¡Esta es una pregunta bastante difícil! Después de escribir una primera respuesta a esta pregunta, me di cuenta de que podría haber malinterpretado su intención, así que aquí va con ambas respuestas …
¿Qué invento reciente crecerá para tener tanto impacto en la tecnología como el transistor?
¡Comenzaré con este ya que no estoy realmente calificado para responderlo! No estoy seguro de si ha habido algo en la última década que pueda resultar tan revolucionario y transformador como el transistor:
- En términos de otras tecnologías que han caído en costo tan rápido como los transistores (Ley de Moore), los únicos ejemplos en los que puedo pensar son el almacenamiento magnético (Ley de Kryder) y el costo de secuenciar un genoma.
- En términos de otras tecnologías que se han vuelto tan ubicuas e indispensables para los bienes de consumo y de capital y la cultura, las más recientes en las que puedo pensar son la imprenta (s. XV), la transmisión de radio (vuelta del s. XX), y quizás los avances en la fabricación de acero (proceso Bessemer, 1850) y el motor de combustión interna (finales del siglo XIX).
Entonces, mirando hacia atrás, me parece que el transistor es más como una innovación de una o dos veces en un siglo, en lugar de una innovación de una vez en una década.
Si tuviera que apostar por innovaciones recientes que probablemente tengan consecuencias de tan largo alcance como el transistor, elegiría máquinas autónomas autorreplicantes. No estoy seguro de si estos “irán en grande” a través de técnicas de biología sintética, impresión 3D o algo aún más exótico. (Un amigo mío trabajó en el laboratorio de Hod Lipson en Cornell en el uso de algoritmos genéticos para desarrollar robots de mejor rendimiento, ¡y me interesó en este tema!)
¿Qué suplantará a los transistores CMOS de silicio convencionales en las próximas décadas, con referencia a innovaciones y descubrimientos recientes en este campo?
Los problemas más apremiantes que enfrenta el diseño de circuitos digitales CMOS de silicio convencionales tienen que ver con el consumo de energía. (En el lado de fabricación donde trabajo, las dificultades cada vez mayores de diseñar transistores e interconexiones cada vez más pequeños son primordiales … pero esa es una historia completamente diferente).
La presión de montaje para los transistores de baja potencia está en parte impulsada por la demanda del consumidor: todos queremos un teléfono con una mejor conectividad, más sensores, gráficos más sofisticados, que pueda hacer más cosas más rápido y tener una batería que dure mucho más tiempo, ¿verdad?
Pero esa no es toda la historia: el consumo de energía se ha convertido, en sí mismo, en un impedimento para un mayor progreso de la Ley de Moore, debido a la ruptura de la escala de Dennard, que es una gran parte de lo que ha permitido que la Ley de Moore se vuelva loca décadas. Básicamente, la ley de escala de Dennard establece que a medida que los transistores individuales se hacen cada vez más pequeños, el consumo de energía total de un circuito integrado CMOS permanece constante: en otras palabras, al pasar de un solo dado de 1 cm² que contiene 1,000 transistores a uno que contiene 1,000,000 de transistores, el El consumo de energía por transistor disminuyó en un factor de 1,000. Sin embargo, el consumo de energía es proporcional a la frecuencia de reloj f : en este modelo simplificado, todo el consumo de energía proviene de encender y apagar los transistores, por lo que cuanto más sucede, mayor es el consumo de energía.
Varias partes de este modelo están, o han estado, descomponiéndose, y la densidad de potencia de los circuitos integrados modernos está aumentando más allá del nivel casi constante previsto por la escala de Dennard. Este es un gran problema porque muchos circuitos integrados modernos literalmente no pueden tener todos los transistores funcionando a la vez sin causar daños térmicos permanentes a sí mismos; tienen que autorregularse para apagar partes de sí mismos cuando no están en uso (el llamado silicio oscuro).
- Primero, el consumo de energía CMOS es proporcional a la frecuencia. ¿Recuerdas la “carrera de los megahercios” de la década de 1990, donde las frecuencias de reloj de la CPU se elevaban cada vez más y se anunciaban en voz alta como las especificaciones finales para las computadoras? Bueno, eso terminó debido a un consumo de energía inmanejable. (NetBurst es el hijo del cartel de su desaparición).
- En segundo lugar, el escalado de Dennard supone que esencialmente todo el consumo de energía proviene de la disipación dinámica a medida que los transistores se encienden y apagan, en lugar de la disipación estática (corriente de fuga). Una de las rutas para reducir las fugas y reducir otros efectos de canal corto no ideales son los dispositivos multigala como FinFET (ya comercializados en las tecnologías Intel de 22nm y 14nm, próximamente en TSMC 16nm) y quizás eventualmente nanocables de silicio de puerta completa, aunque No creo que nadie haya descubierto un esquema satisfactorio para la fabricación a gran escala de este último todavía.
- Más allá de los dos problemas anteriores, quizás el obstáculo más fundamental para reducir el consumo de energía es la conducción por debajo del umbral. Básicamente, hay un límite muy fundamental para cuán pequeña puede ser la corriente de fuga de un transistor MOSFET en estado apagado: por cada 60 mV por debajo del voltaje de umbral del dispositivo, la corriente no puede disminuir más de 10 veces (pendiente de umbral inferior a 60 mV / década a temperatura ambiente). Esto se está convirtiendo en un gran problema, ya que los voltajes operativos generales disminuyen debido a la escala de Dennard: si el voltaje umbral de un transistor es de solo 300 mV, su corriente se reducirá solo 100,000 veces a 0 V. No es lo suficientemente bueno si quiere meter ¡10 mil millones de estos transistores juntos en un dado!
Se han propuesto varios tipos de dispositivos para reemplazar los transistores MOSFET de silicio convencionales:
- Nanotubos de carbono de pared simple: ciertas configuraciones geométricas de SWNT son semiconductores. El gran problema con los nanotubos, como expliqué en esta respuesta, es que no hay una muy buena manera de hacerlos exactamente en las formas, longitudes y orientaciones que necesitaría para hacer un circuito integrado complejo. Salvo un gran avance en esta área, es un defecto fatal para la adopción a gran escala.
- Grafeno: una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor altamente conductivo, casi ópticamente transparente, en una red cristalina (como un SWNT desenrollado gigante). Se han producido grandes avances al hacer grandes láminas casi sin defectos, y al transferirlos a varias superficies para su posterior procesamiento. Hay un gran problema con él como semiconductor: no tiene un intervalo de banda intrínseco, lo que hace que pierda toneladas de corriente en el estado apagado. Es por eso que, como escribí en esta respuesta, apuesto a que la primera “aplicación asesina” para el grafeno será un material conductor transparente en lugar de un material semiconductor . (Samsung ha estado trabajando en esto como un proyecto de investigación más que básico durante varios años).
- Túnel FET: para mí, este es el reemplazo más prometedor para los MOSFET de silicio convencionales, ya que ofrece la posibilidad de una pendiente por debajo del umbral más pronunciada, al operar con un principio de mecánica cuántica completamente diferente. Esto significa que, en teoría, será posible fabricar transistores más pequeños, que funcionan a voltajes más bajos, que aún logran apagar la corriente de fuga subliminal casi por completo.
