En 1965, Gordon Moore enunció una ley que, durante 50 años, ha sido uno de los pilares fundamentales de la electrónica: la ley de Moore. ¿En qué consiste esta ley? ¿Sigue siendo válida? ¿Cuál es el futuro del desarrollo de circuitos integrados?
En eventos como el CES, celebrado hace unos días en Las Vegas, o el Computex, que se celebra en el mes de junio en Taiwan, los fabricantes de dispositivos electrónicos nos suelen sorprender con sus nuevos productos, sus grandes anuncios y, por supuesto, sus grandes proyectos de I+D. A nadie le sorprende ver dispositivos cada vez más potentes que, además, son extremadamente pequeños y nos ofrecen gran autonomía; unas características que siempre suelen derivar en una de las grandes discusiones vinculadas al mundo de la electrónica: los límites de la ley de Moore.
Fabricantes como Samsung han desarrollado nuevos chips que han cambiado por completo los procesos de fabricación de los circuitos integrados, procesadores como los nuevos Intel Haswell, contienen 1.400 millones de transistores en un pequeño dado de apenas 177 milímetros cuadrados y donde cada transistor apenas mide 22 nanometros; grandes saltos tecnológicos que apuntan a que, quizás, pronto diremos adiós a uno de los más importantes postulados del mundo de la electrónica.
La ley de Moore es un postulado que se enunció en el año 1965 y que, desde entonces, se ha venido cumpliendo; una ley que se suele citar mucho cuando se lanzan nuevos microprocesadores al mercado y que vale la pena conocer en profundidad:
La complejidad de los componentes se ha multiplicado aproximadamente por 2 cada año. A corto plazo, se puede esperar que esta tasa se mantenga o incluso que aumente. A largo plazo, la tasa de crecimiento es menos predecible, aunque no hay razón para creer que no permanecerá constante por lo menos durante otros 10 años. Es decir, en 1975 el número de componentes en cada circuito integrado de bajo coste será de 65.000. Creo que un circuito tan grande puede construirse en una única oblea de silicio.
Gordon Moore, el gran visionario
El responsable del enunciado de esta ley fue Gordon Moore en un artículo para la revista Electronics que se publicó el 19 de abril de 1965. Moore, uno de los «8 traidores» que fundaron Fairchild Semiconductor, enunció este postulado basándose en sus propias observaciones y en la evolución que veía dentro de la cadena de producción de Fairchild. Su extrapolación era muy interesante: cada año se duplicaba el número de transistores que formaban parte de un circuito integrado, por tanto, aumentaba la capacidad de los mismos.
Quizá nos pueda parecer una observación sin mucha importancia, pero cabe destacar que Gordon Moore (que luego se uniría a Robert Noyce para fundar Intel en 1968) la hizo seis años antes del desarrollo del primer microprocesador. De hecho, su intención por aquel entonces era demostrar que el transistor sería un componente fundamental para los dispositivos electrónicos y validar así el modelo de negocio de Fairchild.
Aunque formulada de manera empírica, la ley de Moore se convirtió en un modelo perfectamente validado por la industria. El número de transistores por unidad de superficie se duplicaba e iba llegando una nueva tecnología (con mayor escala de integración) que dejaba obsoleta la anterior. El ritmo, al inicio, fue vertiginoso pero, en 1975, Gordon Moore tuvo que reajustar su propia ley para cambiar el factor del tiempo y ajustarlo a 2 años porque la industria no avanzaba tan rápidamente.
Desde el ajuste de 1975, la ley de Moore ha seguido siendo el patrón de referencia dentro del desarrollo de circuitos integrados pero, evidentemente, el aumento de la escala de integración (reducción del tamaño de transistores) implica muchísimos retos para los fabricantes. Los procesadores Intel Haswell están compuestos por 1.400 millones de transistores de apenas 22 nanometros de tamaño cada uno; la tecnología de 22 nanometros es, prácticamente, la «gran barrera del silicio» y nos acercamos a un terreno en el que este material podría presentar inestabilidades si seguimos aumentando la escala de integración.
Los límites del silicio se acercan
Acercarnos a los límites del silicio puede ser un gran problema. Si bien las proyecciones realizadas por Gordon Moore se vienen cumpliendo, prácticamente, desde su enunciado en 1965, los límites del silicio han comenzado a ralentizar la evolución de la tecnología. Según las estimaciones del ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), el aumento de la escala de integración y, por tanto, la evolución de los chips se está produciendo, desde 2010, cada 3 años y si bien la capacidad de los chips ha seguido aumentando, en gran medida, ha sido así gracias al uso de tecnologías con múltiples cores (núcleos).
Aunque hayamos salvado, hasta ahora, los límites físicos del silicio, es un escenario que se acerca irremediablemente. Durante la última LinuxCon, Linus Torvalds habló, precisamente, de la ley de Moore y su posible fin; un gran reto para que el tal vez la industria no esté preparada pero que, de manera inevitable, llegará quizás en los próximos 10 ó 15 años.
En el año 2005, el propio Gordon Moore afirmó en una entrevista que su enunciado tendría validez durante unos 10 ó 15 años más; por tanto, podríamos tocar techo entre 2015 y 2020, al menos, en cuanto al silicio se refiere. Llegaremos a un punto en el que si bajamos más el tamaño de los transistores, estos dejarán de funcionar y dejarán de comportarse como se espera.
Nuevos materiales y procesos de fabricación
El cambio de ciclo se acerca y la industria lleva tiempo preparándose para ello. El fin de la ley de Moore no implica el colapso de nuestra tecnología pero sí traerá consigo cambios en los materiales utilizados para el desarrollo de componentes electrónicos y, evidentemente, a los procesos de fabricación de chips.
Proyectos de investigación como los de Samsung y la Universidad de California-Los Ángeles (UCLA) hace tiempo que trabajan en memorias flash extremadamente pequeñas que se puedan desarrollar a partir de transistores de 10 nanometros. Para llegar al límite de los 10 nanometros y, por tanto, superar la gran barrera actual de los 22, el proyecto ha puesto el foco en un nuevo material: el grafeno.
Quizás aún sea pronto para afirmar que el grafeno sustituirá al silicio, pero es cierto que se ha postulado como un perfecto complemento que permite estabilizar el silicio cuando se superan sus barreras físicas. Además, también se están realizando múltiples investigaciones que giran alrededor del grafeno y el desarrollo de una nueva generación de chips de este material que permitan trabajar a muy alta frecuencia.
Además de la inclusión de nuevos materiales, los procesos de fabricación también cambiarán. Evidentemente, el reto es grande pero son muchas las empresas que ya han puesto en marcha estos cambios y, por ejemplo, Samsung o Matrix Semiconductor llevan tiempo trabajando en sus «chips tridimensionales» que permiten aumentar la escala de integración sin cambiar sustancialmente los procesos actuales de fotolitografía.
La consultora McKinsey publicó recientemente un informe, precisamente, analizando el impacto del fin de la ley de Moore en la industria de los circuitos integrados. Desde su perspectiva, McKinsey predice una transición que pasará primero por los cambios en los procesos de fabricación con el objetivo de alargar la vida del silicio. Un cambio que no se estima como rentable para los fabricantes y que podría derivar en el fin de la ley de Moore para el año 2018 y, quizás, el arranque de una nueva era en la electrónica.
Es impresionante cómo un enunciado, formulado hace casi 50 años, ha sido capaz de marcar la tecnología que hoy en día conocemos; una ley basada en la observación que, quizás, esté viviendo sus últimos años.
