Nuevos Retos Para la Ley de Moore

Nuevos Retos Para la Ley de Moore

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La Ley de Moore debe ser uno de los paradigmas más mencionados y modificados en esta nueva era de la tecnología. Esta semana veremos los alcances de este modelo y los desafíos que trae para la escuela de los semiconductores.

Cada vez que Intel realiza su IDF, hay una cosa que es segura, se hablará sobre el futuro de la tecnología y se mencionara constantemente la “Ley de Moore”, una ley poco entendida que hace honor a una observación hecha por el co-fundador de Intel Gordon Moore. Según el kit de prensa de Intel con respecto a dicha ley, lo que quiso decir Moore en su artículo de 1965 -al cual hace referencia la empresa como la definición de esta ley- era que la cantidad de transistores en un trozo de silicio se duplicaría cada par de años.

Sin embargo, el resumen presentado por Intel no es del todo cercano a lo que dijo Moore cuando redactó el documento base para su ley. De hecho, la única mención de que algo se va a duplicar en su escrito es lo que traduzco a continuación: “La complejidad para el costo mínimo de componentes se ha incrementado en aproximadamente un factor de dos por año. Ciertamente en el corto plazo se puede esperar que esta tasa continúe de esta manera, si no es que se incrementa. En el largo plazo, la tasa de incremento es un poco menos cierta, aun cuando no hay razón para creer que esta no se mantendrá relativamente constante por lo menos por 10 años.”

Como se puede ver, acá Moore nunca habla de que el numero de transistores como tal se va a duplicar cada cierta cantidad de tiempo. Lo que se menciona es la “complejidad para el costo mínimo de componentes”. Este fragmento resulta ser mucho más interesante que la formulación hecha por Intel y ayuda a comprender lo que está pasando actualmente con el diseño y fabricación de circuitos integrados. Para poder entender el razonamiento del co-fundador de Intel es importante analizar el gráfico que lo lleva a dicha conclusión:

Como se puede ver, en el eje X del grafico están definidos el número de componentes por circuito integrado y en el eje Y se muestra el costo relativo de fabricación por componente. Cada curva, representa el conjunto de tecnologías disponibles y su asociación a los ejes para los años señalados encima de ellas. Por lo tanto, la conclusión obvia que entrega el gráfico es que existe un punto en el que los costos de cada transistor en un circuito integrado llegan a su punto mínimo, dado un número especifico de transistores por circuito integrado y el conjunto de tecnologías de producción presentes en el año analizado.

Lo anterior quiere decir que Moore no estaba prediciendo que el numero de transistores se duplicaría cada año, sino que la cantidad de transistores que hacían que un producto con cierta funcionalidad -se habla en términos de producto, pues este puede estar compuesto por varios chips como es el caso de los chipsets modernos o de uno solo como es el caso de muchos CPUs- fuera económicamente viable, se duplicaría cada año (esto último fue enmendado por él en 1975 a dos años en vez de uno). Por lo tanto, si se considera el proceso de manufactura más avanzado en la actualidad de Intel para procesadores de escritorio (45nm, con obleas de 300mm, tecnología de empaque FC-LGA8 y con un porcentaje de chips buenos por cada oblea de silicio producida) la empresa calcula la máxima cantidad de transistores que reducen su costo individual al mínimo.

Bajo este análisis, es claro que si Intel así lo quiere, puede implementar una menor cantidad o una mayor cantidad de transistores en sus productos. Sin embargo, los costos de manufactura no serian los óptimos. Esta es una razón que justifica que cada generación Intel agregue mayor cantidad de componentes a sus chips pues su “cuenta corriente” de transistores tiene más fondos que antes. Pensando en lo mencionado, ¿qué pasa cuando se comienza a consumir la cuenta corriente más rápido de lo que esta incrementa? Déficit; y ¿qué trae el déficit? Costos. En finanzas estaríamos hablando de intereses y en el caso de semiconductores se hablaría de transistores más costosos.

Por otra parte, al hacer transistores más pequeños, aumentamos la densidad de ellos por centímetro cuadrado en cada chip. Esto tiene un efecto positivo pues cada vez se pueden incluir mas funciones en el chip, pero por otro lado tiene un efecto negativo muy significativo: la densidad de energía por centímetro cuadrado ha aumentado. Esto se traduce en consumo eléctrico elevado y dificultades para refrigerar la superficie del chip. Si esto se combina con el hecho de que hay chips que con cada generación se están volviendo cada vez mas grandes (GPUs vienen a la mente), se llega a un punto en producir chips resulta inmanejable.

Viendo estos problemas de cara al futuro, ¿se podrá mantener la Ley de Moore o se deberán inventar nuevas técnicas de manufactura radicalmente diferentes a las actuales? Moore respondió a este cuestionamiento de forma muy sencilla en una presentación diciendo lo siguiente: “Ningún exponencial es para siempre…pero podemos retrasar ese ‘para siempre’”.

Esto es lo que muchas de las empresas -sobre las cuales acostumbramos leer en CHW- están haciendo. Tomando el caso de Intel, para su siguiente CPU, Nehalem (o Core i7) ellos decidieron utilizar transistores que emplean la técnica static CMOS.

Resulta ser que en los setentas cuando los transistores Bi-CMOS eran todo el furor por su velocidad, la industria de semiconductores entre en una crisis pues el consumo eléctrico se estaba saliendo de las manos. Esto fue resuelto desarrollando chips con transistores que empleaban la técnica static CMOS que traían como beneficio una disminución considerable en el consumo, sacrificando mucho rendimiento. A medida que se buscaba aumentar el rendimiento –principalmente a punta de MHz-Intel optó por usar transistores que eran mucho menos eficientes en consumo. Esto llevó a transistores tales como los LVS que se empleaban en los Pentium 4 (todos recordaremos los chistes que se han hecho sobre cómo se calentaban estos chips). Con la decisión de Intel de volver a emplear static CMOS, volvemos otra vez al pasado para mantener la Ley de Moore vigente.

AMD hizo lo mismo con sus GPUs, al optar por producir chips menos complejos de rango medio y solo atacar el alto rendimiento con soluciones que emplean dos chips. Esta es una práctica muy antigua también, cuando era imposible incluir todas las funcionalidades de un producto en un solo chip. De hecho, el término “chipset” o conjunto de chips viene de las épocas cuando efectivamente eran muchos chips los que cumplían todas las funciones necesarias para la interacción de componentes en una placa madre.

Por otro lado, tenemos a NVIDIA con todos los problemas que tiene con sus GPUs actualmente. Ellos hablaban en alguna época que para la empresa se cumplía la Ley de Moore al cubo. Mientras sus GPUs fueron pequeños esto era manejable. Pero siendo lo complejos que son hoy sus diseños, en estos momentos están prácticamente agotando su cuenta corriente y están incurriendo en costos muy altos.

Con todo lo anterior, lo que cabe resaltar de este análisis es que la Ley de Moore está mostrando sus dificultades para el diseño de los chips de la actualidad. Para que la ley se mantenga vigente utilizando las técnicas actuales, se requerirá de mucha creatividad. Esto es lo que nos espera en los años por venir, gran cantidad de innovación no solamente a nivel de circuitos, sino a nivel de cómo se implementan. Este va a ser el cambio más radical mirando hacia el futuro y por
ende, los rumores de las especificaciones que estamos acostumbrados a leer cambiarán mucho con respecto a lo que estamos acostumbrados.

Se espera que la Ley de Moore siga estando vigente por 15 o 20 años más y por el momento, parece que esto es válido, pues el mejor anuncio de que esto ya no será así en el corto plazo, será cuando veamos a las grandes empresas de semiconductores dejar de invertir tanto dinero en miniaturizar componentes y en vez de ello, invertirlo en grandes cantidades en formas radicalmente diferentes de producirlos, tales como interconexiones por luz (silicon photonics), nuevos materiales semiconductores y nuevos tipos de componentes no basados en CMOS como memorias magnéticas y dispositivos moleculares.

 

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