¿Qué tan pequeños son los transistores en el chip?

En los chips más avanzados, los transistores son tan pequeños como los virus, es decir, unos 50-100 nanómetros (un nanómetro es una millonésima de milímetro). En este artículo veremos cómo ha evolucionado el tamaño de los transistores desde la invención del circuito integrado (CI) en 1959 hasta la actualidad.

Ley de Moore, una profecía autocumplida

En 1965, el fundador de Intel, Gordon Moore, publicó un famoso artículo que se ha convertido en una profecía a lo largo de los años: la cantidad de transistores integrados en un chip se duplica cada dos años. Este artículo es una verdadera joya en la historia de la electrónica, y probablemente uno de los más influyentes en el desarrollo posterior de esta rama de la ciencia y la tecnología. La siguiente imagen muestra a Moore en su famoso artículo.

Este crecimiento de las matemáticas tiene un nombre: la ley de las exponenciales. Desde entonces, el aumento en el número de transistores en un IC o chip (son dos formas comunes de llamarlos) ha seguido esta tendencia, conocida en el mundo de la electrónica como Ley de Moore.

Esta predicción se ha convertido en una "profecía autocumplida" para la industria de la microelectrónica, y los fabricantes insisten en cumplirla año tras año. Por supuesto, no se trata solo de cumplir predicciones, se trata de buscar (y descubrir) los beneficios de las tendencias que tienen una casi “misión sagrada” para la industria. Cuando lea el artículo de Moore, se sorprenderá de que las predicciones que hizo en él no solo se hayan hecho realidad, sino que lo han hecho año tras año durante medio siglo. En cualquier otro sector industrial, no es fácil encontrar una "persecución" predecible como esta.

Como resultado, los circuitos integrados experimentaron un crecimiento sin precedentes en los años siguientes desde su introducción a fines de la década de 1950, impulsados inicialmente por el programa espacial de EE. UU. y la industria militar. Cada vez se fabrican más transistores. Si el primer circuito integrado integraba decenas de transistores, unos años más tarde hay miles de circuitos integrados en el mercado y, hoy en día, hay miles de millones de circuitos integrados transistorizados.

La cantidad de transistores en un circuito integrado puede aumentar significativamente debido a la tremenda evolución en su proceso de fabricación. La microelectrónica utiliza un proceso que recuerda en parte a la producción en masa de automóviles, de modo que un gran número de circuitos completos idénticos se pueden replicar simultáneamente en una sola oblea de semiconductor de silicio. Básicamente, el proceso consiste en imprimir múltiples patrones geométricos en la superficie de silicio, lo que permite definir cada dispositivo que lo compone, y luego depositar selectivamente varios materiales aislantes y conductores para interconectar adecuadamente los diferentes componentes. Todo esto es posible gracias a la verdadera tecnología cuello de botella en la fabricación de circuitos integrados: la litografía.

¿Qué significa realmente la Ley de Moore?

Para comprender mejor las implicaciones de la Ley de Moore, imagina al lector retrocediendo en el tiempo. Para 1971, prepárese para escuchar una ópera en un auditorio de 2300 asientos con exactamente la misma cantidad de transistores que el 4004, el primer microprocesador que Intel construyó ese año. Si la capacidad del auditorio siguiera la Ley de Moore, pero no cambiara el espacio que ocupaba y restauró en 1982, 134.000 personas se habrían reunido en el mismo lugar: la capacidad de un gran campo de fútbol y la capacidad de un procesador Intel 286. Años más tarde, en el año 2000, el auditorio podía albergar a toda la población de Tokio -37 millones de personas, la misma cantidad de transistores en la última versión del procesador Pentium III de Intel-; si la audición se hubiera realizado en 2011, habría se encontró con 1300 millones de personas (toda la población de China o la cantidad de transistores en una de las versiones del procesador Intel Core i7), una audiencia de 7400 millones de personas, o la población total del planeta, si asistieron en 2019, y construyó en el IBM z13 El número de transistores en el controlador de memoria. Finalmente, si esta audición se llevara a cabo en 2021, la capacidad sería el equivalente a dos globos, ya que tendría que reunir a 15 mil millones de personas, la cuenta de transistores del procesador Bionic A 15 (con el nuevo iPhone 13). Como se muestra abajo. La población de todo el planeta y la cantidad de transistores integrados en el controlador de memoria IBM z13. Finalmente, si esta audición se llevara a cabo en 2021, la capacidad sería el equivalente a dos globos, ya que tendría que reunir a 15 mil millones de personas, la cuenta de transistores del procesador Bionic A 15 (con el nuevo iPhone 13). Como se muestra abajo. La población de todo el planeta y la cantidad de transistores integrados en el controlador de memoria IBM z13. Finalmente, si esta audición se llevara a cabo en 2021, la capacidad sería el equivalente a dos globos, ya que tendría que reunir a 15 mil millones de personas, la cuenta de transistores del procesador Bionic A 15 (con el nuevo iPhone 13).

Estrictamente hablando, el área de chips también ha aumentado ligeramente a lo largo de los años, pero en una proporción mucho menor. Por ejemplo, el Intel 4004 ocupa 12 mm² (3 mm x 4 mm), mientras que el Bionic A 15 tiene un área de superficie de 107,7 mm² (8,58 mm x 12,55 mm), por lo que la relación de transistores se multiplica por 6870.000, y el área es 9 .

Necesidad de hacer transistores cada vez más pequeños

Integrar cada vez más transistores en un chip significa reducir su tamaño, lo que trae ventajas a costa de aumentar la complejidad del proceso de fabricación. Cuanto más pequeño es el transistor, más pequeño es el chip y más chips caben en una oblea. Al mismo tiempo, el costo de procesamiento de las obleas sigue siendo aproximadamente el mismo, independientemente de cuántos chips se puedan obtener de cada oblea. Esto significa que reducir el tamaño de los transistores dará como resultado chips más baratos. Alternativamente, el chip puede permanecer del mismo tamaño para que haya más componentes en su interior. Esto lo hace más poderoso, pero no costoso. Lo que es más importante, reducir el tamaño de un transistor puede mejorar su rendimiento sin aumentar el consumo de energía. Dicho esto, los fabricantes de chips tienen un fuerte incentivo para reducir el tamaño de los transistores. Eso es exactamente lo que han estado haciendo durante las últimas décadas, donde la cantidad de transistores en un chip aumentó de miles a miles de millones. Este es un tamaño muy pequeño para un transistor. El siguiente diagrama muestra uno de esos transistores.

Para entender qué significa este pequeño tamaño, imaginemos que ampliamos el tamaño del chip que integra los transistores hasta que sea similar al área que ocupa la comunidad de Madrid (8.000 kilómetros cuadrados). A esta escala, cada transistor ocupará o área. 5 metros cuadrados, lo que equivale al área de pantalla de un televisor de 40 pulgadas de diámetro.

En conclusión

El profesor de la Universidad de Purdue, Mark Lundstrom, que comenzó a trabajar en la industria de los chips en la década de 1970, escribió un artículo para Science en 2003 prediciendo que la Ley de Moore alcanzaría su límite físico en 2015. Lundstrom dijo que muchas veces en su carrera pensó: "Bueno, se acabó". Recuerda haber asistido a su primera conferencia sobre fabricación de chips en 1975. En sus palabras, "Había un tipo llamado Gordon Moore que dio una charla. Era famoso en el mundo de la tecnología, pero nadie sabía quién era, y recuerdo su charla. "Pronto podríamos estar en un 10,000 transistores colocados en el chip ¿Qué se puede hacer con 10.000 transistores en un chip? "

Hoy en día, hay 15 mil millones de transistores en el mercado. ¿Qué pueden hacer sus diseñadores y fabricantes con ellos?