1 Noviembre 2007 Del rock n roll al hafnio el transistor cumple sesenta años Introducción Cuando se trata de pensar en algo que contribuyó a iniciar la innovación y la evolución en tecnología, ninguna invención es más importante que el transistor, creado hace 60 años en los Laboratorios Bell. Se puede afirmar que casi ningún aparato electrónico que conocemos hoy podría existir si no lo hiciera el transistor. Los transistores son los principales componentes de los microprocesadores, que son esenciales en los productos que usamos todos los días, como la televisión, los coches, la radio, los servicios médicos, los ordenadores e incluso la carrera espacial. Mientras el primer aparato de radio tenía cuatro transistores y el primer chip de Intel para ordenadores, el cerebro de los PCs, contenía solamente 2.300 transistores, los nuevos procesadores Intel fabricados con tecnología de 45nm y lanzados en noviembre de 2007 contienen 820 millones de transistores. El transistor es como un interruptor en miniatura que permite el procesamiento de la información en un ordenador, permitiéndonos entrar en la era digital. Cuál es el secreto de este éxito? Que continúa disminuyendo y haciéndose más y más pequeño, rápido y eficiente energéticamente en cada nueva generación. Los ingenieros de Intel han introducido recientemente nuevos materiales en su fórmula de fabricación de silicio para crear nuevos chips basados en la microarquitectura Intel Core, que usan los revolucionarios circuitos de 45 nm (tan pequeños que 300 de estos transistores cabe en el sólo glóbulo rojo humano) y su fórmula de puerta de metal para desplegar una velocidad mejorada y permitir un mayor ahorro energético. Cuál será el próximo paso? Intel continúa apostando por la innovación tecnológica para lanzar nuevos productos que transformen la forma en la que vivimos, trabajamos, jugamos y nos comunicamos, de formas que ahora sólo podemos imaginar. 1 Intel, el líder mundial en innovación de silicio, desarrolla tecnologías, productos e iniciativas para mejorar continuamente la forma de trabajo y de vida de las personas. Para más información sobre Intel, visite www.intel.com/pressroom y blogs.intel.com o el press kit http://www.intel.com/pressroom/kits/events/60th_anniversary/index.htm Intel, Centrino, Intel Core, Pentium y el logotipo de Intel son marcas comerciales de Intel Corporation en los EE. UU. y en otros países. Otros nombres y marcas pueden ser propiedad de otras compañías.
Apagado o encendido La invención del transistor durante los dos últimos meses del año 1947 podría considerarse como el descubrimiento más importante del Siglo XXI, y está claro que no podemos infravalorar su influencia en la vida diaria durante los siglos XX y XXI. El bicho o error (bug,) tal y como lo llaman cariñosamente los expertos en electrónica, se utilizó por vez primera para amplificar señales de audio. Por esta razón, los primeros dispositivos portátiles de los años 50 se llamaban radiotransistores. Pero, a largo plazo, la aplicación más importante de los transistores se utilizaría en los procesadores, en donde se emplean como conmutadores en circuitos integrados. Gracias a su papel como diminutos conmutadores, hoy en día podemos encontrar cientos de millones de transistores en los procesadores que constituyen la parte central de equipos electrónico como, por ejemplo, PCs, ordenadores portátiles, servidores, teléfonos móviles, microondas, vehículos, y en una lista interminable de diferentes artículos y aplicaciones. Aunque el primer radiotransistor contenía cuatro transistores, el nuevo procesador que Intel lanzó el 12 de noviembre de 2007, contiene 820 millones de transistores. No hay procesadores sin transistores, de la misma manera que no puede haber ordenador sin procesador. Datos del transistor Mientras que el primer aparato de radio tenía cuatro transistores, el primer procesador de Intel para un ordenador contenía solamente 2.300 transistores y el nuevo procesador de Intel lanzado en 2007 y basado en al tecnología de fabricación de 45 nanómetros (nm) contiene 820 millones. 2.000 transistores de 45 nm caben en la anchura de un pelo humano. Más de 30 millones de transistores de 45 nm caben en la cabeza de un alfiler, que tiene un diámetro de, aproximadamente, 1,5 millones de nm (1,5 mm). Un transistor de 45 nm se puede apagar y encender 300.000 millones de veces al segundo; un haz de luz viaja a menos de una decimal de pulgada durante el tiempo que le lleva a un transistor encenderse y apagarse. El transistor original construido por Los Laboratorios Bell en 1947 podría depositarse en una mano, mientras que cientos de procesadores Intel de 45 nm pueden ocupar la superficie de un solo glóbulo rojo. Si una casa hubiera reducido su tamaño al mismo ritmo en el que lo han hecho los transistores, no la podrías ver sin la ayuda de un microscopio. Para ver un transistor de 45nm, necesitarías un microscopio avanzado. El precio de un transistor en el último procesador lanzado por Intel es cerca de la millonésima parte que el precio medio de un transistor de 1986. Si los precios de los coches hubieran disminuido al mismo ritmo, un coche nuevo costaría hoy un centavo. Cerca de 10.000.000.000.000.000.000 transistores se venden cada año, o lo que es lo mismo, unas 100 veces el número de hormigas que se estima existen en la Tierra. Suficientemente interesante en la historia de la tecnología, el transistor esencialmente no hace mucho más que un interruptor, encenderse y apagarse. La posición on (encendido) del transistor se indica con un 1, y la posición off (apagado) se muestra con un 0. Una gran cantidad de transistores generan los unos y los ceros que utilizan los ordenadores para realizar cálculos, procesar textos, reproducir DVDs y visualizar fotografías. El invento del transistor se atribuye a tres compañeros de trabajo del Bell Lab: John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, quienes obtuvieron el Premio Nobel
en Química por su invento en el año 1956. El nombre de transistor fue obra de John R. Pierce, un investigador en los famosos Laboratorios Bell Telephone. En mayo de 1948, Pierce obtuvo el voto del laboratorio al nombre más llamativo para un invento que, en aquel momento, sólo tenía seis o siete meses de vida. La palabra transistor es una combinación de transconductancia (la variación que experimenta la corriente en la placa) y de resistor variable o varistor. Rock n roll Bardeen y Brattain desarrollaron con éxito el primer transistor (que constaba de una base de germanio sobre la que se apoyaban, muy juntas, dos puntas metálicas fabricadas a mano) en diciembre de 1947, en donde la corriente se transmitía a lo largo de la superficie del semiconductor. El transistor amplifica la señal eléctrica que pasa a través de su superficie. La principal aplicación del transistor fue la amplificación de la señal eléctrica con mayor eficiencia de la que se lograba utilizando las problemáticas y enormes válvulas termoiónicas al vacío empleadas hasta la fecha. Con el objetivo de acelerar lo más posible la evolución del transistor, Bell Labs decidió ofrecer la tecnología de transistor bajo licencia. 26 compañías incluyendo IBM y General Electric,- adquirieron una licencia para utilizar esta tecnología, pagando cada una de estas empresas 25.000 dólares por este privilegio. Pero habría que tener en cuenta que, para que la tecnología del transistor tuviera éxito, necesitaba llamar la atención del público general. Gracias a los aparatos de radio, lo logró. El primer modelo de radio se lanzó en Octubre de 1954 y contenía cuatro transistores. La nueva radio portátil significó que música e información comenzaron a estar disponibles en cualquier sitio- incluso en lugares fuera del alcance de los adultos. Gracias a la portabilidad de la radio, una nueva revolución musical había nacido, el rock n roll.
El circuito integrado A finales de los años 50, los transistores se utilizaban en aparatos de radio, en teléfonos y en ordenadores pero, aunque eran mucho más pequeños que las válvulas al vacío, aún no tenían un tamaño lo suficientemente reducido como para emplearlos en una nueva generación de dispositivos electrónicos. Por ello, se necesitaba una segunda invención para hacer frente al enorme poder en el cálculo de códigos binarios de los transistores a nivel individual y a la vez hacerlos susceptibles de una producción en masa a un coste cada vez más reducido. En el año 1958, Jack Kilby (de Texas Instruments) y Robert Noyce (de Fairchild Semiconductor, que pasaría luego a convertirse en un cofundador de Intel) descubrieron por separado cómo incorporar una gran cantidad de transistores en un circuito integrado (algo que se conocería como procesador.) Este avance representó un enorme paso adelante si lo comparamos con la situación cuando los componentes tenían que ensamblarse a mano uno a uno. Los procesadores tenían dos ventajas: reducción de coste y mejora de rendimiento. Ambas ventajas son el resultado de una miniaturización cada vez mayor, algo que también agilizó en gran medida el proceso de producción. Gordon Moore, cofundador con Noyce de la gran empresa de procesadores Intel en el año 1968, describió en un artículo publicado el año 1965 lo que se conoce como la Ley de Moore, en donde se establece que la cantidad de transistores utilizados en un procesador se va a duplicar cada dos años, algo que, a su vez, proporciona grandes mejoras a la capacidad de procesamiento. La miniaturización de unos componentes metidos en una pequeña superficie, resultó ser el factor decisivo para el despegue definitivo del procesador. Los fabricantes de procesadores han podido mantener este impresionante ritmo de crecimiento durante más de cuarenta años. El primer procesador para informática desarrollado por Intel, el 4004, se elaboró en el año 1971, y contenía 2.300 transistores. Para el año 1989, el i486 tenía 1.200.000 transistores y, en el año 2000, el procesador Pentium alcanzó los 42 millones de procesadores. El nuevo procesador de Intel elaborado con tecnología a 45 nanómetros, ofrece un total de 820 millones de transistores. Coqueteando con los átomos Se ha predicho en muchas ocasiones la desaparición de lo establecido por la Ley de Moore. Por definición, el crecimiento exponencial no puede registrarse de forma continua aunque los fabricantes de procesadores parecen siempre encontrar una fórmula para posponer el futuro. El pasado mes de septiembre, Gordon Moore estimó que su ley podría seguir cumpliéndose durante, al menos, diez o quince años más, el momento justo en el que pueden surgir nuevas barreras para detener el ritmo de crecimiento establecido en su Ley. Pero, durante bastante tiempo, han existido algunas dudas sobre la capacidad de la ley más famosa en informática para garantizar su validez a lo largo del Siglo XXI. Para mantener el impresionante ritmo de crecimiento establecido por la Ley de Moore, los transistores deben reducir a la mitad su tamaño cada 24 meses (aproximadamente.) Esta batalla para la miniaturización ha llevado al límite una parte esencial de los transistores: la pieza de dióxido de silicio (SiO 2 ) que funciona como capa aislante entre la puerta y el canal por donde fluye la corriente cuando el transistor se encuentra encendido. Cada nueva generación de procesadores ha permitido disminuir el
grosor de esta capa aislante y, hasta hace dos generaciones, dicha capa sólo tenía un grosor de 1,2 manómetros 2 ó 5 átomos. Y este fue el límite al que pudieron llegar los ingenieros de Intel, no pudiendo quitar ni un átomo más. Pero, a medida que la capa aislante se hacía más fina, también aumentaron las fugas de corriente. Lo mismo que sucede con un grifo cuando gotea, la capa aislante comenzó a generar fugas de corriente en el transistor, haciendo que el transistor se comporte de forma diferente y disipando cada vez más energía, lo que produce que, a su vez, el procesador consuma cada vez más energía y genere más calor durante su funcionamiento. El límite fundamental Detener las fugas de los transistores representaba el mayor el reto para el sector de los semiconductores: si no aparecía una innovación de importancia para atajar este problema, se podría alcanzar antes de lo estimado el límite del ritmo de crecimiento previsto, lo que podría significar no sólo el final de lo establecido por la Ley de Moore, sino que también podría significar una parada repentina de la revolución digital puesta en marcha durante las décadas anteriores. Asimismo, también significaría el fin de la duplicación del rendimiento de los procesadores para informática cada 24 meses. La solución a esta crisis se encontró aumentando el grosor de la capa aislante, algo que sólo pudo hacerse posible utilizando otro material para elaborar dicha capa, y añadiendo algunos átomos adicionales. En enero de 2007, Intel anunció que, por vez primera en cuarenta años, dejaba de emplear el dióxido de silicio para elaborar la capa aislante, utilizando en cambio el hafnio, un metal gris plateado que tiene unas propiedades eléctricas mejores y que reduce por diez la fuga de corriente. El mismo Gordon Moore denominó a esta innovación como el cambio más importante en la tecnología del transistor desde los últimos años de la década de los 60. Pero este avance sólo representaba la mitad de la solución. El nuevo material resultó ser incompatible con otra parte importante del transistor: la puerta. Lo peor fue comprobar que los primeros transistores que utilizaban el nuevo material aislante ofrecían un rendimiento por debajo del que proporcionaban los antiguos transistores. La respuesta a este problema se encontró utilizando también un nuevo material para la puerta: una combinación única de metales que Intel guarda con el mayor de los secretos. El 12 de noviembre de 2007, Intel presentó una nueva generación de procesadores que utilizan estos nuevos materiales y que han sido elaborados con un proceso de producción a 45 nanómetros. Comparado con el proceso de elaboración anterior a 65 manómetros, esta reducción del proceso de producción permite a Intel casi duplicar la cantidad de transistores desplegados sobre la misma superficie, dando a la opción a la compañía para elegir entre aumentar la cantidad de transistores o reducir el tamaño de los procesadores. Como los transistores de 45 manómetros son más pequeños que los de la generación anterior, precisan un 2 Un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro
30% menos de energía para apagarse y encenderse y, como resultado de ello, los procesadores de la nueva generación fabricados con un proceso a 45 manómetros no sólo establecen nuevos récords en rendimiento, sino que también representan una innovación en consumo de energía. A lo largo de las últimas décadas, los transistores y los procesadores han proporcionado más capacidad de procesamiento a un coste cada vez menor, ofreciendo el motor definitivo para la automatización de la economía mundial. Pero el procesador y el ordenador aún tienen un largo camino por recorrer. A lo largo de los años, el ordenador se ha convertido en un ejecutor excelente de órdenes impartidas por las personas, imprimiendo cartas, enviando correos electrónicos, realizando operaciones en hojas de cálculo y visualizando películas. En el futuro, el ordenador puede convertirse en un asesor para las personas, aprendiendo de nuestros comportamientos y adaptándose según lo aprendido. Los primeros pasos en esta dirección pueden verse en sitios web que utilizan la información proporcionada por el cliente (como los sitios web de Amazon e itunes,) para proporcionar alternativas según las preferencias de cada usuario. La mayor capacidad de procesamiento como resultado de la Ley de Moore también permite a la humanidad ocuparse de mejor manera de los problemas actuales: el clima, las enfermedades hereditarias, los cuidados sanitarios asequibles o el descubrimiento de los misterios de la genética. La forma y la velocidad con la que podemos investigar estos problemas en estos momentos resultaban impensables hace cinco años. Estos tipos de aplicaciones cambian y salvan vidas. Asimismo, cuanto mayor sea la capacidad de procesamiento de ordenadores y procesadores, mejores resultados podremos obtener en estas áreas de investigación tan esenciales para la humanidad. Una década más de Ley de Moore será bienvenida. Cuántos transistores caben en un solo procesador? Primer procesador Intel: 4004 1971 2.300 8086 1978 29.00 i486 1989 1.000.00 Pentium III 1999 9.500.000 Pentium 4 2000 42.000.000 Lanzado el 12 de noviembre, 2007: nuevo Core 2 Duo Extreme 820.000.000 Los procesadores y su tecnología de fabricación: 1993 Pentium 800 nm 1999 Pentium III 250 nm 2002 Pentium 4 130 nm 2003 Centrino 130 nm 2005 Pentium D 90 nm 2006 Core 2 Duo 65 nm 2007 Nueva Generación Core 2 Duo 45 nm (nombre en código Penryn)