Abrid paso, microchips: la era del megachip ha llegado

Si los microchips fueran ciudades, la nueva estrategia de la industria para mejorarlos podría resumirse en una palabra: expansión. En algunos casos, los chips de nuestros dispositivos más potentes están ocupando tanto espacio que ya casi no pueden considerarse "micro".

Una de las estrategias que emplean los ingenieros para ello es apilar microchips unos encima de otros. Es como la densificación urbana, solo que, en lugar de construir nuevos bloques de apartamentos, las baldosas de silicio del interior de los ordenadores, que normalmente son planas, pasan a tener varios pisos, con circuitos utilizados para funciones como la memoria, la gestión de la energía y los gráficos apilados unos encima de otros.

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Lo que impulsa esta tendencia en el diseño de chips es una simple realidad: la presión para que los chips sigan siendo más rápidos y nuestros dispositivos más capaces es implacable, y la capacidad de la industria de los chips para mantener el ritmo reduciendo el tamaño de los transistores para obtener más rendimiento se está topando con barreras técnicas.

Por ello, los ingenieros de semiconductores están aumentando el rendimiento al juntar más los chips. Están creando mini-metrópolis de silicio en el corazón de nuestro mundo electrónico. En algunos casos, estas aglomeraciones de cristales grabados están creciendo tanto que alcanzan dimensiones físicas nunca vistas en los chips.

En la actualidad, la mayoría de los chips tienen el tamaño de una moneda de diez o de 25 centavos estadounidenses, pero algunos están creciendo hasta alcanzar casi el tamaño de una carta de la baraja o, en un caso, de un plato llano.

"Estas aglomeraciones de cristales grabados están creciendo tanto que alcanzan dimensiones físicas nunca vistas en los chips"

Estos megachips se dan no solo en los superordenadores más potentes del mundo, sino también en dispositivos domésticos. La consola de videojuegos Xbox de Microsoft y la PlayStation 5 de Sony utilizan algunos, diseñados por Advanced Micro Devices. Apple ha adoptado este enfoque de diseño en su M1 Ultra para sus ordenadores Mac Studio, y también componen el corazón del procesador Ponte Vecchio de Intel, utilizado en superordenadores y centros de datos.

Pero estos megachips pueden suponer un reto para los ingenieros a la hora de gestionar el calor adicional que generan por todos los cálculos que se realizan en circuitos densamente empaquetados. Y aunque pueden ser más eficientes desde el punto de vista energético, su gran tamaño significa que a veces también acaban consumiendo mucha energía. El chip Ponte Vecchio de Intel, por ejemplo, es eficiente en cada cálculo, pero consume 600 vatios, casi lo suficiente para hacer funcionar un secador de pelo. Si se pregunta por qué los megachips no están todavía en su dispositivo móvil, ésta es la respuesta.

Según algunas medidas, los megachips son simplemente una forma de continuar la tendencia de la Ley de Moore: el fundador de Intel, Gordon Moore, observó que cada dos años aproximadamente los consumidores pueden esperar el doble de transistores, y por tanto de potencia de cálculo, por cada dólar. Ya se ha declarado previamente que esta regla había dejado de cumplirse, pero los chips siguen mejorando. Los megachips son la última innovación de la industria para cumplir la promesa de un rendimiento cada vez mayor.

La empresa holandesa ASML tiene prácticamente el monopolio de la fabricación de las herramientas esenciales para producir los chips más avanzados del mundo, con los transistores más pequeños. Y sin embargo, ha llegado a afirmar que, para mantener la Ley de Moore, no basta con hacer más pequeñas las características de un chip. En una presentación a los inversores en septiembre de 2021, habló de la idea del "escalado del sistema". Un portavoz de ASML confirma que la empresa considera que el escalado de sistemas es complementario al trabajo que realiza ASML para reducir el tamaño de las características de los microchips.

Utilizando la metáfora urbana, si una ciudad no puede reducir el tamaño de sus viviendas o hacer que su tránsito sea más eficiente, no tiene más remedio que expandirse hacia arriba y hacia afuera, tal como la superficie de la isla de Singapur ha crecido casi un 25% en los últimos 50 años.

De entre todos, uno

Fabricar megachips no es tarea fácil, en parte porque hacerlo significa colocar cada componente del chip en su lugar con precisión nanométrica, y conectarlos sin el beneficio de una pistola de soldadura microscópica.

Esto es posible, en gran parte, gracias a la reciente innovación en un área que durante mucho tiempo ha sido descuidada por la industria de los chips: el "empaquetado". Es el paso, poco conocido, que se da tras la fabricación de un microchip, cuando se conecta a pequeños cables y se envuelve en plástico antes de colocarlo en una placa, también cubierta de cables, que lo conecta al resto de un dispositivo.

En los dispositivos tradicionales, un chip que recibe y transmite ondas de radio (por ejemplo, para comunicarse por Wi-Fi) puede conectarse a otro que realiza cálculos de propósito general, y la conexión entre ellos es una pieza que se llama literalmente "bus". Pero al igual que su equivalente en el mundo real, este bus no es una forma rápida de transportar nada entre estas ciudades de silicio adyacentes. En cambio, el nuevo paquete de megachips conecta estos dos chips —y potencialmente muchos más— directamente. El resultado es más parecido a poner todos estos chips juntos bajo un mismo techo, en un único rascacielos.

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Según Subramanian Iyer, antiguo director de desarrollo de empaquetado de International Business Machines y ahora profesor de la Universidad de California en Los Ángeles, un microchip convencional debe dedicar casi un tercio de su superficie —y otro tanto de su consumo de energía— a los circuitos que comunican los resultados de los cálculos del chip al resto del dispositivo. El apilamiento de chips agiliza la comunicación entre ellos porque permite que haya muchas más conexiones, del mismo modo que es más rápido viajar en ascensor entre los pisos de un rascacielos que atravesar a pie un edificio para llegar al vecino más cercano.

Este tipo de sistemas es habitual en los chips de memoria desde hace tiempo. Micron Technology, con sede en Boise (Idaho), acaba de presentar un chip de memoria de 232 capas que, si fuera un edificio, no desentonaría en el Strip de Las Vegas. Pero ahora, el sistema acaba de llegar a otros tipos de microchips.

El elemento esencial para hacer realidad los megachips y el apilamiento de chips es un nuevo tipo de microchip, llamado "chiplet". Este microchip prescinde de algunos de los circuitos antiguos para comunicarse más directamente con otros chiplets. Al crear muchas conexiones cortas y directas, a menudo forjadas con el mismo silicio del que están hechos los propios chips, en lugar de cobre u otro metal, estos chiplets pueden fusionarse con otros chiplets para formar megachips.

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La comunicación directa entre los distintos chiplets que componen un megachip es lo que les permite funcionar como un único y gigantesco microprocesador, explica Rakesh Kumar, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.

Un ejemplo extremo son los procesadores gráficos Ponte Vecchio de Intel, anunciados recientemente. Cada uno está formado por 63 chiplets diferentes. Estos chiplets, apilados y apiñados unos junto a otros, tienen una superficie total de 3.100 milímetros cuadrados e incluyen 100.000 millones de transistores. A modo de comparación, el típico chip del corazón de un ordenador portátil mide menos de 150 milímetros cuadrados, es decir, la vigésima parte de su tamaño, y tiene unos 1.500 millones de transistores, un 1,5 % más.

El uso de chiplets apilados es claramente el futuro de los procesadores de Intel: la mayoría de sus procesadores para servidores, ordenadores de sobremesa y portátiles, ya anunciados pero aún no comercializados, están construidos con esta tecnología. Hacer las cosas de esta manera "ofrece un enfoque totalmente nuevo para la fabricación de chips que es más rápido y más rentable que los métodos tradicionales", afirma Das Sharma, un alto cargo de Intel.

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El apilamiento de chiplets también permite a Intel aumentar el rendimiento de su próxima generación de chips para ordenadores de sobremesa y servidores sin aumentar su huella bidimensional ni su consumo total de energía, señala. Esto puede parecer contradictorio, pero ayuda a entender que la cantidad de energía que utiliza un chip es una decisión de diseño, y el ahorro de energía es una de las principales prioridades de la industria. Los chiplets apilados pueden permitir a los ingenieros sacar más provecho de los diseños existentes al economizar el tiempo y la energía necesarios para que las distintas partes del chip se comuniquen. Pero cuando el rendimiento es la prioridad, los chiplets también pueden utilizarse para hacer que los microchips sean más grandes y, por tanto, consuman más energía.

AMD, pionera de la era actual de la tecnología de chiplets, ya ofrece procesadores con un puñado de chiplets en su interior. La empresa ha comprobado que con solo apilar un chip de memoria sobre su CPU —el chip que realiza la mayor parte de los cálculos no gráficos de un ordenador— ha podido aumentar considerablemente la velocidad de sus sistemas.

Ahora todo el mundo baila

Aunque actualmente los megachips basados en chiplets son pocos y solo aparecen en los sistemas más potentes, la tendencia a fabricarlos se está acelerando, afirma Marc Swinnen, director de marketing de productos de Ansys, una empresa que crea software de simulación física muy utilizado en el sector del diseño de microchips. (La mayoría de los clientes de Ansys prefieren permanecer en el anonimato, pero Samsung está entre ellos).

El número de proyectos de los clientes de Ansys que implican chiplets apilados se ha multiplicado por 20 desde 2019, cuando era de un solo dígito, dice un portavoz de la compañía. (Para tener una perspectiva, se estima que el número total de tales proyectos de diseño de chips en curso en el mundo en cualquier momento es de varios cientos).

En marzo, un consorcio de la industria llamado Universal Chiplet Interconnect Express, o UCIe, anunció que tanto Intel como AMD, normalmente rivales, habían optado por adherirse a su último estándar. Este estándar pretende que cualquiera que lo siga pueda crear chiplets que se conecten con los de otros fabricantes. El grupo también incluye a Arm, Taiwan Semiconductor Manufacturing, Samsung y otros gigantes del diseño y la fabricación de microchips.

"Estandarizar cualquier cosa en una industria tan despiadada es un reto"

La esperanza de crear una forma estándar de conectar los chiplets es que, en el futuro, cualquier empresa pueda comprar chiplets de cualquier otra y luego ensamblarlos en cualquier chip al estilo del monstruo de Frankenstein que requiera para su uso particular, expone Debendra Das Sharma, presidente de la UCIe y miembro principal de Intel. Volviendo a la metáfora de las ciudades, imagina que pudieras coger los mejores trozos de Nueva York, Río de Janeiro y Tokio y unirlos para formar una ciudad de ensueño adaptada a tus gustos particulares.

Por supuesto, para que esto funcione hay que contar con muchas empresas diferentes. La naturaleza del estándar de UCIe y los nombres de marca que se han unido a la organización son prueba suficiente de que tendrá éxito, según Sharma.

Pero Kumar, de la Universidad de Illinois, no está tan seguro. "Estandarizar cualquier cosa en una industria tan despiadada es un reto, porque hay que llegar a compromisos y no todo el mundo tiene incentivos para jugar limpio", advierte.

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Uno de los principales motores del interés de toda la industria por esta tecnología es el deseo de una creciente variedad de empresas —como Amazon, Google, Microsoft, Tesla y otras— de crear sus propios microchips, cada vez más potentes, para hacer funcionar todo tipo de dispositivos, desde servicios en la nube y teléfonos inteligentes hasta consolas de juegos y vehículos.

"Ahora hay divisiones enteras de grandes empresas cuya propuesta de negocio se basa en la calidad de su silicio", dice Swinnen.

Iyer, de UCLA, afirma que la inteligencia artificial y los sistemas de aprendizaje automático exigen mucho al hardware existente. Mientras que algunos han respondido a esta necesidad construyendo microchips verdaderamente gigantescos a la antigua usanza (una empresa llamada Cerebras ha fabricado un chip que ocupa toda la superficie de una oblea de silicio en la que suelen grabarse docenas de microchips), otros, incluido el equipo de Iyer, están trabajando en megachips centrados en la IA y compuestos por chiplets.

De superordenadores a prendas de vestir

El entusiasmo por los megachips sugiere que algún día podrían evolucionar más allá de su uso actual en dispositivos en los que el rendimiento se valora más que el consumo de energía o la duración de la batería.

Al igual que una ciudad conectada a sus suburbios con sistemas de transporte rápidos, los futuros chiplets podrían conectarse entre sí a través de distancias más largas y por medios novedosos, afirma Kumar.

A primera vista, esto no tiene mucho sentido, ya que alejar los chips aumenta el tiempo que tardan en comunicarse. Pero tiene al menos una ventaja inesperada. Los chips más pequeños conectados con circuitos flexibles pueden utilizarse para construir ordenadores flexibles. Incluso podría dar lugar a tipos de dispositivos totalmente nuevos.

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Los experimentos que ya está llevando a cabo el equipo de Kumar sugieren, por ejemplo, que los chiplets podrían conectarse con circuitos flexibles para crear sistemas portátiles o sistemas que pudieran envolver superficies, como las alas de los aviones. Iyer afirma que su equipo está trabajando en la creación de todos los componentes necesarios para un teléfono flexible.

A pesar de los retos que plantean los megachips, la tendencia a dividir los microchips actuales en chips más pequeños que puedan volverse a ensamblar en Voltrones de computación más grandes y potentes está ganando impulso. De hecho, la Ley de Moore —la mejora continua de los microchips— no podría continuar sin ella.

En resumen: la proliferación de chips no ha hecho más que empezar.

*Contenido con licencia de 'The Wall Street Journal'