La carrera por hacer el chip más pequeño del mundo

Aunque no es una ley propiamente dicha, sino más bien una tendencia empírica, la Ley de Moore se ha venido cumpliendo con cierta exactitud. Sin embargo ahora se topa con un límite físico: el tamaño de los transistores está llegando a órdenes atómicos: no se pueden hacer transistores más pequeños que un átomo; además la pequeñez presenta otros problemas relacionados con la naturaleza cuántica de la materia o la disipación de calor. En definitiva: el proceso de miniaturización y aumento de potencia que ha hecho que llevemos máquinas prodigiosas en nuestros bolsillos se topa de frente con un muro.

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“Se habla mucho del fin de la Ley de Moore, pero nosotros estimamos que le quedan al menos diez años de vida”, dice Simón Viñals, director de Tecnología de Intel Iberia, “hay abiertas muchas líneas de investigación en nuevos materiales y tecnologías”. A finales de marzo la empresa celebró en San Francisco un congreso centrado en la célebre ley, en el que presentó sus nuevos transistores de 10 nanómetros (las anteriores tecnologías eran de 45, 32, 22 y 14 nanómetros). Ahora, en un milímetro cuadrado caben cien de estos ingenios. Un átomo de silicio mide en torno a 0,24 nanómetros y la Universidad de Berkeley ha llegado a presentar prototipos de transistor de 1 nanómetro: el límite anda cerca. En el congreso, el vicepresidente de Intel, Stacy J. Smith, explicó que si el progreso de otras disciplinas hubiera avanzado al ritmo de la ley de Moore, ya podríamos viajar trescientas veces más rápido que la velocidad de la luz, alimentar a la población mundial con un solo kilómetro cuadrado de terreno o viajar al Sol usando solo unos litros de gasolina. Son ejemplos imposibles, pero que dan una idea de la rapidez, el bajo consumo y la densidad de transistores de su tecnología.

Para hacernos una idea del avance, el físico Ramón Aguado, investigador del Centro Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) propone una bonita metáfora: “En un microprocesador, en los años setenta, había dos mil transistores: el número de espectadores que cabe en un teatro. Hoy en ese teatro hemos conseguido meter mil millones de personas, es decir, hay mil millones de transistores en un procesador”. ENIAC, construido en 1943 para calcular trayectorias balísticas y considerado el primer ordenador, ocupaba una habitación entera y pesaba 27 toneladas. Podía hacer 5.000 sumas o 3.000 multiplicaciones por segundo. Hoy cualquier smartphone tiene una potencia más de mil veces superior y cabe en la palma de la mano. ¿Cómo se ha obrado este prodigio?

Cómo se hicieron las cosas pequeñas

Conviene entenderlo desde el principio. En un plano abstracto, la información se reduce a los dígitos 0 y 1 (de ahí lo de digital). En la práctica esos 0 y 1 se traducen en corriente eléctrica (el 1) y ausencia de corriente (el 0). Para construir ordenadores hace falta poder manejar miles de pequeños interruptores que dejan pasar o no electricidad. En el ENIAC estos interruptores eran las válvulas de vacío, una especie de bombillas que ocupaban mucho espacio y se fundían con frecuencia. El progreso tuvo un punto de inflexión con la invención, en 1947 y gracias a la física de los semiconductores (particularmente el silicio, de ahí Silicon Valley), de un nuevo tipo de interruptor: el transistor.

Con la llegada del transistor comienza el proceso de miniaturización y la Ley de Moore. A finales de los años 50 aparece el circuito integrado lo que permite fabricar procesadores de manera industrial; hoy se fabrican en obleas mediante el proceso de fotolitografía, es decir, se imprimen con luz, de forma similar a una fotografía analógica. Cada vez se pueden meter más transistores en cada procesador, cada vez son más pequeños. Y a más transistores (a más interruptores de ceros y unos), más operaciones por segundo, más potencia de cálculo, más y más avanzadas aplicaciones tecnológicas.

Los límites físicos

Además del propio tamaño de los transistores, cada vez más cerca del tamaño de los átomos, en el mundo de lo cada vez más pequeño surgen otros inconvenientes. Uno es la aparición de efectos cuánticos: la materia a pequeña escala se rige por otras leyes, ahí abajo es bastante probable que una partícula atraviese una barrera de potencial. Sería lo equivalente a que en nuestro mundo una pelota atravesase un muro. Se llama efecto túnel y es una de las extrañas cualidades de lo cuántico. “Con el efecto túnel la corriente empieza a tener menos precisión y los umbrales de funcionamiento empiezan a ser peores”, explica Aguado.

Otro de los límites físicos es la disipación de calor. “Cuanto más pequeño es el transistor más potentes son los procesadores, pero también generan más calor”, dice Aguado, “uno de los retos tecnológicos es optimizar velocidad respecto a calor”. Porque si hay demasiado calor el aparato, sencillamente, se puede quemar. De ahí que los ordenadores suelan llevar un sistema de ventiladores que producen ese característico sonido y olor.

¿Qué soluciones se proponen? Existen varias: la creación de circuitos integrados con varias capas bidimensionales de transistores, la investigación de nuevos materiales (“por ejemplo, aleaciones de semiconductores como el silicio con germanio, o materiales como el grafeno o el fosforeno”, señala Viñals), transistores de un solo electrón (que consumen menos potencia) o la utilización en paralelo de varios procesadores, como ya se usan. Ya que llegará el momento en el que no se podrá miniaturizar más y hacer así más potente los procesadores, la tecnología ofrece estas vías secundarias para seguir adelante.

La computación cuántica

Pero la vía que parece que supondrá un cambio cualitativo es la computación cuántica. En esta disciplina los estados posibles no son solo el 0 y el 1, sino una superposición de ambos estados, como en el famoso caso del gato de Schrödinger que está muerto y vivo al mismo tiempo. Así, del bit tradicional, pasamos al qubit. La capacidad de computación crecería de tal manera que todavía es difícil imaginar sus consecuencias. Por lo pronto uno de los efectos más señalados es que un ordenador cuántico podría volar por los aires todos los sistemas de encriptado, por ejemplo el de las tarjetas de crédito. “Para encriptar una tarjeta de crédito hay, básicamente, que descomponer en dos factores un número muy grande. Es una operación que a un ordenador normal le podría llevar miles de años, pero que un ordenador cuántico podría realizar en un tiempo razonable”, explica Joaquín Fernández Rossier, investigador en nanoelectrónica en la Universidad de Alicante y en el International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL). “Pero no va a ser más rápido enfrentando problemas normales”, añade, “sino que van a poder resolver de forma eficiente que lo ordenadores normales no pueden resolver”.

Todas las grandes empresas tecnológicas ya se han posicionado respecto a la computación cuántica y trabajan en su desarrollo. La división IBM Q, de IBM, presentó en mayo de 2016 su primer prototipo de procesador, consistente en cinco qubits. Google y la Nasa también están trabajando en ellos (con la participación de investigadores de la Universidad del País Vasco). La compañía canadiense D-Wave Systems ya vende ordenadores cuánticos: su modelo D-Wave 2000 Q, disponible desde junio y valorado en 15 millones de dólares, tiene dos mil qubits. Por su parte, la Comisión Europea anunció el año pasado el lanzamiento de un programa de mil millones de euros dedicado al desarrollo de esta computación, el Quantum Flagship. La llaman la Segunda Revolución Cuántica. “Son proyectos a largo plazo, no tendremos un ordenador cuántico en casa en cinco años”, dice Fernández Rossier, “los ordenadores cuánticos aún son de gran tamaño y muy sofisticados: necesitan superconductores, temperaturas cercanas al cero absoluto, etc.”.

Pero, ¿no es suficiente?

La pregunta que puede asaltar nuestra cabeza ante la necesidad de que continúe el progreso tecnológico es la siguiente: ¿no es, por el momento, suficiente el nivel tecnológico que la humanidad ha alcanzado? ¿Es necesario mantener un crecimiento exponencial tan prodigioso como el que se ha vivido los últimos 50 años?

“La Ley de Moore es una tendencia que sigue la industria microelectrónica para que su negocio sea rentable”, explica Francesc Pérez, investigador del Centro Nacional de Microelectrónica (CNM) del CSIC. Digamos que la industria se sostiene en el continuo avance, en la continua oferta de nuevos productos más potentes y nuevas prestaciones. Se ha llamado la obsolescencia tecnológica a esa necesidad a cambiar un equipo antiguo por uno nuevo aunque el anterior no haya llegado al límite de su vida útil. Hay quien utiliza un ordenador durante más de 10 años y hay quien lo cambia cada dos, aunque aún funcione. “Los nuevos modelos ni siquiera tienen que tener procesadores más potentes, también puede tratarse de una mejor pantalla o una cámara con mayor resolución”, dice Pérez. Son otras vías de avance tecnológico, al menos en su vertiente comercial.

Para Viñals el desarrollo tecnológico debe continuar: “Los usuarios van a ir demandando nuevas prestaciones, las necesidades van a ir cambiando y cada vez habrá más gente conectada y más dispositivos. La tecnología está llegando con fuerza al coche inteligente y el Internet de las Cosas cada vez será más importante en nuestra vida”, dice el director de Tecnología de Intel Iberia. “Este desarrollo será beneficioso para todo el mundo, tanto para el usuario final como para la industria”, concluye.