Microcomputadoras, el más pequeño todavía

Construir un robot personal por menos de cien euros ya no es cosa de ciencia ficción. Y todo ello gracias a la miniaturización y el surgimiento de microordenadores de bajo coste, como los Raspberry Pi. Estas pequeñas computadoras de placa caben en la palma de la mano y valen unos 20 euros. Sirven para una gran cantidad de proyectos, desde hacer robots, videoconsolas o incluso para labores de ofimática.

Pero si estas máquinas pueden parecer pequeñas, están muy lejos de lo que se ha conseguido por ahora. La competición por fabricar computadoras minúsculas alcanzó un nivel sorprendente en 2018, cuando ingenieros de la Universidad de Michigan lanzaron un ordenador que mide solo 0,3 mm. Es decir, unas quince veces más pequeño que un grano de arroz. Ahora bien, no es un ordenador como a los que estamos acostumbrados. Por ejemplo, tiene memoria RAM temporal, pero no almacena datos. Esto significa que al apagarlo pierde toda la información. Tampoco tiene un enchufe para cargarse, sino que funciona gracias a la energía solar. Hubo que miniaturizar la memoria RAM y la placa fotovoltaica, también el procesador, los transmisores y los receptores inalámbricos. De hecho, debido a que el ordenador era demasiado pequeño para tener una antena de radio funcional, desarrollaron un sistema en miniatura para recibir y transmitir datos mediante ráfagas de luz. Y el desafío técnico fue tremendo para fabricarlo a escala minúscula.

¿Tiene todo esto una utilidad en el mundo real? Por ejemplo, una de las funciones que se está explorando para esta máquina es la de implantarla dentro de tumores para medir su temperatura interna, un tema interesante para la oncología. También quieren ponerlos dentro del ojo de pacientes con riesgo de padecer glaucoma, para medir la presión intraocular de manera constante. Teniendo en cuenta que esta enfermedad es una de las principales causas de ceguera en los mayores de sesenta años, podría suponer un gran avance para la oftalmología. Y la lista de aplicaciones para los ordenadores en miniatura sigue creciendo. Por ejemplo, cada vez se habla más de la ropa inteligente. Desde zapatillas deportivas con un chip que le da a los deportistas la información que necesitan para saber cómo entrenar mejor y evitar lesiones, a bikinis que monitorizan la exposición prolongada a los rayos ultravioletas para avisar de cuándo ponerse a la sombra para evitar lesiones. En este punto, la pregunta es obvia, ¿seguirán haciéndose aún más pequeños los ordenadores del futuro?

Uno de los motivos para desear que las cosas se hagan más pequeñas es que cuesta menos dinero fabricarlas, al menos desde el punto de vista de los materiales utilizados. Y si estamos hablando de potencia, cuanto más pequeño sea un componente, más caben en el mismo espacio. Esto es lo que pasa con los procesadores informáticos, que por así decirlo son los cerebros de los ordenadores. Siguiendo con esta metáfora, los transistores son las neuronas que los hacen funcionar. Estos componentes están hechos de materiales semiconductores los cuales emiten respuestas en función de las señales que reciben. Y justamente la miniaturización tiene que ver mucho con estos componentes.

En 1965, Gordon Moore, cofundador del mayor fabricante de circuitos integrados del mundo, lanzó una predicción que más o menos se ha cumplido hasta el día de hoy. Básicamente dijo que el número de transistores en un microprocesador se duplicaría cada año, y gracias al aumento de estos componentes, se harían cada vez más pequeños y eficientes. Esta predicción, más o menos, se ha cumplido y actualmente se la conoce como la Ley de Moore.

El primer microprocesador de la historia fue creado en 1970, era el Intel 4004 y tenía 2300 transistores. El Intel Core i7 980x del año 2020 tiene 731 millones de transistores. Es decir, 300 000 veces más cantidad. Este dato significa que posiblemente un par de procesadores actuales tienen los mismos transistores que existían hace 40 años en todos los ordenadores del planeta. Pero algunos piensan que esto está a punto de terminar. En 2010, la International Technology Roadmap for Semiconductors, que son unos informes lanzados por los mayores expertos de la industria de semiconductores, lanzó la predicción que afirmaba que la miniaturización se ralentizaría a partir del año 2013. Incluso el propio Gordon Moore anunció la muerte de su ley para la próxima década. El motivo parecía lógico, si aumentas la densidad de los transistores en un procesador, aumenta el calor. Y llegados a ese punto, teóricamente no se puede eliminar la subida de temperatura lo suficientemente rápido para no dañar el procesador. Pero una cosa son las predicciones y otra la realidad. Llegados a 2022, ¿es cierto que los procesadores ya no se hacen más pequeños y potentes?

Gemma Rius es investigadora en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona, uno de los tres institutos que conforman el Centro Nacional de Microelectrónica del CSIC, y tiene mucho que decir sobre la miniaturización de procesadores.«Desde hace mucho tiempo se dice que la ley de Moore está a punto de acabarse. Llevan veinte años diciéndolo, pero se ha seguido avanzando porque se han mejorado las técnicas. Ahora se sigue en esa línea. Por ejemplo, se utiliza litografía basada en ultravioleta en el extremo, que permite hacer los canales de los transistores más pequeños». Es decir, las técnicas de producción de procesadores están cambiando, y lo que antes no era posible ahora sí lo es. ¿Pero es siempre rentable implementar tecnología punta para ganar unos pocos nanómetros más? Rius explica que «a veces hacer un avance técnico puede incrementar demasiado el precio final. Por ejemplo, los procesadores tienen componentes en varias capas, y estas tienen que estar perfectamente alineadas. Cuanto más pequeños los haces y más densos son, más capas se acumulan sobre capas. Pero cuanto más pequeño es, también se hace más difícil alinearlos, y el coste tiene que subir». En resumidas cuentas, aunque se logre gastar menos dinero en materiales al hacer los componentes más pequeños, puede ocurrir que el precio suba igualmente por las tecnologías de fabricación y entonces no salga rentable fabricarlos.

Pero entonces y dejando aparte los costes de producción, ¿dónde está el límite real de la miniaturización? Rius lo tiene claro. «Gracias a los últimos avances se estima que en los próximos dos o tres años se seguirá reduciendo el tamaño de los transistores, aumentando así la potencia de los procesadores. Pero, por mucho que mejores las técnicas de fabricación, a nivel físico sí que existe un límite, que está donde los principios físicos que hacen funcionar los transistores fallan a pequeña escala. Es decir, al pasar una frontera de tamaño, los componentes pierden su función». Y llegados a ese punto, ni todo el dinero del mundo puede ayudar a reducir el tamaño de los procesadores actuales, porque ya no depende de la tecnología, sino de las leyes de la física. No obstante, los ingenieros son obstinados y siguen en su lucha para atrasar el final de la Ley de Moore unos cuantos años más. Rius explica que «otra estrategia para seguir miniaturizando antes de llegar al límite es el uso de nuevos materiales. Inicialmente se usaba dióxido de silicio como dieléctrico para los transistores, pero al ser demasiado delgado tiende a romperse. Ahí entró, por ejemplo, el uso del óxido de hafnio. Este compuesto es un tipo de material que, aunque es delgado, admite campos eléctricos muy grandes. Otra tendencia es la introducción de nanotubos de carbono y el grafeno.Y de ahí se ha pasado al disulfuro de molibdeno y una serie de materiales que nos gustaría que pudieran implementarse, aunque la tecnología necesaria para hacerlo posible se escapa de las técnicas típicas y por ahora implicaría nuevas formas de hacer las cosas».

Los procesadores actuales están a punto de entrar en un periodo donde no se podrá reducir su tamaño, a no ser que se diseñen tecnologías totalmente distintas. Y una de las candidatas que se presentan en el horizonte para revolucionar el futuro es la computación cuántica. Esta viene a ser una nueva forma de hacer las cosas que se basa en el uso de cúbits en lugar de los famosos bits. Simplificándolo mucho, la información en los bits se gestiona y almacena en forma de unos y ceros, pero los cúbits pueden ser unos y ceros al mismo tiempo. Todo ello se basa en las propiedades cuánticas de la materia a escalas minúsculas, y aunque pueda parecer una tontería, este cambio en el concepto permite procesar la información mucho más rápido. Además, este cambio tecnológico también implica una revolución en las técnicas de fabricación de ordenadores.

En noviembre de 2021, el fabricante IBM presentó el Quantum System Two, un ordenador cuántico que está diseñado para funcionar con procesadores cuánticos de 433 cúbits y 1121 cúbits. El truco está en que esos procesadores no existen todavía, pero la compañía asegura que los tendrá listos antes de 2024. ¿Cómo de potentes serían esos procesadores en comparación con los actuales? Si tenemos en cuenta que un procesador de 50 cúbits puede superar a nivel teórico a muchos supercomputadores en la resolución de algunos problemas, estaríamos hablando de cientos de miles de veces más potencia. Pero no todo son buenas noticias. Una cosa poco conocida de los prototipos que existen de ordenadores cuánticos es que son delicados hasta límites insospechados. Solo existen aproximadamente un centenar de estas máquinas y la mayoría carece de utilidad práctica más allá de la científica. Además, son tremendamente caros y requieren ajustes constantes, configuraciones complejas e instalaciones muy costosas donde la temperatura debe mantenerse muy baja. Todo esto puede llevar a que sea imposible aplicar esta tecnología en los ordenadores de consumo doméstico, al menos durante las próximas décadas. Además, si bien la tecnología de procesadores actuales está refinada, los científicos e ingenieros que están afinando la computación cuántica pueden encontrarse con problemas técnicos que hagan que todo su potencial se venga abajo. Esto no sería raro, pues ya ha ocurrido otras veces con tecnologías que parecía que iban a cambiar el mundo y se quedaron en nada.

Nadie sabe si los ordenadores domésticos del futuro serán cuánticos o tendrán cualquier otra tecnología capaz de cambiarlo todo. Lo que está claro es que los nuevos materiales aún alargarán unos años más la miniaturización de los procesadores actuales. Pero cuando las leyes de la física dejen de permitirlo, solo el tiempo dirá si estamos frente al final de la ley de Moore.

También puede que alcanzar los límites físicos de la miniaturización lleve a los científicos e ingenieros a buscar otras formas de fabricar ordenadores que revolucionen el futuro próximo. Como ha ocurrido tantas veces en la historia, tal vez el ser humano encuentre en los límites de lo posible nuevas puertas que le lleven aún más lejos de lo que jamás había imaginado.



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