Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 4 de mi libro: "Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX"; 2018, Ediciones Complutense)

Para no demorar mucho la respuesta a la pregunta que planteo en el artículo, lo digo ya: en los chips más avanzados, los transistores son tan pequeños como un virus. Sí, ha leído bien: tan pequeños como un virus, es decir, del orden de 50-100 nanómetros (un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro). Veremos en este artículo cómo ha ido evolucionando el tamaño de los transistores desde la invención del Circuito Integrado (CI) en 1959 hasta el día de hoy y en sucesivos artículos, qué tecnología permite hacerlos tan pequeños.

Imagen coloreada, tomada con un microscopio, de un chip. Lo que se ve son las pistas metálicas de interconexión de los transistores, que están debajo, no visibles.

1. La ley de Moore, una profecía autocumplida

En 1965, Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, publicó un célebre artículo qué, con el paso de los años, se ha convertido en una especie de profecía: el número de transistores que se integran en un chip se duplica cado dos años [Moore, G., "Cramming more components onto integrated circuits". Electronics Magazine, vol. 38, no. 8, (19-april-1965) pg. 114]. Ese artículo, una verdadera joya de la historia de la electrónica, es probablemente uno de los que más ha influído en el desarrollo posterior de esta rama de la ciencia y la tecnología. Se puede descargar libremente desde este enlace. La figura muestra lo que Moore incluyó en su célebre artículo:

Las dos figuras esenciales del artículo de G. Moore

Este crecimiento en matemáticas tiene un nombre: ley exponencial. El aumento del número de transistores en los CI o chips (son las dos formas de denominarlos habitualmente) sigue desde entonces esa tendencia, que se conoce en el mundillo de la electrónica como Ley de Moore.

Esta previsión ha actuado en la industria microelectrónica como una especie de "profecía auto cumplida", es decir, los fabricantes se han empeñado en hacerla realidad un año tras otro. Claro que esto no se debe solo a satisfacer una previsión, sino a buscar (y encontrar) el beneficio a esta tendencia que actúa sobre la industria casi como un "mandato divino". Cuando se lee el artículo de Moore no deja de resultar llamativo que las previsiones que hacía en él no solo se han cumplido, sino que llevan haciéndolo un año tras otros desde hace medio siglo. No es fácil encontrar en cualquier otra rama industrial una "persecución" de un pronóstico con tanto empeño como este.

Y así ha sucedido, ya que, desde su nacimiento a finales de la década de 1950, el CI ha experimentado un desarrollo sin precedentes en los siguientes años, impulsado inicialmente por el programa espacial y la industria militar de los EE. UU.  Fruto de estos avances motivados por la Guerra Fría, se fabricaban CI cada vez más complejos y con mayor número de transistores. Si los primeros CI integraban unas pocas decenas de transistores, muy pocos años después ya se comercializaban CI con miles y decenas de miles y hoy día, hay CI con miles de millones de transistores. La imagen muestra esa tendencia hasta el día de hoy:

Ley de Moore para CPU y para memorias. La escala vertical es logarítmica.

Aumentar de manera tan descomunal en número de transistores en un CI ha sido posible gracias al gran desarrollo que ha experimentado su proceso de fabricación; la tecnología microelectrónica ha incorporado procedimientos que recuerdan parcialmente a la fabricación en cadena de los automóviles, de manera que sobre una única oblea semiconductora de silicio, se replican simultáneamente un gran número del mismo circuito completo. Este procedimiento consiste en esencia en la impresión de múltiples patrones geométricos en la superficie del silicio, que permiten definir cada uno de los dispositivos que lo integran, seguido de un depósito selectivo de diversos materiales aislantes y conductores, para interconectar adecuadamente entre sí los distintos componentes del CI, pasos que se repiten sucesivamente gran número de veces hasta completar el CI. Todo ello es posible con ayuda de la tecnología que es el verdadero cuello de botella de la industria de fabricación de CI: la fotolitografía, a la que dedicaré varios artículos que iré publicando en este blog.

2. ¿Qué significa realmente la Ley de Moore?

Para hacerse una idea más gráfica de lo que significa la Ley de Moore, imagine el lector que realiza un viaje al pasado. Sitúese en 1971 y dispóngase a escuchar una ópera en un auditorio que tiene un aforo de 2.300 personas, exactamente el mismo número de transistores que integraba el primer microprocesador fabricado por Intel ese año, el 4004. Si el aforo de ese auditorio hubiera evolucionado siguiendo la Ley de Moore, pero sin variar el espacio que ocupa y hubiera vuelto a él en 1982, en el mismo recinto se habrían congregado 134.000 personas −la capacidad de un gran estadio de fútbol y la del procesador Intel 286−. Años después, en 2000, la capacidad del auditorio ya permitiría albergar toda la población de Tokyo −37 millones de personas, igual que el número de transistores de las últimas versiones del procesador Intel Pentium III−; si la audición la hubiera hecho en 2011, se habría reunido con 1.300 millones personas −toda la población de China o el número de transistores de una de las versiones del procesador Intel Core i7−, si hubiera acudido en 2019, el auditorio debería haber sido capaz de albergar a 7.400 millones de personas, es decir, la población de todo el planeta −y el número de transistores integrados en el controlador de almacenamiento z13 de IBM−. Finalmente, si la audición hubiera tenido lugar en este año 2021, el aforo habría llegado a ser equivalente a dos planetas Tierra, pues tendría que haber reunido a 15.000 millones de personas, que es el número de transistores que tiene el procesador Bionic A 15 (el que lleva el nuevo iPhone 13). La figura siguiente lo ilustra:

La asombrosa ley de Moore

Estrictamente, el área de los chips también ha crecido ligeramente con los años, pero en una proporción infinitamente más modesta. Por el ejemplo, el Intel 4004 ocupaba 12 mm² (3 mm × 4 mm), mientras que la superficie del Bionic A 15 es de 107.7 mm² (8.58 mm × 12.55 mm), de manera que la relación de transistores se ha multiplicado por 6.870.000, mientras que la de áreas, por 9.

3. La necesidad de hacer los dispositivos cada vez más pequeños

Incorporar cada vez más transistores en el chip implica reducir su tamaño, lo que trae ventajas, aunque a costa de aumentar la complejidad del proceso de fabricación. Cuanto más pequeños sean los transistores, más pequeño será el chip en sí, y más chips caben en una oblea. Mientras tanto, el coste de procesar una oblea sigue siendo aproximadamente el mismo, independientemente de la cantidad de chips que se puedan obtener de cada oblea. Esto significa que reducir el tamaño de los transistores da como resultado chips más baratos. Alternativamente, puede mantenerse el chip con el mismo tamaño, de modo que tenga más componentes en su interior. Esto lo hace más potente pero no (mucho) más caro. Además de eso, la reducción de la escala de los transistores mejora su rendimiento sin aumentar su consumo de energía. Es decir, hay grandes incentivos para que los fabricantes de chips reduzcan el tamaño de sus transistores. Y eso es exactamente lo que han estado haciendo en las últimas décadas, en las que el número de transistores en un chip ha aumentado de cientos a miles de millones. Eso supone un tamaño asombrosamente pequeño para los transistores. La imagen muestra uno de tales dispositivos, en una escala comparativa. No hacen falta más palabras:

Comparando tamaños con la biología. Algunos dispositivos actuales son tan pequeños como una proteína o un virus

Para hacernos una idea de lo que significa este tamaño tan reducido, imagine el lector que agrandamos el tamaño del chip donde van integrados los transistores hasta hacerlo similar a la superficie que ocupa la Comunidad de Madrid (8.000 km²). En esa escala, cada transistor ocuparía una superficie de o. 5 m², similar al área de la pantalla de un televisor de 40 pulgadas de diámetro.

4. Un comentario final

Mark Lundstrom, un profesor de la Universidad de Purdue que comenzó a trabajar en la industria de los chips en la década de 1970, escribió en 2003 un artículo para la revista Science, que predijo que la ley de Moore se encontraría con límites físicos hacía 2015. Lundstrom decía que, en su carrera, varias veces pensó "Vale, este es el final". Recordaba haber asistido a su primera conferencia de fabricación de chips en 1975. En sus palabras:

Había un tipo llamado Gordon Moore dando una charla. Era muy conocido dentro de la comunidad técnica, pero nadie más sabía quién era, recuerdo la charla que dio. Moore dijo "Pronto podremos colocar 10.000 transistores en un chip. ¿Qué podría hacer alguien con 10.000 transistores en un chip?"

Hoy en día, hay chips en el mercado con 15.000 millones de transistores. Pregunten a sus diseñadores y a sus fabricantes qué se puede hacer con ellos.