El chip de 5 nanómetros de Apple es otro indicador de que la ley de Moore se está agotando

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Los nuevos iPhones 5G de Apple, que se lanzarán mañana, introducen un nuevo término tecnológico importante. No 5G, que ha estado disponible en otras empresas durante más de un año. En cambio, el teléfono contiene el primer procesador del mundo construido con transistores de 5 nanómetros (nm): el A14. (El chip también aparece en el próximo iPad Air 4.) Durante el próximo año, estos diminutos transistores aparecerán en PC, servidores y teléfonos inteligentes de última generación de muchos proveedores.

Durante décadas, los transistores más pequeños han permitido todo tipo de avances tecnológicos impresionantes. Siguiendo una cadencia implacable conocida como Ley de Moore, las contracciones de transistores permitieron a los fabricantes de chips empaquetar más núcleos y nuevas capacidades en sus chips mientras mantenían o incluso reducían el costo y la potencia. Entre otras cosas, la Ley de Moore fue un factor clave en la transición de teléfonos voluminosos que apenas podían enviar mensajes de texto a las elegantes supercomputadoras que guardamos hoy en día.

Pero recientemente, esta tendencia ha fracasado a medida que el tamaño del transistor se acerca a los límites naturales: 5 nm es el tamaño de 10 átomos grandes. Construir algo tan pequeño, miles de millones a la vez, requiere equipos nuevos y extremadamente costosos. Después de invertir dinero en el problema de fabricación, los fabricantes de chips también enfrentan límites en cuanto a la rapidez con que los datos pueden moverse a través del chip y cuánta energía se necesita para moverlos. Como resultado, la nueva tecnología de 5nm ofrece pocos beneficios en cuanto a costo o velocidad. Este déficit dificultará que los fabricantes de chips obtengan grandes beneficios de rendimiento.

Construyendo pequeños transistores

Las fábricas de chips, o fab, brillan una luz brillante a través de una “máscara” que crea líneas y sombras en el chip, quemando la superficie excepto en las sombras. Sin embargo, a 5 nm, algunas de las líneas son más pequeñas que la longitud de onda de la luz visible. Por lo tanto, la industria se está moviendo hacia un nuevo enfoque que utiliza luz ultravioleta extrema (EUV), que es similar a los rayos X. Simplemente generar luz EUV es difícil, ya que requiere un rayo láser que convierte gotas de estaño en plasma brillante. La construcción de espejos, lentes y máscaras para estos rayos X cercanos es otro gran desafío.

Solo una empresa en el mundo (ASML en los Países Bajos) puede producir equipos de fabricación de EUV; una sola máquina de este tipo pesa 180 toneladas y cuesta hasta $ 120 millones, y una fábrica de vanguardia necesita varias de ellas. Por lo tanto, el costo de una sola capa EUV en un chip es aproximadamente tres veces el costo de una capa que usa procesamiento tradicional. La tecnología de 7 nm de la generación anterior requiere EUV para solo cuatro capas, pero 5 nm requiere de 10 a 12 capas EUV. Estos aumentos de costos cancelan la mayoría de los beneficios de los transistores más pequeños; Mientras que la Ley de Moore históricamente produjo reducciones del 40% en el costo del transistor, el beneficio de 5 nm probablemente será solo del 10%.

Los transistores más pequeños también son más rápidos, pero eso no ayuda a los últimos procesadores. Piense en un transistor como un policía de tráfico en una intersección que indica a los autos rojos que vayan a la derecha y a los autos azules que giren a la izquierda. Si la intersección tiene 10 carriles de ancho, el policía tardará más en cruzar los carriles y dirigir los autos. A medida que la intersección se hace más pequeña, el policía puede quedarse quieto y señalar. De esta manera, los transistores más pequeños pueden cambiar datos más rápido.

El problema es que las carreteras también se hacen más pequeñas. Los chips utilizan cables que deben encogerse al mismo ritmo que los transistores que conectan. Como una carretera de dos carriles que reemplaza a una superautopista, los cables más delgados se convierten en un cuello de botella. Algunas fábricas están introduciendo cobalto en lugar de cobre para las interconexiones, pero este nuevo material agrega más costos y complejidad al proceso de fabricación.

Estos problemas se agravan en el futuro. Los transistores de 3 nm de próxima generación, que probablemente comenzarán a enviarse en 2023, requerirán aún más capas EUV y otras características nuevas que agregan costos. Como resultado, Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. (TSMC) gastó $ 10 mil millones para construir su fábrica de 5 nm y ha presupuestado $ 20 mil millones para su fábrica de 3 nm; estos aumentos dificultan la reducción del coste de los chips. Exprimir los datos a través de conexiones aún más estrechas podría anular cualquier mejora en la velocidad del transistor.

¿Qué viene después del final?

La Ley de Moore continúa ofreciendo transistores más pequeños, con el procesador de 5 nm de Apple mostrando el camino. Pero las ganancias en la velocidad del reloj en esta generación son solo alrededor del 10%, y la mejora de costos también es modesta. En una o dos generaciones más, es probable que estos logros desaparezcan por completo. Incluso si las fábricas pueden encontrar una manera de construir transistores más pequeños, sus heroicos esfuerzos finalmente se volverán demasiado costosos para sus clientes.

Para empresas como AMD, Intel y Nvidia, el camino a seguir requerirá mejorar los diseños de los chips en lugar de depender simplemente de transistores más rápidos y baratos. Los chips más rápidos deberán optimizarse para las cargas de trabajo de sus clientes, proporcionando nuevos diseños que puedan acelerar un software específico. Para entregar tales diseños, los diseñadores de chips deben tener un conocimiento profundo de la aplicación final de sus productos. Simplemente girar la manivela en un diseño de uso general no será suficiente.

Este entorno emergente recompensará a las empresas audaces que estén dispuestas a probar nuevas arquitecturas y nuevas técnicas. Las empresas exitosas también deben prestar mucha atención a las necesidades de los CIO y otros clientes. Nvidia ejemplifica mejor este enfoque, agregando nuevas funciones a sus chips para acelerar las cargas de trabajo específicas de IA, así como el trazado de rayos para juegos de PC. Para comprender mejor los desafíos de sus clientes, la empresa utiliza sus propios chips para construir sistemas e incluso un centro de datos completo.

La buena noticia para los CIO es que los proveedores de procesadores ahora están impulsando soluciones específicas de aplicaciones para satisfacer sus necesidades. El desafío radica en evaluar estas plataformas; simplemente comprobar el número de núcleos y la velocidad del reloj ya no es suficiente para determinar el rendimiento. Las pruebas prácticas de software específico ayudarán a separar los diseños avanzados de aquellos que todavía están esperando que la Ley de Moore los salve.

Divulgación: Linley Group, un proveedor de servicios de investigación, recibe ingresos de la mayoría de las empresas de tecnología mencionadas en este artículo..

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