El pico de la innovación

Aventuras microscópicas de un técnico de circuitos de chips

Ken Kaplan Executive Editor, iQ by Intel

La Ley de Moore sigue marcando el ritmo de la innovación tecnológica e introduce a los ingenieros de chips en un mundo desconocido y sumamente complejo, cuyo tamaño se reduce exponencialmente.

Durante casi dos décadas, la búsqueda de la perfección llevó a Nikos Troullinos hasta minúsculos universos desconocidos para resolver errores de diseño pequeños por los que los circuitos del procesador de la computadora pueden funcionar mal.

La serenidad del ingeniero de chips de Intel oculta la magnitud de la complejidad que maneja día tras día, para eliminar imperfecciones atrapadas entre miles de millones de objetos interconectados que entran en un finísimo trozo de silicio.

“Es como hacer un orificio en el cielo, quitar ese trozo para sacar una estrella irregular y volver a colocar ese trozo en el cielo sin alterar el cosmos”, señaló Troullinos para describir cómo su equipo y él reparan diseños antes de que se proceda a la fabricación masiva de los chips de computadoras.

La analogía astrofísica es válida si nos detenemos a pensar que se trata del acercamiento a 14 mil millonésimas de metro, el tamaño de los transistores que hacen funcionar los nuevos  procesadores Intel Core de quinta generación.

“Tomamos un bloque que tiene mil millones de objetos y nos concentramos en mil, lo que supone que volvemos a cero un millón de veces”, señaló.

Mark Bohr, Intel Senior Fellow, ilustró en un video reciente lo que significa estar en un espacio rodeado por transistores que miden 14 nanómetros.

Hoy en día, cada vez que Troullinos va a trabajar en un futuro diseño de chip, lo hace en un universo infinitesimal en el que los transistores miden 10 o incluso 7 nanómetros. Troullinos destaca que la distancia de la estructura de diamante del silicio es de 0,54 nanómetros. Para ponerlo en perspectiva, el diámetro de un cabello humano es de unos 75 micrones, lo que equivale a 75.000 nanómetros.

“Solemos trabajar en diseños que están adelantados dos generaciones respecto de los productos en fabricación”, explicó.

Para detectar y corregir los transistores y las capas de conectores entrelazados defectuosos se necesitan herramientas de software sofisticadas que evolucionan de manera radical para estar a la altura de la Ley de Moore, que establece que cada dos años se duplica la cantidad de transistores en el mismo tamaño de silicio.

Esto ocurre porque los ingenieros siguen encontrando formas de crear transistores más pequeños y eficientes y cables para conectarlos, pero Troullinos, como muchos otros en su campo, observa que esto es cada vez más difícil.

“La ingeniería es el arte y la ciencia de resolver problemas difíciles y de encontrar soluciones a problemas de excepcional complejidad para alcanzar casi la perfección” , afirmó Troullinos, que se sumó a Intel en 1996.

Troullinos estudió ingeniería eléctrica en Aristoteleion Panepistimion de Thessaloniki en Grecia antes obtener su doctorado en ciencias de la computación en Syracuse. En Intel, es famoso por ayudar a diseñar herramientas de software que agilizan el proceso de diseño de los chips.

“Las herramientas de software son tan importantes como la tecnología que se crea”, destacó. “Las herramientas de software permiten a nuestra gente diseñar y crear estos chips de increíble complejidad”.

Explicó que las herramientas no son perfectas, pero siguen evolucionando y mejorando, porque tienen que estar a la altura de la Ley de Moore.

Si bien los gurús de la ciencia que se convirtieron en estrellas de TV, Adam Savage y Jamie Hyneman satirizaron la Ley de Moore en un video de 2007 para Intel, la nanociencia que introduce la Ley de Moore en el futuro es cada vez más tediosa y complicada.

Troullinos explicó que no solo tiene que trabajar con circuitos más pequeños cada dos años, sino que también debe resolver varias complejidades derivadas de integrar funciones analógicas y digitales más intricadas o complejas, sin mencionar la fusión de las unidades de procesamiento central (CPU) con gráficos o LTE (comunicación inalámbrica de cuarta generación) como el sistema Intel Atom x3 en un chip, con nombre de código SoFIA.

“El mundo real es analógico y creamos lo digital para simplificar las cosas o para que se puedan repetir”, explicó. “Lo analógico es gradual y continuo, mientras que lo digital se limita a valores específicos al igual que los binarios se limitan a dos valores: encendido o apagado, sí o no”.

Antes de que el diseño del chip ingrese en la fase de fabricación masiva, debe cumplir con estrictas normas de calidad. El “lápiz óptico” que se utiliza para crear el patrón de los chips actuales es 15 veces más ancho que los circuitos más delgados. Esto se traduce en muchas ventajas y desventajas, y por ello, su equipo creó las herramientas de software, que agilizan las reparaciones.

Lo describe como tratar de solucionar un problema en un lugar estrecho y oscuro. En primer lugar, el área irregular se debe identificar, agrandar e iluminar para poder realizar las reparaciones quirúrgicas.

“Se solía hacer manualmente, pero estamos entrenando cada vez más las computadoras para que lo hagan”, explicó.

“Después de una decena de veces de arreglar una pequeña porción de un chip, podemos programar o entrenar las máquinas para que hagan las reparaciones”.

chip

Estas imágenes muestran el avance de reparaciones recientes en una pieza de un chip futuro de 10 nanómetros. Este bloque es unas 50 veces más pequeño que el chip real. Se realizaron miles de reparaciones pequeñísimas en un día con la ayuda de ingenieros en Estados Unidos, Costa Rica y Penang que trabajan en paralelo.

“Lo que solía tardar varios días o semanas en resolverse ahora puede lograrse en un día”, explicó Troullinos.

“Sin estas herramientas de software, sería difícil mantener con vida la Ley de Moore“, afirmó.

En el límite de la perfección Troullinos encuentra la necesidad de variación, algo que considera esencial para la vida y la electrónica.

“Dentro de los circuitos, los aspectos del cambio son los que los hacen funcionar. Gracias a estas variaciones, cobran vida”.

 

Nota del redactor: En este video se presenta a Dave Pivin, un ingeniero de análisis de Intel que busca los defectos en los chips una vez fabricados en las obleas de silicio. “Mi tarea consiste en encontrar una aguja en el pajar y busco en un millón de pajares una sola aguja”, describió. “Estos días de los 22 nanómetros y los 14 nanómetros, los defectos son tan pequeños que son casi invisibles”.

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