La carrera por hacer el chip m¨¢s peque?o del mundo

Aunque no es una ley propiamente dicha, sino m¨¢s bien una tendencia emp¨ªrica, la Ley de Moore se ha venido cumpliendo con cierta exactitud. Sin embargo ahora se topa con un l¨ªmite f¨ªsico: el tama?o de los transistores est¨¢ llegando a ¨®rdenes at¨®micos: no se pueden hacer transistores m¨¢s peque?os que un ¨¢tomo; adem¨¢s la peque?ez presenta otros problemas relacionados con la naturaleza cu¨¢ntica de la materia o la disipaci¨®n de calor. En definitiva: el proceso de miniaturizaci¨®n y aumento de potencia que ha hecho que llevemos m¨¢quinas 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 a?os de vida¡±, dice Sim¨®n Vi?als, director de Tecnolog¨ªa de Intel Iberia, ¡°hay abiertas muchas l¨ªneas de investigaci¨®n en nuevos materiales y tecnolog¨ªas¡±. A finales de marzo la empresa celebr¨® en San Francisco un congreso centrado en la c¨¦lebre ley, en el que present¨® sus nuevos transistores de 10 nan¨®metros (las anteriores tecnolog¨ªas eran de 45, 32, 22 y 14 nan¨®metros). Ahora, en un mil¨ªmetro cuadrado caben cien de estos ingenios. Un ¨¢tomo de silicio mide en torno a 0,24 nan¨®metros y la Universidad de Berkeley ha llegado a presentar prototipos de transistor de 1 nan¨®metro: el l¨ªmite anda cerca. En el congreso, el vicepresidente de Intel, Stacy J. Smith, explic¨® que si el progreso de otras disciplinas hubiera avanzado al ritmo de la ley de Moore, ya podr¨ªamos viajar trescientas veces m¨¢s r¨¢pido que la velocidad de la luz, alimentar a la poblaci¨®n mundial con un solo kil¨®metro 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 tecnolog¨ªa.

Para hacernos una idea del avance, el f¨ªsico Ram¨®n Aguado, investigador del Centro Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (CSIC) propone una bonita met¨¢fora: ¡°En un microprocesador, en los a?os setenta, hab¨ªa dos mil transistores: el n¨²mero 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 bal¨ªsticas y considerado el primer ordenador, ocupaba una habitaci¨®n entera y pesaba 27 toneladas. Pod¨ªa hacer 5.000 sumas o 3.000 multiplicaciones por segundo. Hoy cualquier smartphone tiene una potencia m¨¢s de mil veces superior y cabe en la palma de la mano. ?C¨®mo se ha obrado este prodigio?

C¨®mo se hicieron las cosas peque?as

Conviene entenderlo desde el principio. En un plano abstracto, la informaci¨®n se reduce a los d¨ªgitos 0 y 1 (de ah¨ª lo de digital). En la pr¨¢ctica esos 0 y 1 se traducen en corriente el¨¦ctrica (el 1) y ausencia de corriente (el 0). Para construir ordenadores hace falta poder manejar miles de peque?os interruptores que dejan pasar o no electricidad. En el ENIAC estos interruptores eran las v¨¢lvulas de vac¨ªo, una especie de bombillas que ocupaban mucho espacio y se fund¨ªan con frecuencia. El progreso tuvo un punto de inflexi¨®n con la invenci¨®n, en 1947 y gracias a la f¨ªsica de los semiconductores (particularmente el silicio, de ah¨ª Silicon Valley), de un nuevo tipo de interruptor: el transistor.

Con la llegada del transistor comienza el proceso de miniaturizaci¨®n y la Ley de Moore. A finales de los a?os 50 aparece el circuito integrado lo que permite fabricar procesadores de manera industrial; hoy se fabrican en obleas mediante el proceso de fotolitograf¨ªa, es decir, se imprimen con luz, de forma similar a una fotograf¨ªa anal¨®gica. Cada vez se pueden meter m¨¢s transistores en cada procesador, cada vez son m¨¢s peque?os. Y a m¨¢s transistores (a m¨¢s interruptores de ceros y unos), m¨¢s operaciones por segundo, m¨¢s potencia de c¨¢lculo, m¨¢s y m¨¢s avanzadas aplicaciones tecnol¨®gicas.

Los l¨ªmites f¨ªsicos

Adem¨¢s del propio tama?o de los transistores, cada vez m¨¢s cerca del tama?o de los ¨¢tomos, en el mundo de lo cada vez m¨¢s peque?o surgen otros inconvenientes. Uno es la aparici¨®n de efectos cu¨¢nticos: la materia a peque?a escala se rige por otras leyes, ah¨ª abajo es bastante probable que una part¨ªcula atraviese una barrera de potencial. Ser¨ªa lo equivalente a que en nuestro mundo una pelota atravesase un muro. Se llama efecto t¨²nel y es una de las extra?as cualidades de lo cu¨¢ntico. ¡°Con el efecto t¨²nel la corriente empieza a tener menos precisi¨®n y los umbrales de funcionamiento empiezan a ser peores¡±, explica Aguado.

Otro de los l¨ªmites f¨ªsicos es la disipaci¨®n de calor. ¡°Cuanto m¨¢s peque?o es el transistor m¨¢s potentes son los procesadores, pero tambi¨¦n generan m¨¢s calor¡±, dice Aguado, ¡°uno de los retos tecnol¨®gicos es optimizar velocidad respecto a calor¡±. Porque si hay demasiado calor el aparato, sencillamente, se puede quemar. De ah¨ª que los ordenadores suelan llevar un sistema de ventiladores que producen ese caracter¨ªstico sonido y olor.

?Qu¨¦ soluciones se proponen? Existen varias: la creaci¨®n de circuitos integrados con varias capas bidimensionales de transistores, la investigaci¨®n de nuevos materiales (¡°por ejemplo, aleaciones de semiconductores como el silicio con germanio, o materiales como el grafeno o el fosforeno¡±, se?ala Vi?als), transistores de un solo electr¨®n (que consumen menos potencia) o la utilizaci¨®n en paralelo de varios procesadores, como ya se usan. Ya que llegar¨¢ el momento en el que no se podr¨¢ miniaturizar m¨¢s y hacer as¨ª m¨¢s potente los procesadores, la tecnolog¨ªa ofrece estas v¨ªas secundarias para seguir adelante.

La computaci¨®n cu¨¢ntica

Pero la v¨ªa que parece que supondr¨¢ un cambio cualitativo es la computaci¨®n cu¨¢ntica. En esta disciplina los estados posibles no son solo el 0 y el 1, sino una superposici¨®n de ambos estados, como en el famoso caso del gato de Schr?dinger que est¨¢ muerto y vivo al mismo tiempo. As¨ª, del bit tradicional, pasamos al qubit. La capacidad de computaci¨®n crecer¨ªa de tal manera que todav¨ªa es dif¨ªcil imaginar sus consecuencias. Por lo pronto uno de los efectos m¨¢s se?alados es que un ordenador cu¨¢ntico podr¨ªa volar por los aires todos los sistemas de encriptado, por ejemplo el de las tarjetas de cr¨¦dito. ¡°Para encriptar una tarjeta de cr¨¦dito hay, b¨¢sicamente, que descomponer en dos factores un n¨²mero muy grande. Es una operaci¨®n que a un ordenador normal le podr¨ªa llevar miles de a?os, pero que un ordenador cu¨¢ntico podr¨ªa realizar en un tiempo razonable¡±, explica Joaqu¨ªn Fern¨¢ndez Rossier, investigador en nanoelectr¨®nica en la Universidad de Alicante y en el International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL). ¡°Pero no va a ser m¨¢s r¨¢pido enfrentando problemas normales¡±, a?ade, ¡°sino que van a poder resolver de forma eficiente que lo ordenadores normales no pueden resolver¡±.

Todas las grandes empresas tecnol¨®gicas ya se han posicionado respecto a la computaci¨®n cu¨¢ntica y trabajan en su desarrollo. La divisi¨®n IBM Q, de IBM, present¨® en mayo de 2016 su primer prototipo de procesador, consistente en cinco qubits. Google y la Nasa tambi¨¦n est¨¢n trabajando en ellos (con la participaci¨®n de investigadores de la Universidad del Pa¨ªs Vasco). La compa?¨ªa canadiense D-Wave Systems ya vende ordenadores cu¨¢nticos: su modelo D-Wave 2000 Q, disponible desde junio y valorado en 15 millones de d¨®lares, tiene dos mil qubits. Por su parte, la Comisi¨®n Europea anunci¨® el a?o pasado el lanzamiento de un programa de mil millones de euros dedicado al desarrollo de esta computaci¨®n, el Quantum Flagship. La llaman la Segunda Revoluci¨®n Cu¨¢ntica. ¡°Son proyectos a largo plazo, no tendremos un ordenador cu¨¢ntico en casa en cinco a?os¡±, dice Fern¨¢ndez Rossier, ¡°los ordenadores cu¨¢nticos a¨²n son de gran tama?o 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 contin¨²e el progreso tecnol¨®gico es la siguiente: ?no es, por el momento, suficiente el nivel tecnol¨®gico que la humanidad ha alcanzado? ?Es necesario mantener un crecimiento exponencial tan prodigioso como el que se ha vivido los ¨²ltimos 50 a?os?

¡°La Ley de Moore es una tendencia que sigue la industria microelectr¨®nica para que su negocio sea rentable¡±, explica Francesc P¨¦rez, investigador del Centro Nacional de Microelectr¨®nica (CNM) del CSIC. Digamos que la industria se sostiene en el continuo avance, en la continua oferta de nuevos productos m¨¢s potentes y nuevas prestaciones. Se ha llamado la obsolescencia tecnol¨®gica a esa necesidad a cambiar un equipo antiguo por uno nuevo aunque el anterior no haya llegado al l¨ªmite de su vida ¨²til. Hay quien utiliza un ordenador durante m¨¢s de 10 a?os y hay quien lo cambia cada dos, aunque a¨²n funcione. ¡°Los nuevos modelos ni siquiera tienen que tener procesadores m¨¢s potentes, tambi¨¦n puede tratarse de una mejor pantalla o una c¨¢mara con mayor resoluci¨®n¡±, dice P¨¦rez. Son otras v¨ªas de avance tecnol¨®gico, al menos en su vertiente comercial.

Para Vi?als el desarrollo tecnol¨®gico debe continuar: ¡°Los usuarios van a ir demandando nuevas prestaciones, las necesidades van a ir cambiando y cada vez habr¨¢ m¨¢s gente conectada y m¨¢s dispositivos. La tecnolog¨ªa est¨¢ llegando con fuerza al coche inteligente y el Internet de las Cosas cada vez ser¨¢ m¨¢s importante en nuestra vida¡±, dice el director de Tecnolog¨ªa de Intel Iberia. ¡°Este desarrollo ser¨¢ beneficioso para todo el mundo, tanto para el usuario final como para la industria¡±, concluye.