Mini-transistores, artífices de la mayor revolución tecnológica del siglo XX
En: OpenMind BBVA. Ignacio Mártil. 07 July 2022
Aunque no somos conscientes, nuestra vida diaria está muy condicionada por un dispositivo electrónico de tamaño microscópico: el transistor, dispositivo de cuya invención se cumple este año su 75 aniversario. Los transistores son los componentes esenciales de los chips que invaden el mundo actual y que tanto han dado que hablar en los últimos tiempos debido a su escasez en el mercado por causas diversas. En este artículo muestro algunas peculiaridades de estos asombrosos componentes electrónicos.
LOS TRANSISTORES EN NUESTRAS MANOS
“Economía digital”, “banca digital”, “transformación digital de las empresas”, “televisión digital terrestre”. Seguro que ha leído u oído estas expresiones y otras relacionadas cientos de veces, casi a diario. Seguro que el término “digital” le suena como sinónimo de novedoso, actual, puntero, competitivo, etc. No le falta razón, es así en buena medida.
Lo que tal vez no conozca es que el mundo digital es posible gracias a la existencia de un pequeñísimo dispositivo electrónico, conocido con el nombre de transistor. Tal vez tampoco lo sepa, pero los lleva en el bolsillo de su pantalón o en su bolso de mano: miles de millones trabajan para usted a diario. Con su ayuda, podrá hablar con la persona que desee, tanto si se encuentra en la calle de al lado, como si pasea por la avenida principal de Melbourne o de San Francisco, le permitirán mantener una conversación telefónica o una vídeo llamada con una calidad de sonido y de imagen excelentes. Gracias a los transistores que lleva en su teléfono, las fotos de sus hijos, pareja, amigos, etc. le acompañan permanentemente. También funcionan con ellos el GPS de su automóvil, el ordenador de su casa o su trabajo, la televisión donde ve sus series favoritas, puede que hasta su reloj.
El transistor está en el corazón de todos los equipos y plataformas que han impulsado la verdadera revolución tecnológica, de costumbres, de hábitos de trabajo y de ocio en la que estamos inmersos. Con la ayuda de los transistores, además de efectuar llamadas telefónicas y enviar correos electrónicos, usted puede acceder a las numerosas aplicaciones de las redes sociales (todas las vinculadas a Internet: WhatsApp, Telegram, Facebook, Instagram, Twitter, etc.); gracias al transistor, puede disfrutar (o padecer) de los contenidos de plataformas tales como Netflix, HBO, Amazon, Filmin, etc. El transistor está dentro de todos los circuitos integrados (también conocidos como chips, en su terminología en inglés) que posibilitan la utilización sencilla y cómoda de los aparatos, aplicaciones y plataformas señalados. Digámoslo claramente: sin el transistor, Internet no existiría.
El transistor es, posiblemente, la invención más importante del siglo XX y a menudo se reseña como el ejemplo por excelencia de cómo la investigación científica puede conducir a productos comerciales útiles. Surgió en 1947 en Bell Telephone Laboratories, los laboratorios de investigación de una gran empresa de telecomunicaciones estadounidense (A. T. & T.), de la mano de tres grandes científicos: William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain. Recientemente mostré los detalles de esa invención en esta charla.
¿QUÉ TAMAÑO TIENEN LOS TRANSISTORES ACTUALES?
Los chips actuales ocupan un espacio de unas pocas decenas de milímetros cuadrados y dentro de cada uno hay miles de millones de transistores, por lo que surge una pregunta inmediata: ¿Cómo es posible que haya tan descomunal cantidad en un espacio tan reducido? Porque son asombrosamente pequeños, ya que cada uno ocupa unas pocas decenas de nanómetros, tamaño similar al de una proteína o un virus. Es decir, no los vemos, pero nos acompañan en el día a día, desde que nos levantamos hasta que nos acostamos. En la siguiente figura se muestra uno de tales dispositivos, en una escala comparativa. No hacen falta más palabras:
Comparación del tamaño de un transistor con biología microscópica
En la siguiente figura, se muestra el aspecto que tiene un chip actual visto al microscopio. Ni siquiera con los aumentos que proporciona este instrumento resulta posible ver los transistores que lleva en su interior.
¿Por qué son tan pequeños? Por muchas razones, algunas de las cuales guardan relación con la evolución histórica de la tecnología que los hace posibles. En el siguiente punto, me detengo en ese aspecto, para lo cual describo cómo ha evolucionado la cantidad de transistores que se incluyen en los chips hasta el día de hoy y detallo algunas de las causas que están detrás de la búsqueda de un tamaño tan reducido
LA LEY DE MOORE, UNA PROFECÍA AUTOCUMPLIDA
Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel (el principal fabricante de chips del mundo) publicó en 1965 un célebre artículo que, con el paso de los años, se ha convertido en una especie de profecía: el número de transistores que se integran en un chip se duplica cado dos años. Ese artículo, una verdadera joya de la historia de la electrónica, es probablemente uno de los que más ha influído en el desarrollo posterior de esta rama de la ciencia y la tecnología.
El aumento del número de transistores en los chips sigue desde entonces esa tendencia, que se conoce como Ley de Moore. Esta previsión ha actuado en la industria microelectrónica como una especie de “profecía autocumplida”, es decir, los fabricantes se han empeñado en hacerla realidad un año tras otro. Claro que esto no se debe solo a satisfacer una previsión, sino a buscar (y encontrar) el beneficio a esta tendencia, que actúa sobre la industria casi como una especie de “mandato divino”. Cuando se lee el artículo de Moore no deja de asombrar que las previsiones que hacía en él no solo se han cumplido, sino que lo llevan haciendo un año tras otro desde hace más de medio siglo. No es fácil encontrar en cualquier otra rama industrial la “persecución” de un pronóstico con tanto empeño como este.
Aumentar de manera tan descomunal el número de transistores en un chip ha sido posible gracias al gran desarrollo que ha experimentado su proceso de fabricación, mediante el uso de un compendio de tecnologías verdaderamente asombrosas, que describí a grandes rasgos en este artículo.
LA NECESIDAD DE HACER LOS TRANSISTORES CADA VEZ MÁS PEQUEÑOS
Los chips actuales tienen cada vez más transistores y esto solo es posible gracias a la reducción del tamaño de estos, lo que trae ventajas, aunque a costa de aumentar la complejidad del proceso de fabricación. Cuanto más pequeños sean los transistores, más pequeño será el chip en sí, y más chips caben en una oblea. Mientras tanto, el coste de procesar una oblea sigue siendo aproximadamente el mismo, independientemente de la cantidad de chips que se puedan obtener de cada oblea. Esto significa que reducir el tamaño de los componentes da como resultado chips más baratos. Alternativamente, pueden mantenerse los chips con el mismo tamaño, de modo que tengan más transistores en su interior. Esto los hace mucho más potentes pero no (mucho) más caros. Además de eso, la reducción de la escala de los transistores mejora su rendimiento sin aumentar su consumo de energía.
Es decir, hay grandes incentivos para que los fabricantes de chips reduzcan el tamaño de sus transistores. Y eso es exactamente lo que han estado haciendo en las últimas décadas, en las que el número de transistores en un chip ha aumentado de cientos a miles de millones, reduciendo su tamaño a unas dimensiones asombrosas, como ya hemos visto en la primera figura de este artículo. Reducir el tamaño de estos ya de por sí minúsculos dispositivos sigue siendo la forma más segura de obtener más potencia de cálculo del chip, porque los electrones circulan de manera más rápida y eficiente a través de ellos.
EL ¿PREVISIBLE? FUTURO
A principios de este siglo se pronosticó que el final de la Ley de Moore llegaría hacia 2015. El autor de la predicción es Mark Lundstrom, un profesor de la Universidad de Purdue que, en su carrera, pensó varias veces lo que muchos otros del sector: “Este es el final”. Lundstrom comenzó a trabajar en la industria microelectrónica en la década de 1970 y asistió a su primera conferencia de fabricación de chips en 1975. Allí se encontró con Moore, a quien no conocía. De aquel encuentro relata lo siguiente:
Había un tipo llamado Gordon Moore dando una conferencia. Era muy conocido dentro de la comunidad técnica, pero nadie más sabía quién era; recuerdo algo que dijo en su charla: “Pronto podremos colocar 10.000 transistores en un chip. ¿Qué podría hacer alguien con 10.000 transistores en un chip?”
Hoy en día, hay chips en el mercado con más de 15.000 millones de transistores. Podríamos preguntar a sus diseñadores y a sus fabricantes qué se puede hacer con ellos hoy y qué se podrá hacer en un futuro cada vez más cercano: telefonía 5G, Inteligencia Artificial, Internet de las Cosas…Todos esos avances seguirán haciendo uso de chips cada vez más potentes con transistores cada vez más pequeños. Es decir, los transistores nos seguirán acompañando en nuestras vidas y en las de nuestros hijos y en las de nuestros nietos y ¿quién sabe hasta cuándo los llevaremos en nuestros bolsillos?
Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física
Autor del libro Energía solar: De la utopía a la esperanza (Análisis y crítica)
