5.2: ¿La muerte de la ley de Moore?

Objetivos de aprendizaje

Después de estudiar esta sección deberías poder hacer lo siguiente:

1. Describa por qué la Ley de Moore continúa avanzando y discuta las limitaciones físicas de este avance.
2. Nombrar y describir diversas tecnologías que puedan extender la vida de la Ley de Moore.
3. Discutir las limitaciones de cada uno de estos enfoques.

Moore simplemente observó que con el tiempo estamos mejorando al apretar más cosas en espacios más pequeños. La Ley de Moore es posible porque la distancia entre las vías dentro de los chips de silicio se hace más pequeña con cada generación sucesiva. Si bien las plantas de chips (instalaciones de fabricación de semiconductores o fabs) son increíblemente costosas de construir, cada nueva generación de fabs puede producir más chips por oblea de silicio. Y dado que los caminos están más cerca entre sí, los electrones viajan distancias más cortas. Si la electrónica ahora recorre la mitad de la distancia para hacer un cálculo, eso significa que el chip es el doble de rápido.

Pero el encogimiento no puede continuar para siempre, y ya estamos empezando a ver tres fuerzas interrelacionadas —el tamaño, el calor y el poder — amenazando con frenar el tren de salsa Moore's Law. Cuando hace que los procesadores sean más pequeños, los electrones más apretados calentarán un chip, tanto que a menos que los chips más potentes de hoy se enfríen, se derretirán dentro de su empaque. Para mantener frescas las computadoras más rápidas, la mayoría de las PC, laptops y consolas de videojuegos necesitan ventiladores, y la mayoría de los centros de datos corporativos tienen sistemas de aire acondicionado y ventilación elaborados y costosos para evitar una fusión. Un viaje por el centro de datos de Facebook durante su reciente ascenso mostraría que la firma era una start-up “caliente” en más de un sentido. Los servidores de la firma funcionaban tan calientes que los lados de Plexiglas de los racks de servidores de la firma se deformaron y se derritieron (McGirt, 2007). La necesidad de enfriar los centros de datos modernos consume mucha energía y eso cuesta mucho dinero.

El director ecológico de Sun Microsystems ha afirmado que las computadoras extraen del 4 al 5 por ciento de la potencia mundial. El director de tecnología de Google ha dicho que la firma gasta más en alimentar sus servidores que el costo de los propios servidores (Kirkpatrick, 2007). Microsoft, Yahoo! y Google han construido centros de datos masivos en el noroeste del Pacífico, lejos de su sede corporativa, eligiendo específicamente estas ubicaciones para acceder a energía hidroeléctrica barata. A la ubicación de Google en The Dalles, Oregón, se le cobra un costo por kilovatio/hora de dos centavos por el proveedor local de energía, menos de una quinta parte de la tarifa del once por ciento que paga la firma en Silicon Valley (Mehta, 2006) ¹. Esta diferencia significa grandes ahorros para una firma que ejecuta más de un millón de servidores.

Y si bien estas poderosas virutas que se encogen se están calentando y son más costosas de enfriar, también es importante darse cuenta de que las fichas no pueden hacerse más pequeñas para siempre. En algún momento la Ley de Moore se topará con las leyes inquebrantables de la naturaleza. Si bien no estamos seguros de dónde están estos límites, las vías de chip ciertamente no pueden ser más cortas que una sola molécula, y el límite físico real es probablemente mayor que eso. Se vuelve demasiado pequeño y entra en acción un fenómeno conocido como túnel cuántico, y los electrones comienzan a deslizarse fuera de sus caminos. ¡Ay!

Tiempo de Compra

Una forma de superar este problema es con los microprocesadores multinúcleo, hechos poniendo dos o más núcleos de procesador de menor potencia (piense en un núcleo como la parte de cálculo de un microprocesador) en un solo chip. Philip Emma, Gerente de Tecnología de Sistemas y Microarquitectura de IBM, ofrece una analogía. Piense en los procesadores tradicionales rápidos, calientes y de un solo núcleo como un liniero de trescientos libras y un procesador de doble núcleo como dos tipos de 160 libras. Dice Emma: “Un liniero de 300 libras puede generar mucha energía, pero dos tipos de 160 libras pueden hacer el mismo trabajo con menos esfuerzo general” (Ashton, 2005). Para muchas aplicaciones, los chips multinúcleo superarán a un solo chip rápido, mientras funcionan más fríos y extraen menos potencia. Los procesadores multinúcleo ahora son la corriente principal.

Hoy en día, la mayoría de las PC y laptops vendidas tienen al menos un procesador de dos núcleos (doble núcleo). El Microsoft Xbox 360 tiene tres núcleos. El PlayStation 3 incluye el llamado procesador celular desarrollado por Sony, IBM y Toshiba que ejecuta nueve núcleos. Para 2010, Intel comenzó a enviar procesadores para PC con ocho núcleos, mientras que AMD introdujo un chip de doce núcleos. Intel incluso ha demostrado chips con más de cincuenta núcleos.

Los procesadores multinúcleo pueden ejecutar software antiguo escrito para chips de cerebro único. Pero suelen hacer esto usando solo un núcleo a la vez. Para reutilizar la metáfora anterior, esto es como hacer que uno de nuestros trabajadores de 160 libras se aleje, mientras que el otro se queda mirando. Los sistemas operativos multinúcleo pueden ayudar a lograr algunas ganancias de rendimiento. Las versiones de Windows o Mac OS que conocen los procesadores multinúcleo pueden asignar un programa para que se ejecute en un núcleo, mientras que una segunda aplicación se asigna al siguiente núcleo. Pero para aprovechar al máximo los chips multinúcleo, las aplicaciones necesitan ser reescritas para dividir las tareas de manera que porciones más pequeñas de un problema se ejecuten simultáneamente dentro de cada núcleo.

Escribir código para este enfoque de “dividir y conquistar” no es trivial. De hecho, el desarrollo de software para sistemas multinúcleo es descrito por Shahrokh Daijavad, líder de software para sistemas informáticos de próxima generación en IBM, como “una de las cosas más difíciles que aprendes en informática” (Ashton, 2005). El director de investigación y estrategia de Microsoft ha llamado a la codificación de estos chips “el [cambio] conceptualmente más diferente en la historia de la computación moderna” (Copeland, 2008). A pesar de este reto, algunos de los adaptadores más agresivos de los chips multinúcleo han sido los fabricantes de consolas de videojuegos. Las aplicaciones de videojuegos son particularmente adecuadas para múltiples núcleos ya que, por ejemplo, un núcleo podría usarse para renderizar el fondo, otro para dibujar objetos, otro para el “motor de física” que mueve los objetos y otro para manejar las comunicaciones por Internet para juegos multijugador.

Otro enfoque para dar vida a la Ley de Moore se conoce como semiconductores apilados o tridimensionales. En este enfoque, los ingenieros cortan un chip plano en pedazos, luego vuelven a conectar las piezas verticalmente, haciendo una especie de “sándwich de silicio”. Los chips son tanto más rápidos como más fríos ya que los electrones viajan distancias más cortas. Lo que alguna vez fue un viaje de extremo a extremo en un chip convencional podría ser un pequeño movimiento hacia arriba o hacia abajo en un chip apilado. Pero las fichas apiladas presentan sus propios desafíos. De la misma manera que un rascacielos es más difícil y costoso de diseñar y construir que una casa rancho, los semiconductores 3-D son más difíciles de diseñar y fabricar. IBM ha desarrollado chips apilados para teléfonos móviles, afirmando que la técnica mejora la eficiencia energética hasta en un 40 por ciento. HP Labs está utilizando una tecnología llamada memristores, o resistencias de memoria, para mejorar los transistores convencionales y acelerar la transición a chips 3-D, lo que produce una mejora significativa sobre las ofertas 2-D (Markoff, 2010).

¿Saltos cuánticos, plumas de pollo y el valle del arseniuro de indio galio?

Piénselo: la triple amenaza de tamaño, calor y poder significa que la Ley de Moore, quizás el tren de salsa económico más grande de la historia, probablemente se detenga en su vida. Los semiconductores multinúcleo y 3-D están aquí hoy, pero ¿qué más está pasando para ayudar a evitar la muerte de la Ley de Moore?

De vez en cuando llega un avance material que mejora el rendimiento del chip. Hace unos años, los investigadores descubrieron que reemplazar los componentes de aluminio de un chip por cobre podría aumentar las velocidades hasta en un 30 por ciento. Ahora los científicos se están concentrando en mejorar el mismo material semiconductor del que están hechos los chips. Si bien el silicio utilizado en los chips es maravillosamente abundante (tiene prácticamente la misma química que se encuentra en la arena), los investigadores están investigando otros materiales que podrían permitir chips con densidades de componentes aún más ajustadas. Los investigadores han demostrado que los chips hechos con materiales semiconductores que suenan supergeeky como arseniuro de galio indio, germanio y telururo de bismuto pueden funcionar más rápido y requieren menos potencia que sus contrapartes de silicio (Chen, et. al., 2009; Greene, 2007; Cane, 2006). Quizás aún más exótico (y francamente extraño), ¡investigadores de la Universidad de Delaware han experimentado con un material más rápido que el silicio derivado de plumas de pollo! Los chips hipereficientes del futuro también pueden estar hechos de nanotubos de carbono, una vez que la tecnología para ensamblar las pequeñas estructuras se vuelve comercialmente viable.

Otros diseños se alejan de la electricidad sobre el silicio. La computación óptica, donde las señales se envían a través de la luz en lugar de la electricidad, promete ser más rápida que los chips convencionales, si los láseres se pueden producir en masa en miniatura (los experimentos con láser de silicio son prometedores). Otros están experimentando mediante la elaboración de componentes informáticos utilizando material biológico (piense en un dispositivo de almacenamiento basado en ADN).

Una tecnología aún por probar que podría cerrar la tapa de lo que es posible hoy en día es la computación cuántica. La computación convencional almacena datos como una combinación de bits, donde un bit es un uno o un cero. Las computadoras cuánticas, aprovechando los principios de la física cuántica, emplean qubits que pueden ser tanto uno como cero al mismo tiempo. Agrega un poco a la memoria de una computadora convencional y duplica su capacidad. Agrega un poco a una computadora cuántica y su capacidad aumenta exponencialmente. Para su comparación, considere que un modelo informático de serotonina, una molécula vital para regular el sistema nervioso central humano, requeriría 10 ⁹⁴ bytes de información. Desafortunadamente no hay suficiente materia en el universo para construir una computadora tan grande. Pero modelar una molécula de serotonina usando computación cuántica tomaría solo 424 qubits (Kaihla, 2004).

Algunos especulan que las computadoras cuánticas podrían algún día permitir a las compañías farmacéuticas crear representaciones hiperdetalladas del cuerpo humano que revelen los efectos secundarios de los medicamentos incluso antes de que se prueben en humanos. La computación cuántica también podría predecir con precisión el clima con meses de anticipación u ofrecer una seguridad informática irrompible. ¿Alguna vez has tenido problemas para poner un nombre con una cara? Una computadora cuántica vinculada a una cámara (en tus gafas de sol, por ejemplo) podría reconocer las caras de cualquier persona que hayas conocido y darte un aviso sobre su nombre y antecedentes (Schwartz, et. al., 2006). Abundan las oportunidades. Por supuesto, antes de que se pueda comercializar la computación cuántica, los investigadores necesitan aprovechar las extrañas propiedades de la física cuántica en donde su respuesta puede residir en otro universo, o podría desaparecer si se observa (el propio Einstein se refirió a ciertos comportamientos en la física cuántica como “acción espeluznante a distancia”).

Los pioneros en computación cuántica incluyen IBM, HP, NEC y una startup canadiense llamada D-Wave. Si o cuándo la computación cuántica se convierte en realidad aún se desconoce, pero existe la promesa de que si bien la Ley de Moore puede encontrarse con límites impuestos por la Madre Naturaleza, una nueva forma de computación puede soplar más allá de cualquier cosa que podamos hacer con el silicio, continuando haciendo posible lo que alguna vez fue imposible.

Claves para llevar

• A medida que los chips se vuelven más pequeños y potentes, se vuelven más calientes y presentan desafíos de administración de energía. Y en algún momento, la Ley de Moore se detendrá porque ya no podremos reducir los espacios entre componentes en un chip.
• Los chips multinúcleo utilizan dos o más “núcleos” de cálculo de baja potencia para trabajar juntos al unísono, pero para aprovechar de manera óptima los chips multinúcleo, el software debe reescribirse para “dividir” una tarea entre múltiples núcleos.
• Los semiconductores 3-D o apilables pueden hacer que los chips sean más rápidos y se enfríen al acortar las distancias entre los componentes, pero estos chips son más difíciles de diseñar y fabricar.
• Los nuevos materiales pueden extender la vida útil de la Ley de Moore, permitiendo que las virutas se vuelvan más pequeñas, todavía. Los métodos de cálculo completamente nuevos, como la computación cuántica, también pueden aumentar drásticamente las capacidades de computación mucho más allá de lo que está disponible hoy en día.

Preguntas y ejercicios

1. ¿Qué tres fuerzas interrelacionadas amenazan con frenar el avance de la Ley de Moore?
2. ¿Qué soluciones comerciales, descritas en el apartado anterior, se están utilizando actualmente para contrarrestar las fuerzas antes mencionadas? ¿Cómo funcionan estas soluciones? ¿Cuáles son las limitaciones de cada uno?
3. ¿Los chips multinúcleo ejecutarán software diseñado para procesadores de un solo núcleo?
4. A medida que las astillas crecen más pequeñas generan cantidades crecientes de calor que necesita ser disipado. ¿Por qué mantener los sistemas frescos es un desafío así? ¿Cuáles son las implicaciones para una firma como Yahoo! o Google? ¿Para una firma como Apple o Dell?
5. ¿Cuáles son algunos de los materiales que pueden reemplazar al silicio del que están hechos los chips actuales?
6. ¿Qué tipo de problemas podrían resolverse si se logra la promesa de la computación cuántica? ¿Cómo podrían los individuos y las organizaciones aprovechar la computación cuántica? ¿Qué tipo de desafíos podrían surgir de la disponibilidad generalizada de una tecnología informática tan poderosa?