Ignacio Mártil

En anteriores artículos he descrito la fundación de Fairchild Semiconductors y las principales innovaciones que la empresa introdujo en la industria microelectrónica. Aquí voy a detallar la muy conocida “Ley de Moore”, que transformaría la industria microelectrónica en los años siguientes.

 1. La primera estimación de Gordon Moore

En 1965, Gordon Moore, por entonces Director de I+D de Fairchild, escribió un artículo para la revista Electronics, con el llamativo título “Cramming more components onto integrated circuits” (Abarrotar los circuitos integrados con más componentes), en el que describía cómo se había duplicado en cada uno de los cuatro años anteriores el número de transistores que podían integrarse en un chip. Si se mantenía este ritmo, preveía que el número de transistores por chip alcanzaría los 65.000 en 1975.

La gráfica original de 1965 que describe la Ley de Moore. Nótese lo extraño de la escala del eje vertical, es un logaritmo en base 2, una forma muy poco habitual de presentar datos

Es decir, la "Ley de Moore" no es una ley de la naturaleza o de la ciencia, sino una observación de Gordon E. Moore, que evolucionó a lo largo de los años y se convirtió en una de las máximas más conocidas de la tecnología microelectrónica. Como “tendencia imperativa”, ha servido de principio impulsor de la industria electrónica de fabricación de CI desde su formulación original hasta el día de hoy. La figura anterior muestra la gráfica original que Moore dibujó en 1965 para describir esta regularidad. Su hipótesis era que esta relación continuaría a un ritmo similar en los siguientes años. Según sus palabras: “No hay ninguna razón para creer que no se mantendrá constante durante al menos 10 años”. No le faltaba razón, ya que la tendencia que predecía su gráfica se viene manteniendo desde entonces, es decir, desde hace casi 60 años.

El artículo donde Moore enunció su ley había sido previamente un documento interno de Fairchild titulado “El futuro de la electrónica integrada”, que redactó con la idea de animar a los clientes de su empresa a adquirir los chips de Fairchild. Moore representó en su gráfica el número máximo de componentes que los tecnólogos de Fairchild habían sido capaces de introducir en un chip de silicio con un coste mínimo por componente desde que había comenzado el desarrollo del innovador proceso de fabricación planar de la empresa que vimos en un artículo previo, es decir, se valió exclusivamente de los datos de su propia empresa para un período temporal comprendido entre 1959 y 1965. Trazando una línea a través de sólo cinco puntos de datos, se aventuró a decir que “con la reducción del coste unitario a medida que aumenta el número de componentes por circuito, en 1975 la economía y la tecnología podría permitir la inclusión de hasta 65.000 componentes en un único chip de silicio”. Esto indicaba que, cada doce meses, se duplicaría el número de transistores integrados en un chip.

Su predicción se convirtió en una profecía autocumplida que guio las acciones y objetivos de las empresas del sector en todo el planeta. Para darnos cuenta de la importancia de esta gráfica, un conocido inversor del sector dijo en una breve nota publicada en 2015 que esa figura es “El gráfico más importante de la historia de la humanidad”

2. La proyección de Moore revisada en 1975

En 1975, Moore, que en ese momento era presidente y consejero delegado de Intel, señaló que los avances tecnológicos habían permitido hacer realidad su proyección del año 1965.

Número de transistores contabilizados en los chips hasta 1975, incluyendo los datos de la primera predicción realizada en 1965, recuadrados en rojo

En el IEEE International Electron Devices Meeting de 1975, Moore señaló que los avances en fotolitografía, tamaño de las obleas, tecnología de procesos e ingeniería de circuitos y dispositivos, habían permitido hacer realidad su proyección. Al añadir productos posteriores a sus datos originales de circuitos integrados sencillos, en particular nuevos dispositivos como microprocesadores (el primero fue de Intel, el 4004, de 1971) y memorias, Moore modificó la tendencia y redujo su estimación del ritmo futuro de aumento de la complejidad a “una duplicación cada dos años, en lugar de cada año”.

La "Ley de Moore" fue bautizada así en 1970 por el tecnólogo Carver Mead, profesor de ingeniería eléctrica de Caltech (aunque hay ciertas dudas de que esto haya sido así). Desde entonces, los tecnólogos y directivos de la industria microelectrónica de todo el mundo se enfrentaron al reto de realizar avances anuales en óptica (el factor clave de la fabricación, la fotolitografía), ciencia de los materiales, métodos de procesamiento de obleas, técnicas de diseño de circuitos, equipos de fabricación y pruebas, etc., para garantizar el cumplimiento de sus proyecciones. Al revisar de nuevo el estado de la industria en 1995 (momento en el que un microprocesador Intel Pentium contenía casi cinco millones de transistores) Moore concluyó que “La predicción actual es que esto no va a parar pronto” (!!). Los chips actuales siguen cumpliendo la predicción de Moore de 1965, lo que significa que hoy en día la Ley no se ha frenado todavía.

3. La actualidad ¿para cuándo el final de la Ley de Moore?

Gráfico actualizado de la "Ley de Moore", mostrando el número de transistores por chip para los microprocesadores introducidos cada año entre 1971 y 2021. A medida que el tamaño de los dispositivos semiconductores se acerca a las dimensiones atómicas, los tecnólogos predicen la desaparición de la "Ley". El “billion” del eje vertical de la gráfica es 1.000 millones.

Los expertos del sector llevan mucho tiempo señalando que las características físicas de los chips y el coste de los equipos e instalaciones necesarios para fabricarlos anuncian la reducción de los avances continuados al mismo ritmo al que se han sucedido hasta la fecha. El propio Moore comentó en 2003 que “ninguna ley exponencial continúa para siempre” (estrictamente, dijo que “ninguna ley exponencial es para siempre: ¡pero "para siempre" puede retrasarse!”). En todo caso, desde hace años se viene pronosticando el final de la ley de Moore. Sin embargo, parece que prevalecerá al menos hasta el final de esta década. Lo que resulta evidente es que la reducción del tamaño de los transistores no podrá continuar indefinidamente, por lo que el número de transistores por chip también se estancará en los próximos años. La pregunta que surge entonces es: ¿qué consecuencias puede tener ese estancamiento? A partir de ahora, los grandes fabricantes parece que van a seguir una estrategia que en el medio se conoce como “More than Moore”. Lo vemos a continuación.

4. El futuro: “More than Moore”

Durante la mayor parte del último medio siglo, la reducción del tamaño de los transistores ha sido relativamente fácil de lograr y se ha asociado a una disminución del coste de cada transistor en torno al 30%, un rendimiento muy mejorado y un consumo de energía notablemente reducido. Para la mayoría de los que hemos vivido en directo esa evolución deslumbrante, nos viene a la cabeza decir “¡qué tiempos aquellos!”. Desde hace unos años, la tendencia ha cambiado y ahora es cada vez más difícil (técnica y económicamente) conseguir sucesivas reducciones, por lo que las mejoras en el coste de los transistores, la potencia o el rendimiento son cada vez más complejas de alcanzar. La evolución tecnológica MOSFET―FinFET―GAAFET así lo atestigua. Sea cual sea el futuro, la competitividad de la industria de los semiconductores ha convertido al transistor fabricado en un chip en el artefacto humano más fabricado de la historia. Según David Brock, de la Chemical Heritage Foundation:

“Las estimaciones del número de transistores producidos en un solo año igualan o superan ahora las estimaciones del número total de granos de arena de todas las playas del mundo. Con los dispositivos informáticos que funcionan con chips, el precio de la informática se ha multiplicado por más de un millón, mientras que el coste de la electrónica se ha multiplicado por mil millones”

En la actualidad, la miniaturización continua del tamaño de los transistores siguiendo las previsiones de la Ley de Moore ha permitido la integración de diferentes componentes funcionales, como la lógica y el almacenamiento de memoria, en un único chip a través de lo que conocemos como un System on a Chip (SoC) bidimensional (2D). El enfoque “More than Moore” (Más que Moore) explora la integración de un gran número de funciones del chip mediante el uso eficiente de la tercera dimensión. Es decir, estamos hablando de integración 3D. La integración 3D es un nuevo paradigma de diseño que consiste “simplemente” en el proceso de apilar verticalmente varios chips y formar conexiones eléctricas entre ellos, lo que proporciona una transformación espacial del tradicional dispositivo planar en 2D al apilamiento de varios chips en 3D, como se ilustra en la siguiente imagen:

Esquema del potencial de integración tridimensional de los transistores 2D, siguiendo los conceptos "Más Moore" (en el plano XY) y "Más que Moore” (en el eje Z)

La reducción del tamaño de los transistores de silicio ha sido decisiva para hacer posibles dispositivos electrónicos más rápidos, pequeños y baratos. Aunque se prevé que la última tecnología FinFET y los GAAFET amplíen la posibilidad de seguir reduciendo ese tamaño siguiendo el concepto tradicional de “Más Moore” hasta el final de la década, la industria de semiconductores hace cada vez más hincapié en el apilamiento de dispositivos tridimensionales 3D para avanzar en el concepto “Más que Moore”. A diferencia del empaquetado, la integración monolítica en 3D puede permitir aumentar la densidad de interconexión y mejorar otras características de los chips. Sin embargo, en el caso de los dispositivos basados en silicio, la limitación de la temperatura de proceso por debajo de 450 °C para los niveles superiores restringe por ahora el desarrollo de la integración monolítica. En todo caso, como ya ha demostrado sobradamente la industria microelectrónica, este y otros problemas que surjan, se resolverán. En una entrevista que le hicieron en 2005 a Gordon Moore, en la que se le pedía que reflexionara sobre su ley, admitió estar:

“Periódicamente asombrado de cómo somos capaces de progresar. Varias veces a lo largo del camino, pensé que habíamos llegado al final de la línea, las cosas se estrechan, pero nuestros creativos ingenieros idean formas de sortearlas [las dificultades]”.

5. Epílogo para tecno optimistas

Pat Gelsinger, consejero delegado de Intel, declaró hace poco:

“La tecnología nunca ha sido tan importante para la humanidad como ahora. Todo se está volviendo digital, con cuatro vectores clave: computación ubicua, infraestructura de la nube, conectividad omnipresente e inteligencia artificial, están llamadas a trascender y transformar el mundo”

En este momento no vemos fin a la demanda de computación, y más computación sigue empujando a la industria a una mayor innovación. Por ejemplo, el mundo crea casi 270 exabytes (es decir, 2.7 × 10²⁰) de datos cada día. Se prevé que, para finales de esta década, todos dispondremos de media un petaflop (10¹⁵ operaciones en coma flotante por segundo) de potencia de cálculo y acceso a un petabyte de datos (10¹⁵) en menos de 1 milisegundo. Esta demanda de cada vez mayor y más rápida potencia de cálculo es la que empuja a la industria a mantener el ritmo de la Ley de Moore.

La ley de Moore ha cambiado nuestra vida, sin duda. Dado que el adulto medio pasa hoy alrededor de la mitad de su tiempo de vigilia inmerso en interacciones electrónicas de todo tipo, ¿nos altera esto fundamentalmente? Con el transistor de silicio afectando a todas las facetas de nuestra existencia material (y espiritual, no se olvide), ¿Cómo nos está moldeando en expectativas y acciones? La Ley de Moore ha desempeñado un papel crucial en nuestras vidas, hasta el punto de cambiar el significado de lo que entendemos por ser humano.