenieros descubrieron que mediante el dopaje (introduciendo ciertos tipos de materiales) en el silicio, podían controlar su conductividad. Comenzarían con una base llamada sustrato y la doparían con material cargado negativamente o positivamente. El material cargado negativamente tiene un exceso de electrones, mientras que el material cargado positivamente tiene un exceso de agujeros, lugares donde podrían caber los electrones. En nuestro ejemplo, consideraremos un transistor de tipo n, que tiene un sustrato cargado positivamente.

Sobre esta base se encuentran tres terminales: una fuente, un desagüe y una compuerta. La compuerta se encuentra entre la fuente y el desagüe. Actúa como una puerta a través de la cual el voltaje puede pasar al silicio, pero no salir. La puerta tiene una fina capa de aislante llamada capa de óxido que impide que los electrones regresen a través del terminal. En nuestro ejemplo, el aislante está entre la puerta y el sustrato cargado positivamente.

La fuente y el drenaje en nuestro ejemplo son terminales cargados negativamente. Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta, atrae los pocos electrones libres en el sustrato cargado positivamente hacia la capa de óxido de la puerta. Esto crea un canal de electrones entre los terminales de fuente y drenaje. Si luego aplicas un voltaje positivo al drenaje, los electrones fluirán desde la fuente a través del canal de electrones hasta el drenaje.

Si se elimina el voltaje de la puerta, los electrones del sustrato ya no son atraídos por la puerta y el canal se rompe. Eso significa que cuando tienes una carga en la puerta, el transistor se enciende. Cuando se acaba el voltaje, el transistor está «apagado».

La electrónica interpreta esta conmutación como información en forma de bits y bytes. Así es como tu computadora y otros dispositivos electrónicos procesan los datos. Pero como la electrónica depende del movimiento de los electrones para procesar la información, está sujeta a algunas leyes físicas especiales.

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Transistores en la nanoescala

Parece que cada año un periodista publica un artículo que dice que los transistores son lo más pequeños que jamás serán y que la Ley de Moore ya no existe. Luego, los ingenieros encuentran formas innovadoras de crear transistores aún más pequeños y demuestran que el periodista está equivocado. Hemos llegado a un punto en el que muchos escritores se muestran tímidos a la hora de predecir el fin de la Ley de Moore.

Pero es cierto que algún día alcanzaremos los límites físicos de lo pequeños que pueden ser los transistores tradicionales. Esto se debe a que una vez que alcanzas la nanoescala, te enfrentas al extraño mundo de la mecánica cuántica. En este mundo, la materia y la energía se comportan de maneras que parecen contradictorias. La física cuántica es muy diferente de la física clásica: ni siquiera se puede observar algo en la escala cuántica sin afectar su comportamiento.

Un efecto cuántico es el túnel de electrones, que se parece un poco a la teletransportación. Cuando el material es muy delgado (el espesor de un solo nanómetro, aproximadamente 10 átomos de espesor), los electrones pueden atravesarlo como si no estuviera allí en absoluto. En realidad, el electrón no hace un agujero a través del material. En cambio, el electrón desaparece de un lado de la barrera y reaparece en el otro.

Dado que las puertas están destinadas a controlar el flujo de electrones, esto es un problema. Si los electrones pueden pasar a través de una puerta bajo cualquier circunstancia, no hay forma de controlar su flujo. Con transistores con fugas, el flujo de electrones no se puede controlar, por lo que el procesador sería ineficaz o no funcionaría en absoluto.

Con empresas como Intel trabajando en transistores que miden sólo 32 nanómetros de ancho, no pasará mucho tiempo antes de que la capa de óxido se vuelva demasiado delgada para actuar como puerta para los electrones usando transistores tradicionales. Si bien los ingenieros se han topado con algunos obstáculos durante la carrera para reducir los transistores en el pasado, siempre han encontrado alguna manera de solucionar el problema y mantenerse al día con la Ley de Moore. Pero esos días podrían terminar una vez que nos enfrentemos a una ley fundamental de la física.

Es posible que los ingenieros descubran una manera de crear un aislante eficaz incluso con un espesor de un nanómetro. Pero incluso si logran hacer eso, no hay mucho más que puedan hacer con los transistores tal como los conocemos hoy. Después de todo, más allá de la nanoescala está la escala atómica, donde se trata de materiales que tienen solo unos pocos átomos de tamaño.

Esto no significa que los transistores desaparecerán. Pero podría significar que los avances en el desarrollo de microprocesadores se ralentizarán y se estabilizarán. Es posible que las mejoras en la potencia de procesamiento no sigan siendo exponenciales. Pero es probable que las empresas encuentren formas de mejorar la eficiencia y el rendimiento de los microprocesadores.

También existe la posibilidad de que los fabricantes de microprocesadores encuentren una alternativa a los transistores. Y algunos ya están buscando formas de aprovechar los efectos cuánticos de la nanoescala, convirtiendo efectivamente nanolimones en nanolimonada.

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Parece que los fabricantes de microprocesadores solo podrán mantener la Ley de Moore unos cuantos años más. Pero si miras retrospectivamente las predicciones de hace décadas, verás que los periodistas hacen la misma afirmación. Quizás los ingenieros vean estas predicciones como un desafío personal para encontrar formas de sortear obstáculos aparentemente insuperables.