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Nanómetros: Qué son y en qué afectan en nuestra CPU

¿Has oído hablar alguna vez sobre los nanómetros de un procesador? Pues en este artículo te vamos a contar todo acerca de esta medida. Y lo más importante, qué influencia tienen los nanómetros en los chips electrónicos y los distintos elementos a los que nos referimos con estas medidas.

Nanómetros

Qué es el nanómetro

Comencemos precisamente definiendo qué son los nanómetros, porque este simple hecho va a dar muchísimo juego no solo para la informática, sino también en la biología y las demás ciencias que estudia la materia.

El nanómetro (nm) es una medida de longitud que forma parte del Sistema Internacional (SI). Si tenemos en cuenta que el metro es la unidad estándar o básica en la escala, un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro o lo que sería lo mismo:

En términos comprensibles para un ser humano normal, algo que mide un nanómetro, solamente podemos verlo mediante un microscopio electrónico de gran potencia. Por ejemplo, un pelo humano puede tener un diámetro aproximado de 80.000 nanómetros, así que imaginaos qué tan pequeño es un componente electrónico que tan solo mide 14 nm.

Esta medida ha existido siempre, es obvio, pero para la comunidad de hardware ha tenido una especial relevancia en los últimos años. Debido a la fuerte competencia de los fabricantes por crear circuitos integrados basados en semiconductores o transistores cada vez más pequeños.

El transistor

Nanómetros
Transistor y esquema electrónico

Seguramente hayas escuchado hablar por activa y por pasiva de los transistores de un procesador. Podemos decir que un transistor es el elemento más pequeño que se puede encontrar en un circuito electrónico, por supuesto, obviando los electrones y la energía eléctrica.

Los transistores son elementos fabricados de material semiconductor como por ejemplo Silicio o Germanio. Se trata de un elemento que puede comportarse como un conductor de electricidad o como un aislante de la misma, dependiente de las condiciones físicas a las que sea sometido. Por ejemplo, un campo magnético, temperatura, radiación, etc. Y por supuesto con un determinado voltaje, siendo el caso de los transistores de una CPU.

El transistor se encuentra presente en absolutamente todos los circuitos integrados que hay en la actualidad. Su enorme importancia radica en lo que es capaz de hacer: generar una señal de salida como respuesta a una señal de entrada, es decir, permite o no el paso de corriente ante un estímulo, creando así el código binario (1 corriente, 0 no corriente).

Las puertas lógicas y los circuitos integrados

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puertos NAND

A través de un proceso de litografía, es posible crear circuitos con una determinada estructura compuesta por varios transistores para formar las puertas lógicas. Una puerta lógica es la siguiente unidad tras el transistor, un dispositivo electrónico que es capaz de realizar una determinada función lógica o booleana. Con unos cuantos transistores unidos de una forma u otra, podremos sumar, restar, y crear puertas SI, AND, NAND, OR, NOT, etc. De esta forma es como se dota de lógica a un componente electrónico.

Así es como se crean los circuitos integrados, con una sucesión de transistores, resistencias y condensadores que son capaces de formar lo que hoy llamados chips electrónicos.

Litografía o fotolitografía

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Oblea de Silicio

La litografía es la forma de construir estos chips electrónicos tan sumamente pequeños, concretamente ha derivado en la denominación de fotolitografía y luego de nanolitografía, ya que esta técnica en sus inicios servía para grabar contenido en piedras o metales.

Lo que actualmente se hace es usar una técnica similar para crear los semiconductores y los circuitos integrados. Para ello, se utilizan obleas de silicio de nanómetros de espesor que, a través de procesos basados en la exposición a la luz de determinados componentes y el uso de otros compuestos químicos, son capaces de crear circuitos de tamaños microscópicos. A su vez, se van apilando estas obleas hasta conseguir un chip 3D endemoniadamente complejo.

¿Cuantos nanómetros tienen los transistores actuales?

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Los primeros procesadores basados en semiconductores aparecieron en el año 1971 de la mano de Intel con su novedoso 4004. El fabricante consiguió crear transistores de 10.000 nm, o 10 micrómetros, consiguiendo así tener dentro de un chip hasta 2.300 transistores.

De esta forma comenzó la carrera por la supremacía en microtecnología, actualmente renombrada a nanotecnología. En 2019, tenemos chips electrónicos con proceso de fabricación de 14 nm que llegaron con la arquitectura Broadwel de Intel, 7 nm, con la arquitectura Zen 2 de AMD, e incluso se están realizando pruebas con 5 nm por parte de IBM y otros fabricantes. Para que nos pongamos en situación, un transistor de 5 nm sería solo 50 veces más grande que la nube de electrones de un átomo. Hace unos años, ya se consiguió crear un transistor de 1 nm, aunque es un proceso puramente experimental.

¿Creéis que todos los fabricantes fabrican sus propios chips? Pues lo cierto es que no, y en el mundo, podemos encontrar cuatro grandes potencias que se dedican a la fabricación de chips electrónicos.

  • TSMC: esta empresa de micro tecnología es uno de los principales ensambladores de chips del mundo. De hecho, fabrica los procesadores de marcas como AMD (la parte de los núcleos), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei o Texas Instrument. Es el fabricante clave en los transistores de 7 nm.
  • Global Foundries: ese es otro de los fabricantes de obleas de silicio con más clientes, entre los que también están AMD, Qualcomm y otros. Pero en este caso con transistores de 12 y 14 nm entre otros.
  • Intel: el gigante azul tiene su propia fábrica de procesadores, por lo que no depende de otros fabricantes para crear sus productos. Quizás sea este el motivo por lo que la arquitectura de 10 nm está tardando tanto en desarrollarse frente a sus competidores que van por los 7nm. Pero tened seguro que estas CPU serán brutales.
  • Samsung: la empresa coreana también tiene una fábrica propia de silicios, por lo que estamos en los mismos términos que Intel. Creando sus propios procesadores para smartphone y otros dispositivos.

Ley de Moore y el límite físico

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Transistor de grafeno

 

La famosa Ley de Moore nos dice que cada dos años se duplica la cantidad de electrones en los microprocesadores, y lo cierto es que esto se ha estado cumpliendo desde los inicios de los semiconductores. En la actualidad, se comercializan chis con transistores de 7 nm, concretamente AMD dispone de procesadores en esta litografía para equipos de escritorio, los AMD Ryzen 3000 con la arquitectura Zen 2. De igual forma, fabricantes como Qualcomm, Samsung o Apple, también tienen procesadores de 7 nm para dispositivos móviles.

Los 5 nm nanómetro están fijados como el límite físico para fabricar un transistor basado en Silicio. Debemos saber que los elementos están compuestos de átomos, y estos presentan un determinado tamaño. Los transistores experimentales más pequeños del mundo miden 1 nm, y están fabricados en grafeno, un material basado en átomos de carbono mucho más pequeños que los de silicio.

Modelo Tick-Tock de Intel

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Modelo Tick Tock de Intel

Este es el modelo que el fabricante Intel adoptó desde 2007 para crear y evolucionar la arquitectura de sus procesadores. Este modelo se divide en dos pasos los cuales se basa en disminuir el proceso de fabricación, y luego optimizar la arquitectura.

El paso Tick se produce cuando el proceso de fabricación disminuye, por ejemplo de 22 nm a 14 nm. Mientras que el paso Tock lo que hace es mantener ese mismo proceso de fabricación y optimizarlo en la siguiente iteración en lugar de disminuir aún más los nanómetros. Por ejemplo, la arquitectura Sandy Bridge de 2011 era el Tock (una mejora de los 32 nm de Nehalem), mientras que Ivy Bridge fue el Tick en 2012 (disminución a 22 nm).

A priori, este plan lo que pretendía era hacer un año Tick y el sigue Tock, pero ya sabemos que el gigante azul ha abandonó esta estrategia a partir de 2013 con la continuación de los 22 nm en Haswell y el paso a los 14 nm en 2014. Desde entonces, todo el paso ha sido Tock, es decir, los 14 nm han seguido optimizándose hasta llegar a la 9ª generación Intel Core en 2019. Se espera que este mismo año o principios de 2020 haya un nuevo paso Tick con la llegada de los 10 nm.

El próximo paso: ¿el ordenador cuántico?

Posiblemente la respuesta a las limitaciones de la arquitectura basada en semiconductores esté en la computación cuántica. Este paradigma cambia completamente la filosofía de la computación desde los inicios de las computadoras, basada siempre en la máquina de Turing.

Un ordenador cuántico no se basaría en transistores, ni tampoco en bits. Pasarían a ser moléculas y partículas y Qbits (bits cuánticos). Esta tecnología trata de controlar el estado y las relaciones de las moléculas en la materia mediante electrones para obtener un funcionamiento similar al de un transistor. Eso sí, 1 Qbit para nada es igual a 1 bit, ya que estas moléculas pueden crear no dos, sino tres o más estados diferentes, multiplicando así la complejidad, pero también la capacidad de realizar operaciones.

Pero para todo esto tenemos algunas pequeñas limitaciones, como por ejemplo necesitar temperaturas cercanas al cero absoluto (-273oC) para controlar el estado de las partículas, o tener el sistema montado al vacío.

¿En qué influyen los nanómetros en los procesadores?

Dejamos atrás éste apasionante y complejo mundo de la electrónica en la que sólo los fabricantes y sus ingenieros saben realmente lo que hacen. Ahora veremos qué beneficios tiene el disminuir los nanómetros de un transistor para un chip electrónico.

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Transistores de 5 nm

Mayor densidad de transistores

La clave son los transistores, ellos determinan la cantidad de puertos lógicos y circuitos se que pueden meter dentro de un silicio de solo unos milímetros cuadrados. Estamos hablando de casi 3 mil millones de transistores en una matriz de 174 mm2 como es el Intel i9-9900K de 14 nm. En el caso de los AMD Ryzen 3000, alrededor de 3,9 miles de millones de transistores en una matriz de 74 mm2 con 7 nm. 

Mayor velocidad

Esto lo que hace es dotar de mucha más potencia de procesamiento el chip, ya que es capaz de trabar con muchos más estados en un chip de mayor densidad de semiconductores. De esta forma se consigue mayor cantidad de instrucciones por ciclo, o lo que es lo mismo, subimos el IPC del procesador, como por ejemplo ocurre si comparamos los procesadores Zen+ y Zen 2. De hecho, AMD afirma que sus nuevas CPU han aumentado su IPC por núcleo en hasta un 15% respecto a la generación anterior.

Mayor eficiencia energética

Al disponer de transistores con menos nanómetros, la cantidad de electrones que pasan por ellos es menor. En consecuencia, el transistor cambia de estado con un menor suministro de energía, así que esto mejora muchísimo la eficiencia energética. Digamos entonces, que podemos hacer el mismo trabajo con menor energía, por lo que estamos generando más potencia de procesamiento por vatio consumido.

Eso es muy importante de cara a equipos que funcionan con batería, como portátiles, Smartphone, etc. La ventaja de tener procesadores de 7 nm, ha hecho que tengamos móviles con increíbles autonomías, y un rendimiento espectacular con los nuevos Snapdragon 855, los nuevos A13 Bionic de Apple y los Kirin 990 de Huawei.

Chips más pequeños y frescos

Por último y no menos importante, tenemos la capacidad de miniaturización. De la misma forma en que podemos meter mas transistores por unidad de área, también podemos disminuir esta para tener chips más pequeños y que generen menos calor. A esto le llamamos TDP, y es el calor que un silicio puede generar con su carga máxima, ojo, no es la potencia eléctrica que consume. Gracias a esto, podemos hacer dispositivos más pequeños y que se calienten mucho menos teniendo la misma potencia de procesamiento.

También hay desventajas

Todo gran paso adelante tiene sus riesgos, y en la nanotecnología se puede decir lo mismo. El contar con transistores de menos nanómetros, provoca que el proceso de fabricación sea mucho más difícil de realizarse. Necesitamos medios técnicos mucho más avanzados o costosos, y la cantidad de fallos se incrementan de forma sustancial. Un ejemplo claro es que el rendimiento por oblea de chips correctos ha disminuido en los nuevos Ryzen 3000. Mientras que en Zen+ de 12 nm teníamos en torno al 80% de chips perfectamente funcionales por oblea, en Zen 2 este porcentaje habría disminuido al 70%.

De igual forma, la integridad de los procesadores también se ve comprometida, necesitan así sistemas de alimentación más estables, y con una mejor calidad en la señal. Es por ello que los fabricantes en las nuevas placas con chipset AMD X570 han puesto en especial cuidado en crear un VRM de calidad.

Conclusiones acerca de los nanómetros

Como vemos la tecnología avanza a pasos agigantados, aunque en muy pocos años nos encontraremos con procesos de fabricación que estarán ya en el límite físico de los materiales usados con transistores de incluso 3 o 1 nanómetros. ¿Qué será lo siguiente? Pues ciertamente no lo sabemos, porque la tecnología cuántica está un muy verde y es prácticamente imposible construir un computador de este tipo fuera de un entorno de laboratorio.

Lo que nos quedará por ahora es ver si en tal caso se aumenta aún más el número de núcleos, o se comienza a utilizar materiales como el grafeno que admiten una mayor densidad de transistores para circuitos electrónicos.

Sin más, os dejamos con otros artículos interesantes:

¿Crees que llegaremos a ver procesadores de 1 nm? ¿qué procesador es el que tienes tú? Esperamos que el artículo haya sido interesante, coméntanos que te ha parecido.

José Antonio Castillo

Graduado en Ingeniería en Tecnologías Industriales. Amante de la informática, el gaming y casi cualquier deporte de motor.
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