Actualizado a: 16 de abril de 2024
En un mundo cada vez más conectado y dependiente de la tecnología, el futuro de los microprocesadores se vislumbra como una pieza clave en el avance de tecnología computacional. Estos diminutos chips de silicio han sido la base de muchos dispositivos actuales, pero quizás pronto pasen a ser algo diferente a lo que actualmente conocemos… Por eso, en este artículo te acompañaré a un viaje hacia el futuro próximo y cómo podría cambiar la CPU para obtener mayor rendimiento, eficiencia energética, etc.
Introducción
Como bien sabes, la CPU ha cambiado bastante desde las primeros que se lanzaron al mercado, y que se implementaban en varios circuitos impresos, hasta la llegada de los primeros microprocesadores implementados en un conjunto de chips, hasta la llegada de los primeros en chip monolítico.
Después fueron evolucionando en cuanto a arquitectura para ir ganando rendimiento y eficiencia energética hasta que cada vez resultó más complejo dar grandes saltos de rendimiento. Fue entonces cuando comenzaron a desarrollarse los primeros procesadores multinúcleo.
Ahora parece que la tendencia no es solo los multinúcleo, sino también los dispositivos heterogéneos, con núcleos diferentes o procesadores de diferentes tipos en un mismo empaquetado. También se están popularizando los chiplets o MCM, casi como haciendo un retorno al pasado cuando se implementaban en un conjunto de chips, ya que al hacerse más y más complejos y al tener más y más núcleos, implementarlos en un chip monolítico ya no resulta tan eficiente.
Además, otra de las tendencias que se están dando recientemente es el uso de empaquetados 3D, ya sea para apilar varios chips lógicos o para combinar lógica y memoria con un ancho de banda elevado y bajas latencias. Esto se ve especialmente en los microprocesadores para HPC, pero no es descartable que pronto lleguen a los del PC también.
Por supuesto, a lo largo de la historia también se ha luchado desde el aspecto físico para mantener la Ley de Moore vigente hasta la actualidad, todo un desafío que ha supuesto grandes cambios en la industria de los semiconductores, no solo en los procesos de litografía, también en la búsqueda de nuevos materiales (Si-Ge, High-K, Low-K, Al vs Cu, etc.) y estructuras diferentes, desde los transistores planar MOSFET, hasta los FinFET, y actualmente pasando a los GAAFET y CFET para el futuro.
Desafortunadamente, parece una lucha entre los diseñadores y arquitectos de estos chips semiconductores y las leyes de la física. Cada vez hay que buscar nuevas rutas para seguir ganando rendimiento y eficiencia. Y para que no se llegue a tener limitaciones, es decir, llegar a un techo físico, se tienen que seguir buscando mejoras constantes como las que te iré describiendo en el próximo apartado.
Retos a los que nos enfrentamos
El diseño de microprocesadores enfrenta varios retos significativos en la búsqueda de mejoras continuas en rendimiento, eficiencia y funcionalidad. Entre los desafíos clave se encuentran:
- Escalamiento: a medida que los microprocesadores se vuelven más pequeños, se encuentran con límites físicos y tecnológicos. El escalamiento de los transistores y la reducción del tamaño de los componentes presentan dificultades en términos de la generación de calor, la interferencia electromagnética y las fugas de corriente. Superar estos desafíos requiere soluciones ingeniosas para mantener el avance en la miniaturización.
- Eficiencia energética: con la creciente demanda de dispositivos móviles y sistemas de computación de alto rendimiento, la eficiencia energética se vuelve crucial. Los diseñadores de microprocesadores deben encontrar formas de reducir el consumo de energía sin comprometer el rendimiento. Esto implica optimizar la arquitectura del chip, implementar técnicas de administración de energía y explorar nuevas tecnologías, como transistores de bajo consumo y diseño de circuitos eficientes.
- Integración de más núcleos: para impulsar el rendimiento y la capacidad de procesamiento, los microprocesadores modernos están adoptando arquitecturas de múltiples núcleos. Sin embargo, el diseño y la programación de sistemas con múltiples núcleos plantean desafíos complejos, como la sincronización de tareas, la asignación de recursos y la minimización de la latencia. Lograr una implementación eficiente de múltiples núcleos requiere un enfoque cuidadoso en el diseño del sistema y la optimización del software. Además, ahora parece que la esperanza llega desde las arquitecturas heterogéneas, como vemos.
- Seguridad: con el aumento de las amenazas cibernéticas, la seguridad se convierte en una preocupación crítica en el diseño de microprocesadores. Los ataques de canal lateral (side-channel attacks), las vulnerabilidades de hardware y las brechas de seguridad plantean desafíos en la protección de datos sensibles y la integridad del sistema. Garantizar la seguridad a nivel de hardware, desde el diseño de los circuitos hasta la implementación de mecanismos de protección, es esencial para proteger los microprocesadores y los dispositivos en los que se utilizan. Y esto también implica proteger los chips de amenazas que pueden implementarse como parte del chip.
Tecnologías que mejorarán los microprocesadores en un futuro
Ahora vamos a ver algunas de las tecnologías o campos de investigación que pueden aplicarse para mejorar los microprocesadores, entre otros chips semiconductores:
Más información sobre otros materiales semiconductores del futuro aquí.
Material más denso que el silicio: óxido de galio
Un laboratorio de la Fuerza Aérea de Estados Unidos ha estado analizando y desarrollando investigaciones sobre el óxido de galio, que podría usarse para la fabricación de chips de microelectrónica cuando las limitaciones del silicio lo impidan.
Y es que, como se ha demostrado, e Si es un material bastante denso, pero lo cierto es que la naturaleza del óxido de galio lo hacen 20 veces mayor que la del silicio, por lo que también puede ser muy interesante para crear transistores FET más pequeños.
Diseleniuro de hafnio y diseleniuro de circonio
Por otro lado, la Universidad de Stanford, en California, también está trabajando con algunos materiales extremadamente delgados, más allá del límite del silicio. La solución la han encontrado en dos materiales concretos, como son el diseleniuro de circonio y el diseleniuro de hafnio, con propiedades similares al silicio y que tendrían espesores de solo 3 átomos de grosor dada su naturaleza dieléctrica de alta constante K.
Gracias a estos materiales, la energía necesaria para la conmutación de los transistores sería inferior, por lo que tendríamos microprocesadores más eficientes.
Grafeno y nanotubos de carbono
Además de la óptica, también hay puestas grandes esperanzas en los nanotubos de carbono y en el grafeno, como sabes, un material de átomos de carbono con red en forma hexagonal y con un solo átomo de grosor.
Por tanto, también podría ser un buen sustituto de los transistores para dentro de un par de generaciones, tras el agotamiento de las posibilidades de los GAAFET y CFET que hay previstos para los futuros microprocesadores.
Además, los nanotubos también pueden ser de otros materiales, como otros semiconductores o de metales, lo que agregaría mayor flexibilidad para distintas partes del circuito del microprocesador. Y el grafeno, incluso abriría la puerta de la electrónica flexible.
Lógica nanomagnética
Además de la lógica estandar, es decir, de los transistores estándar, también se pueden usar otras lógicas para los microprocesadores que podrían traer ganancias en el futuro. Por ejemplo, la lógica nanomagnética utiliza estados de magnetización biestables. En lugar de encender y apagar un transistor, los nanoimanes cambian los estados de magnetización, utilizando interacciones dipolo-dipolo para procesar información binaria.
Debido a que la lógica nanomagnética no requiere una corriente eléctrica, los circuitos construidos con esta deberían tener un consumo extremadamente bajo en comparación con los actuales. Toda una revolución que podría llegar en unas décadas.
Computación cuántica: microprocesadores cuánticos
La computación cuántica, aunque prometedora, todavía se encuentra en una etapa lejana en términos de su implementación práctica a gran escala. Si bien los avances en la investigación y el desarrollo han llevado a la construcción de sistemas cuánticos con un número limitado de qubits, aún hay varios desafíos importantes por superar antes de lograr una computación cuántica plenamente funcional y utilizable.
Uno de los principales desafíos es la corrección de errores cuánticos. Los qubits son extremadamente sensibles a los errores y perturbaciones del entorno, lo que dificulta la construcción de sistemas cuánticos estables y confiables. Los científicos están investigando activamente métodos para detectar y corregir errores cuánticos, pero aún se requiere mucho trabajo para lograr una corrección de errores eficiente y escalable.
Además, el escalado de sistemas cuánticos también es un desafío significativo. A medida que se agregan más qubits, aumenta la complejidad del control y la comunicación entre ellos. La construcción de sistemas cuánticos de alta fidelidad con cientos o miles de qubits es un objetivo exigente desde el punto de vista técnico y requiere avances en la fabricación de componentes cuánticos y la integración de múltiples qubits de manera coherente y precisa.
Asimismo, la programación y el desarrollo de algoritmos cuánticos también están en una etapa temprana, ya que todo lo que conocemos de la lógica binaria actual no sirve para este nuevo paradigma. La computación cuántica requiere un enfoque diferente y un conjunto de algoritmos diseñados específicamente para aprovechar las propiedades cuánticas. Aunque se han desarrollado algunos algoritmos cuánticos prometedores, aún estamos lejos de tener una amplia gama de aplicaciones prácticas y útiles para la computación cuántica
Conclusión: seguiremos necesitando silicio
En definitiva, los microprocesadores aún seguirán dependiendo del silicio durante muchos años más. Para ser reemplazado aún queda tiempo, y lo más probable es que se empleen soluciones híbridas con otros materiales pero basándose en el silicio.
Llevamos años hablando del fin o del techo del silicio, y lo cierto es que conforme pasa el tiempo, cada vez parece más cercano y alejado a la vez con los nuevos descubrimientos…
