No es marketing, es física: por qué la obsesión por encoger los nanómetros de los procesadores está chocando contra un muro

Scott Lang está atrapado y se le ocurre una forma de escapar. De repente se enfunda su traje de Ant-Man, coloca una partícula Pym en su cinturón y aprieta el botón que le hace encoger como si no hubiera mañana. Hay un momento en el que es tan pequeño que su tamaño ya sólo puede medirse en nanómetros y aunque él sigue, nosotros nos detendremos ahí. Sin especulación ni fantasía, sin mundo cuántico ni viajes en el tiempo.

Porque los nanómetros son eso, una unidad de medida, y su nombre lleva tiempo siendo importante a la hora de describir el rendimiento de los chips, ya sean móviles o de escritorio. Y aunque pueda sonar extraño, más pequeño en este caso es igual a mejor pese a que siempre haya matices. Veamos qué son exactamente los nanómetros y cómo afectan al rendimiento de los procesadores.

A qué nos referimos cuando hablamos de nanómetros

La carrera de los nanómetros es una de las más importantes que se están llevando a cabo en el mundo de los procesadores además de otras como la frecuencia de reloj. La última generación de chips móviles, por ejemplo, con los Snapdragon 8 Elite Gen 5 o el Dimensity 9500, está construida empleando el proceso tres nanómetros de TSMC (nodo N3). Y próximamente, se avecina un descenso en la litografía hasta los 2 nm que Apple tiene asegurados.

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Porque cuando hablamos de nanómetros en un procesador nos referimos al tamaño de sus componentes más pequeños, a los transistores que componen la gran mayoría de su superficie. Para poder fabricarlos más pequeños cada vez es necesario desarrollar máquinas que sean capaces de llevar a cabo el proceso, y a su vez desarrollar técnicas que eviten los problemas lógicos de contar con componentes de este tamaño.

Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro (un $10^{-9}$), para que nos hagamos una idea. Para ser conscientes de su tamaño, en un milímetro caben un millón de nanómetros. Así de minúsculo es un nanómetro. Eso significa que los últimos transistores fabricados para los nuevos Snapdragon 8 Elite o Apple A19 Pro miden apenas 3 veces ese tamaño. O sea, son la friolera de 333.333 veces más pequeños que un milímetro. Una barbaridad.

Imagen: TSMC

Fabricar componentes tan pequeños no sólo requiere de maquinaria cada vez más avanzada sino que hace que nos enfrentemos a problemas como que un átomo de helio mide 0,1 nanómetros de tamaño. Así que, si el transistor de un Snapdragon 888 (de 2020) medía el equivalente a 50 átomos de helio, en esta nueva generación de 3 nm esa distancia se reduce a una fila de apenas 30 átomos de helio.

El número sigue descendiendo generación tras generación y el margen se agota: a estas escalas, los electrones ya empiezan a sufrir el efecto túnel cuántico —escapándose de los canales por los que deberían ir—, lo que nos empuja a un escenario donde domar la física cuántica ya no es una opción de futuro, sino el único camino para que el silicio siga siendo viable. Otros protagonistas de la industria han tomado caminos distintos: Huawei pasa de la tradicional Ley de Moore para traer su propia Ley Tau.

Así funciona un procesador, grosso modo

Sin entrar en cuestiones excesivamente técnicas y que sólo comprenderían unos pocos (y yo no estaría entre ellos), un procesador es una compleja red de transistores enlazados de tal manera que son capaces de ejecutar complejísimas operaciones matemáticas. La electricidad recorre la superficie del procesador y los problemas se van ejecutando a toda velocidad, pues la electricidad es la madre de todo este asunto.

Todo esto es mucho más complejo pues en el procesador hay memorias para almacenar datos, unidades de control que coordinan cada componente y el famoso reloj interno que determina los GHz del procesador (cada hercio es una activación del procesador por segundo, un gigahercio son mil millones de activaciones por segundo). Pero en resumidas cuentas, así es cómo funciona y cómo está fabricado.

Hablamos de código binario en multitud de instancias tecnológicas y también sucede así en el mundo de los procesadores. La electricidad recorre los transistores ejecutando las operaciones y cuando la luz pasa por uno, éste se enciende y tenemos un uno, y cuando no pasa, éste se apaga y tenemos un cero. Y así, entre ceros y unos, el procesador va llevando a cabo cada una de sus operaciones.

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Entender esto es clave para comprender la importancia de los nanómetros pues cuanto menor sea el transistor, más rápidamente pasará la energía por él y, por tanto, más rápidamente resolverá las ecuaciones planteadas por el algoritmo que tratamos de ejecutar en él. Así que ya tenemos la primera de las claves, al reducir los transistores reducimos también la distancia que recorre la luz mientras que el procesador funciona. Luego aumenta la potencia de procesado del mismo, y también se aprovecha para reducir el consumo.

Por otro lado, lograr fabricar transistores cada vez más pequeños permite que ocupen menos espacio y, por tanto, que podamos meter más transistores en la misma superficie, o bien que mantengamos el mismo número de transistores pero el procesador se haga más pequeño. Aunque esto último no ocurre prácticamente nunca y a cada nanómetro que se pierde en la fabricación, aumenta la densidad de cada procesador. Así que ya tenemos la segunda clave: transistores más pequeños equivalen a más transistores por procesador, y a una mayor capacidad para resolver ecuaciones. Es decir, más potencia de nuevo.

Así pues, llegamos a la conclusión de que reducir el tamaño de los transistores gracias a una nueva tecnología de fabricación permite aumentar su potencia bruta. Después hay mil y un factores más que deciden qué se hace con ese incremento en potencia y nos encontramos con chips más o menos eficientes a nivel energético o a nivel de ejecución de código, pero el resumen viene a ser ése: cuanto más pequeño, más potente. El mundo al revés.

Imagen de portada | TSMC

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