¿Qué tan pequeño puede CPUs conseguir?

Gordon Moore
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Cofundador de Intel, Gordon Moore hizo la observación original que se convirtió en la Ley de Moore. Ver más fotos de hardware.

¿Qué tan pequeño puede conseguir CPUs?

Durante el siglo 20, los inventores crearon dispositivos que dependemos regularmente sobre. Posiblemente, uno de los inventos más importantes fue la transistor. Desarrollado en 1947 por los ingenieros que trabajaban para los Laboratorios Bell, el propósito original del transistor fue para amplificar el sonido más teléfono líneas. El transistor reemplazó una tecnología más antigua - tubos de vacío. Los tubos no eran fiables, eran voluminosos y que generan una gran cantidad de calor, también.

El primero era un transistor punto de contacto de transistor el medido medio de una pulgada (1,27 centímetros) de altura. El transistor no era muy potente, pero los físicos reconoció el potencial del dispositivo. En poco tiempo, los físicos e ingenieros comenzaron a incorporar transistores en varios dispositivos electrónicos. Y a medida que pasaba el tiempo, ellos también aprendieron cómo hacer transistores más pequeños y más eficientes.

En 1958, los ingenieros adjuntan dos transistores de un cristal de silicio y crearon la primera del mundo circuito integrado [fuente: Intel]. A su vez, el circuito integrado allanó el camino para el desarrollo de la microprocesador. Si se compara una computadora para un ser humano, el microprocesador sería el cerebro. Hace cálculos y procesos de datos.

Por la década de 1960, informático (y cofundador de Intel) Gordon Moore hizo una observación interesante. Se dio cuenta de que cada 12 meses, los ingenieros fueron capaces de duplicar el número de transistores en un pedazo pulgada cuadrada de silicio. Como un reloj, los ingenieros estaban encontrando maneras de reducir el tamaño de los transistores. Es debido a estos pequeños transistores que tenemos dispositivos electrónicos como Computadoras personales, smartphones y reproductores de mp3. Sin transistores, todavía estaríamos usando los tubos de vacío y los interruptores mecánicos para hacer cálculos.

Desde la observación de Moore, la tendencia menguante ha continuado. Pero no ha mantenido el ritmo Moore observó. Estos días, el número de transistores se duplica cada 24 meses. Pero eso plantea una pregunta interesante: ¿Cómo los pequeños transistores puede - y por extensión, las CPU - consiguen? En 1947, un solo transistor mide un poco más de una centésima parte de un metro de alto. Hoy, Intel produce microprocesadores con transistores que miden sólo 45 nanómetros de ancho. Un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro!

Intel y otros fabricantes de microprocesadores ya están trabajando en la próxima generación de chips. Estos usarán transistores medir tan sólo 32 nanómetros de ancho. Pero algunos físicos e ingenieros piensan que podríamos estar chocando contra unos límites físicos fundamentales en lo que respecta al transistor de tamaño.

Procesador Xeon

Vicepresidente de Intel Tom Kilroy tiene un procesador Xeon Dual-Core 5100 en un evento de prensa en San Francisco.

Anatomía de un transistor

Antes de entrar en las limitaciones físicas de los transistores, que ayuda a saber lo que es un transistor está hecho y lo que realmente hace. Básicamente, un transistor es un interruptor hecha de un tipo especial de la materia. Una manera de clasificar importa es observar lo bien que puede conducir la electricidad. Que divide la materia en tres categorías: conductores, aisladores y semiconductores. Un conductor es cualquier tipo de material hecho de átomos con espacios libres para los electrones. Una corriente eléctrica puede pasar a través de material conductor - metales tienden a ser buenos conductores. Un aislante se compone de átomos de materia que no tienen ningún espacio de electrones disponible. Como resultado, electricidad no puede fluir a través de estos materiales. Cerámica o de vidrio son buenos ejemplos de aisladores.

Semiconductores son un poco diferentes. Se componen de materia con átomos que tienen un poco de espacio para los electrones, pero no lo suficiente como para conducir la electricidad de la manera metales hacen. El silicio es un material de este tipo. En algunas circunstancias, el silicio puede actuar como un conductor. Bajo otros, que actúa como un aislante. Al ajustar estas circunstancias, es posible controlar el flujo de electrones. Este simple concepto es la base para los dispositivos electrónicos más avanzados del mundo.

Ingenieros descubrieron que por dopaje -- la introducción de ciertos tipos de material - en el silicio, que podían controlar su conductividad. Habían comienzan con una base de llamada sustrato y DOPE ya sea con carga negativa o material positivamente cargado. El material cargado negativamente tiene un exceso de electrones mientras que el material cargado positivamente tiene un exceso de agujeros -- lugares donde los electrones podían caber. En nuestro ejemplo, vamos a considerar un de tipo n transistor, que tiene un sustrato cargado positivamente.

Sobre esta base son tres terminales: una fuente, la desagüe y una compuerta. La puerta se encuentra entre la fuente y el drenaje. Actúa como una puerta por la que la tensión puede pasar en el silicio, pero no echarse atrás. La puerta tiene una fina capa de aislante llamado capa de óxido que impide el paso de electrones a través de la terminal. En nuestro ejemplo, el aislante es entre la puerta y el sustrato cargado positivamente.

La fuente y el drenaje en nuestro ejemplo son terminales cargados negativamente. Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta, que atrae a los pocos electrones libres en el sustrato cargado positivamente a la capa de óxido de la puerta. Esto crea una canal de electrones entre los terminales de fuente y drenaje. Si después de aplicar una tensión positiva a la fuga, los electrones fluyen desde la fuente a través del canal de electrones para el desagüe. Si se quita la tensión de la puerta, los electrones en el sustrato ya no se sienten atraídos por la puerta y el canal está roto. Eso significa que cuando se tiene un cargo a la puerta, el transistor está encendido en "on". Cuando la tensión se ha ido, el transistor es "off".

Electrónica interpretan este cambio como la información en forma de bits y bytes. Así es como su ordenador y otros dispositivos electrónicos de los datos del proceso. Pero debido a la electrónica dependen del movimiento de los electrones para procesar la información, están sujetas a algunas leyes especiales de la física. Vamos a echar un vistazo más de cerca en ellos en la siguiente sección.

¡Soy positivo!

Mientras que utilizamos un transistor de tipo n en nuestro ejemplo, es posible construir transistores de tipo p. En ese caso, usted Dope el sustrato con el material cargado negativamente y los terminales podría llevar una carga positiva.

Procesadores Pentium 4

La familia Pentium 4 procesador.

Los transistores a nanoescala

Parece que cada año un periodista publica un artículo que dice que los transistores son tan pequeños como siempre lo conseguirán y la Ley de Moore ha terminado. Entonces los ingenieros a encontrar maneras innovadoras para crear transistores más pequeños y demostrar el mal periodista. Hemos llegado a un punto en el que muchos escritores son gunshy cuando se trata de predecir el final de la Ley de Moore.


Pero es cierto que un día vamos a golpear los límites físicos de lo pequeños transistores tradicionales pueden ser. Eso es porque una vez que se pulsa el nanoescala, usted está tratando con el extraño mundo de mecánica cuántica. En este mundo, la materia y la energía se comportan de maneras que parecen contraintuitivo. La física cuántica es muy diferente de la física clásica - ni siquiera se puede observar algo en la escala cuántica sin afectar su comportamiento.

Un efecto cuántico es túnel del electrón. Electron túnel es un poco como la teletransportación. Cuando el material es muy delgado - el espesor de un solo nanómetros (aproximadamente 10 átomos de espesor) - electrones pueden túnel a través de él como si no estuviera allí en absoluto. El electrón en realidad no hacer un agujero a través del material. En lugar de ello, el electrón desaparece de un lado de la barrera y vuelve a aparecer en el otro. Dado que las puertas están destinados a controlar el flujo de electrones, este es un problema. Si los electrones pueden pasar a través de una puerta bajo cualquier conjunto de circunstancias, no hay manera de controlar su flujo. Con transistores con fugas, el flujo de electrones no se puede controlar, por lo que el procesador sería ineficaz o no funcional en absoluto.

Con empresas como Intel trabajan en transistores que miden solo 32 nanómetros de ancho, no pasará mucho tiempo antes de que la capa de óxido se vuelve demasiado delgada para actuar como una puerta para los electrones utilizando transistores tradicionales. Mientras que los ingenieros han afectado a algunos obstáculos durante la carrera para reducir el tamaño de transistores en el pasado, siempre he encontrado alguna manera de solucionar el problema y mantenerse al día con la Ley de Moore. Pero esos días podrían terminar una vez que nos enfrentamos a una ley fundamental de la física.

Es posible que los ingenieros podrán descubrir una manera de crear un aislante eficaz incluso con un espesor de un nanómetro. Pero incluso si se las arreglan para hacer eso, no hay mucho más que puede ir con los transistores como los conocemos hoy en día. Después de todo, más allá de la escala nanométrica es el escala atómica, cuando usted está tratando con materiales que sólo son unos pocos átomos en tamaño.

Esto no significa que los transistores se irán. Pero podría significar que los avances en la microprocesador desarrollo se ralentizará y nivelarse. Las mejoras en la capacidad de procesamiento pueden no seguir siendo exponencial. Pero las empresas es probable que encontrar formas de mejorar la eficiencia y el rendimiento del microprocesador, no obstante.

También existe la posibilidad de que los fabricantes de microprocesadores encontrarán una alternativa a los transistores. Y algunos ya están estudiando formas de aprovechar los efectos cuánticos de la nanoescala - convirtiendo efectivamente nano-limones en nano-limonada.

Parece que los fabricantes de microprocesadores sólo será capaz de mantener la Ley de Moore pasando por unos años más. Pero si uno mira hacia atrás en las predicciones de hace décadas, verás los periodistas hacer esa misma afirmación. Tal vez los ingenieros ven estas predicciones como un reto personal para encontrar maneras de evitar los obstáculos aparentemente insuperables.

Para obtener más información sobre los microprocesadores, transistores y el extraño mundo de la física cuántica, echar un vistazo a los enlaces de la página siguiente.

Paquetes pequeños

Microprocesador más pequeño de Intel es el Atom, que mide 26 milímetros cuadrados y tiene 47 millones de transistores. Intel diseñó el Atom para trabajar en dispositivos móviles como teléfonos inteligentes [fuente: Intel].

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