Seguro que estás muy acostumbrado ya a escuchar que 2017 es el año de los procesadores de 10nm, pero ¿qué es realmente este indicador?

El proceso de fabricación de un procesador resulta enormemente complejo y con un coste muy elevado para cualquier empresa, por lo que quizá deberíamos de comenzar a darle más valor a aquellas que se aventuran a hacerlo.

Debemos diferenciar entre desarrollo y fabricación, o ambas en conjunto en algunos de los casos. Algunas de las empresas que desarrollan y fabrican sus procesadores son Samsung, AMD, Intel e IBM. Otras, únicamente desarrollan, como Apple y Qualcomm pero envían sus esquemas a fabricar a empresas externas que o solo fabrican procesadores, como TSMC, o a la par de desarrollar sus propios chips y fabricarlos, dan servicio de fabricación a terceros, como Samsung.

Aparte de todos ellos, tenemos un fabricante que diseña los esquemas base para casi todos los smartphones del mercado. Estamos hablando obviamente de ARM, aunque las grandes firmas como Samsung (core Mongoose) o Qualcomm (core Kryo), han decidido desarrollar núcleos con sus propios esquemas pero compatibles con la arquitectura.

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El componente base de todo procesador actualmente (salvando algunos nuevos recientemente integrados), es el Silicio, obtenido a partir de calentar arena pura a altas temperaturas y someterlo a procesos químicos complejos.

La pureza de este componentes es primordial, ya que será lo que marque la velocidad que soporta un procesador al final de la cadena de producción. Así pues, las gamas de una misma familia que puedes encontrar a la hora de comprar un procesador, son únicamente el nivel de impurezas que contiene el silicio con el que está fabricado. Tras las pruebas efectuadas por el fabricante, establece una velocidad segura acorde a su composición.

Este silicio producido en cilindros, se corta en pequeñas obleas con forma de disco circular, que se someten a un químico fotosensible que imprimirá el diseño del fabricante en la oblea.

A continuación, se sumergen en un disolvente que deja únicamente lo impreso en las obleas, y un robot talla el patrón en la superficie resultante mediante un bombardeo de iones que incrustan en el silicio y modifican las propiedades conductivas del material, dando lugar al objeto de nuestra explicación, el transistor.

Procesadores en oblea
Procesadores en oblea

Los transistores no son más que puertas lógicas que adquieren dos valores, sí y no. ¿Os suena el código binario? pues estos son las partes materiales que procesan dicho código compuestos por los caracteres 0 (no) y 1 (sí). Seguro que has escuchado hablar de la computadora cuántica ¿verdad? pues en base sería un tipo de procesador que sería capaz de detectar cuatro estados distintos en lugar de los dos actuales con base binaria, lo que multiplicaría exponencialmente la capacidad de proceso de las máquinas actuales, pero que conllevaría rehacer la informática desde su base.

Cuanto mayor es el número de transistores que puede contener un procesador, mayor será su capacidad de proceso. Esta es la base teórica en la que participa por primera vez esa unidad de medición que tanto escuchas cada año referente a los procesadores y que se mide actualmente en nanómetros (nm). El concepto sonre el que se basa esta unidad de medida, se llama litografía.

Hace años, esta medida era tan gruesa que se medía en micrómetros (µm), ya que los procesos de fabricación eran más austeros y menos precisos.

¿En qué se traduce esto?

Como hemos dicho hace solo unas líneas, cuantos más transistores tengamos en un procesador, mayor capacidad de procesameinto, pues tendremos un mayor número de puertas lógicas que se activan con cada ciclo de reloj. Más resumidamente, contamos con más remos en una barca que empujen la misma por cada golpe de remado.

Es por esto que cuanto menor sea el número que estáis escuchando, obtendremos un procesador más eficiente, pues con un solo ciclo de reloj será capaz de procesar más información, lo que se traduce en mayor potencia y mucho menos calor generado.

¿Hasta donde podemos bajar la litografía?

Familiarízate con el término miniaturización, porque lo vas a escuchar muy a menudo. El coste de reducir cada vez más los transistores es muy elevado. Supone renovar el proceso de fabricación para que sea cada vez más precisa, pero este no es el principal problema, pues nos acercamos al umbral físico de lo que podemos reducir un transistor.

Al menos con los materiales actuales, el límite teórico ha venido prolongándose hasta los 14nm, algo que según ha ido avanzando la tecnología y con el paso de los años, los fabricantes han sido capaces de traer esta medida sin modificar los materiales.

Pero hoy sí, los 10nm han obligado a poner toda la carne en el asador y no solo se han creado procesos avanzados como el FinFET de segunda generación tipo LPP (Low Power Plus) y LPE (Low Power Early), sino también se han vitaminado los transistores con otros nuevos materiales como el Germanio.

¿Son eternos, infinitos e inmortales o se degradan?

Nada hay en este mundo eterno e infinito, y esto, como cualquier otra cosa, se degenera con el uso en un efecto llamado electromigración.

Este proceso consiste en el transporte de material producido por movimiento gradual de iones en un conductor, que se debe al movimiento entre los electrones de conducción y los átomos de metal.

Buf! que complicado, pero imaginad la erosión de un río, donde los iones del conductor sería el lecho del río y los electrones de conducción el agua. El agua, produce una erosión de desgaste en el lecho del río que arrastra el material erosionado consigo. Es el mismo efecto llevado a la física de los materiales y el desgaste eléctrico.

Este efecto se hace más patente cuanto mayor sea el voltaje y el calor, es por esto que si forzamos un procesador haciendo overclocking, estaríamos comprometiendo su durabilidad en base a mayor voltaje, calor y un funcionamiento superior a los márgenes seguros debido a sus impurezas.

Si retrocedes un poco en este artículo, hemos hablado de una “talla” por parte de un robot sobre las obleas para “dibujar” los transistores. Pues bien, los procesos de fabricación avanzados permiten que ese tallado sea cada vez más preciso y pueda producir transistores más pequeños.

Oblea de silicio
Oblea de silicio

Los procesadores del futuro

De cara al futuro, los fabricantes no pueden frenar su desarrollo y preparan las técnicas necesarias para fabricar a 7 y 5nm, pero aquí los impedimentos físicos son importantes. A partir de 7nm, por pura física eléctrica, las puertas comienzan a perder el control sobre el canal, o traducido al más básico castellano, los canales conductivos circulan sin control porque las puertas no son capaces de controlar los electrones que las activan.

Modernos procesos de fabricación como los NFET y PFET con materiales totalmente nuevos posibilitarán este salto, como los no-silicio III-V, o un nuevo compuesto de  Indio-Galio-Arsénico denominado InGaS. La fabricación de nuevos transistores en 3D han abierto nuevas puertas al desarrollo no solo de transistores, sino de memorias más eficientes y amplias.

Transistor 3D FinFET
Transistor 3D FinFET

Las ambiciones son las que mueven el mundo, y según las declaraciones de E.S. Jung, vicepresidente ejecutivo de la división R&D de desarrollo experimental de Samsung Electronics, el objetivo de la empresa es acercarse lo máximo posible a los 1.5nm, una cifra que hoy en día se nos escapa completamente.

Espero que después de leer el artículo, seas capaz de explicar a tus amigos y conocidos la importancia de este indicador que tanta expectación despierta y que empieza a abanderar las características con las que la empresa promociona sus nuevos productos. Además, de paso te marcas un tanto friky de conocimiento y dejarás a todos con la boca abierta.

  • Edynsom13

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