Silicio sobre aislante: Una nueva era en la tecnología de chips
La tecnología es la base del desempeño y en estos días, a pesar de que las bases teóricas estaban dadas desde hace unas tres décadas, IBM ha logrado niveles impresionantes de performance con la liberación de los chips de silicio sobre aislante que, además, prometen ser sólo el inicio de una larga carrera de sorprendentes desarrollos en la fabricación de microprocesadores. Frank Soltis, autor indispensable del mundo IBM, explica prí stinamente en qué consisten estos avances tecnológicos.
No es exagerado decir que la invención del chip microprocesador ha cambiado profundamente al mundo. Estos pequeños bribones de silicio están doquiera, invadiendo casi cada momento de nuestra vida diaria. De acuerdo con algunas estimaciones, de tres a cuatro de estos cerebros de silicio existen ahora por cada persona en la Tierra. Combine las ganancias de la velocidad de procesamiento con el incremento en el número de chips, y el resultado es apabullante. Cada dos años, el poder de la computadoras se duplica, y no se vislusbra fin a ello.
A pesar de que la era del silicio tiene casi treinta años, la mayoría de nosotros siente como si estuviera en el comienzo de una revolución. Todo comenzó cuando Intel y Texas Instruments, de manera independiente, produjeron su primer chip microprocesador allá en 1971.
Estos primeros chips tenían sólo un poco más de 2,000 transistores, y su velocidad no era lo que llamaríamos brillante. En la actualidad, tenemos decenas de millones de transistores en un solo chip microprocesador, y los chips de 100 millones de transistores están a la vuelta de la esquina. Desde 1971, las velocidades de procesamiento para un solo chip han ido de cerca de 0.06 millones de instrucciones por segundo (MIS) a cerca de 1000 MIS.
Si usted examina las ganancias en el desempeño de un solo chip en los últimos 30 años, usted verá un tendencia destacada. La curva incrementa exponencialmente, es una línea recta en una encuesta logarítmica. Esta tendencia es llamada Ley de Moore después de Gordon Moore, uno de los primeros fundadores de Intel. En 1979, fue el primero que predijo esta tendencia, que se ha mantenido como verdadera desde entonces.
Con la presentación de los nuevos chips procesadores I-Star en el AS/400, IBM está creando una discontinuidad en la Ley de Moore. Los I-Star incorporan una brecha mayor en la tecnología de chip de silicio llamada silicio sobre aislante (SOI, por sus siglas en inglés). La tecnología SOI dará como resultado chips microprocesadores más veloces que están cerca de dos años adelante de donde la Ley de Moore predijo que deberían estar.
Microsoft -la intocable firma tecnológica, la compañía en la que todos han confiado, el almacén que no hace otra cosa sino crecer- hizo agua en el mercado de valores con el efecto remolino que sacudió a todo el sector tecnológico. Como resultado de la muestra de su vulnerabilidad, todas las firmas tecnológicas relacionadas entraron en un periodo de áspero escrutinio. Durante 1998 y 1999, todas aquellas firmas punto com consentidas del Wall Street vendieron acciones al mercado dentro de sus proyectos de inversión, planes de compartir el dominio en el mercado, y cosas por el estilo. Ellos no incluyeron beneficios en sus planes de negocios. ¿Pero adivine qué? Los inversionistas se han cansado del pensamiento de finales de los noventa acerca de los negocios basados en Internet. Durante la reciente evaluación "objetiva", la gente recuperó sus perspectivas accionarias. El sentido común ha regresado, y la habilidad de las compañías para demostrar a largo plazo sus ganancias sostenibles es ahora la realidad de una " nueva economía".
¿Cómo hacemos chips más rápidos?
Usted puede reconocer a la mayoría del anonadante progreso que se ha estado haciendo en los últimos años en la tecnología del chip de silicio como avances en las técnicas de manufactura. Estos avances han permitido a los fabricantes de chips encoger el tamaño de un transisitor en un chip. En la medida en que el transisitor se vuelve más pequeño, se vuelve más rápido, ya que la electricidad que atraviesa por el transistor tiene una menor distancia que recorrer. Debido a que la velocidad de la electricidad está limitada por la velocidad de la luz, esta distancia a través de un transistor es extremadamente importante.
También, en la medida en que un transistor se vuelve más pequeño, consume menos poder cuando se prende y apaga o cuando la electricidad lo atraviesa. Menos poder gastado significa que cada transistor disipa menos calor, de manera que podemos empacar más transistores en un chip sin el temor de que el chip se queme.
El progreso en la miniaturización del transistor ha sido sobresaliente. Desde que IBM introdujera por primera vez su PC a principios de los '80, la dimesión crítica de un transistor -la anchura- ha decrecido de 10 micrones a 0.2 micrones hoy día. Como punto de referencia, un cabello humano es de cerca de 80 micrones de ancho.
En la medida que todos los fabricantes de chips continúan encogiendo el tamaño de los transistores para alcanzar chips cada vez más rápidos, están encontrando otros factores distintos al tamaño del transisitor que pueden impactar en el desempeño de los chips. Los inves-tigadores de IBM comenzaron a estudiar estos factores hace muchos años para ver qué mejoras podían hacerse.
Nuevos materiales
Hacer más pequeños los transistores es una manera de hacer más rápidos los chips. Sin embargo, al tiempo que los transistores se vuelven más pequeños y más rápidos, las demoras en el cableado del chip puede llegar a ser significativas. Estas demoras pueden, por otra parte, limitar la velocidad del transistor. Con la introducción del cableado de cobre, IBM ayuda a reducir las demoras en el cabledo del chip.
Otra técnica para elevar la velocidad de los chips es utilizar un sustrato "más rápido". Un chip es una pieza de silicio (llamada el sustrato) sobre la
que son construidos los transistores y cables que usted ve en una foto aumentada de un chip. Los fabricantes de chips han explorado otros materiales a utilizar para el sustrato, pero siempre han regresado al silicio, ya que los chips de silicio son fáciles de manufacturar.
Un sustrato más rápido que los investigadores han considerado por casi treinta años es el SOI (silicio sobre aislante), que hace referencia a una capa delgada de silicio sobre un aislante como el óxido de silicio o el vidrio (de aquí el nombre de silicio sobre aislante). Los transistores construidos sobre un diseñador delgado de SOI opera más rápido y requiere menos poder que los transistores construidos sobre un bloque de silicio simple. Explicar esto requiere una pequeña lección de física (para ello, vea el recuadro "La física del semiconductor 101").
No obstante, el silicio sobre aislante en sí mismo no es la parte más importante del anuncio de IBM. Los científicos saben del silicio sobre aislante desde hace por lo menos tres décadas. El punto importante es que IBM es el primer fabricante capaz de producir chips de silicio sobre aislante comercialmente viables. Y eso es fabuloso.
El servidor de IBM con el más alto desempeño
El I-Star es el primer procesador PowerPC con base SOI (Silicon on Insulator, por sus siglas en inglés) y será usado exclusivamente en el AS/400. En tanto que es el primer miembro de la familia que ya incluye los procesadores Northstar y Pulsar, el chip de 64 bits de la PowerPC I-Star utiliza la tecnología de procesamiento CMOS-8S de IBM con transistores de 0.22 de micrón. Tiene aproximadamente 34 millones de transistores e incorpora seis capas de cableado de cobre, así como el silicio sobre aislante. Opera internamente con 1.8 voltios y disipa menos calor que una Pentium II de Intel de 400 MHz.
Los nuevos procesadores I-Star han permitido a los desarrolladores AS/400 crear el sistema computacional de multiprocesadores simétricos con el desempeño más alto que IBM haya creado jamás. El nuevo modelo I-Star de 24 vías posee cerca de 3.6 veces más desempeño que cualquier AS/400 previo. Es más grande que cualquier PC, que cualquier sistema Unix, e incluso que cualquier mainframe de IBM. Si usted desea más desempeño del que puede tener con un solo AS/400, usted tiene que ir a un sistema de cluster.
Debido a que nada en la industria de hardware permanece, ya estamos trabajando en la próxima generación de procesadores para el AS/400. Llamados S-Star, estos procesadores utilizarán la siguiente generación de tecnología de cobre y silicio sobre aislante de IBM. Conocido como CMOS- 8S2, este proceso usa transistores de 0.18 micrón con siete capas de cableado de cobre en el chip. Esta es la misma tecnología de semiconductor que IBM utilizará en sus chips POWER4, los que contendrán 174 millones de transistores y operarán a velocidades superiores a 1 GHz. Busque estos chips en su AS/400 a finales del 2001 o principios del 2002. P.S. Sólo como una buena medida, también estamos buscando una tecnología de 0.13 de micrón utilizando silicio sobre aislante para el POWER4, ¡síganos!
Frank G. Soltis , de IBM Rochester creó la arquitectura tecnológicamente independiente del AS/400. Es el jefe de científicos de AS/400 de IBM y profesor de Ingeniería en computación de la Universidad de Minnesota.