Cómo el indicador más importante de la industria del chip perdió su significado original
(El contenido de este artículo forma parte del capítulo 7 de mi libro: «¿Qué hacen por nosotros los semiconductores? El petróleo del siglo XXI«)
Imagine el lector que va a comprar un coche y el vendedor le dice que el motor tiene doscientos caballos. Una cifra inequívoca, medible y verificable. Ahora imagine que, años después, esa misma cifra empezara a significar cosas diferentes dependiendo de quién vende el coche, para unos fabricantes serían los doscientos caballos de toda la vida; pero para otros, ciento veinte con una configuración especial; y para algunos, directamente, un número elegido por el departamento de marketing sin correlación alguna con el motor del vehículo. Algo parecido, aunque mucho más complejo y con consecuencias de alcance global, ha ocurrido en la industria de los semiconductores con el concepto de “nodo tecnológico”.
El nodo tecnológico, un número expresado en nanómetros que durante décadas definió con precisión casi quirúrgica la generación de un chip, ha dejado de tener el significado que alguna vez tuvo. Lo que nació como una medida física concreta se ha transformado, con el paso de los años y el empuje de la competencia industrial, en una convención de marketing que puede significar cosas muy distintas según quién la pronuncie. Para entender cómo ha llegado la industria a esta situación y por qué importa, hay que remontarse a los orígenes de la microelectrónica moderna.
1. La dimensión que lo cambió todo: el nacimiento del nodo
En el corazón de cualquier chip moderno late el transistor y, en concreto, una variante que desde los años setenta se ha convertido en el componente casi universal de la electrónica digital: el MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). En su estructura más básica, el MOSFET funciona como un interruptor microscópico, en el que una señal eléctrica aplicada a uno de sus terminales —la Puerta— decide si la corriente puede o no fluir entre otros dos —la Fuente y el Drenador— a través de una zona denominada Canal. De todas las dimensiones de ese dispositivo, la más decisiva es la longitud de ese canal, que convencionalmente se representa con la letra L.
Desde los primeros días de la microelectrónica integrada, la industria necesitaba un parámetro simple que sirviera de referencia para comparar entre sí las distintas generaciones de chips. La solución fue tan lógica como elegante y consistió en utilizar precisamente esa longitud de canal como indicador de referencia. Si un fabricante anunciaba un chip del nodo de 90 nm, la información era inequívoca, los transistores de ese chip tenían un canal de noventa nanómetros. Y eso, en la práctica, lo decía todo, ya que una longitud de canal menor implicaba transistores más pequeños, más rápidos, más eficientes energéticamente y más numerosos por milímetro cuadrado de silicio. El nodo tecnológico era, en definitiva, la tarjeta de presentación de un chip.
Para poner esta escala en perspectiva, cuando los primeros circuitos integrados comerciales aparecieron a finales de los años cincuenta, los transistores tenían canales de decenas de micrómetros, es decir, de decenas de miles de nanómetros. El primer microprocesador de la historia, el Intel 4004 de 1971, trabajaba con dimensiones de alrededor de diez micrómetros y una densidad de unos ciento ochenta y ocho transistores por milímetro cuadrado. El procesador A17 Bionic del iPhone 15, fabricado en 2023, aloja ciento ochenta y tres millones de transistores en ese mismo milímetro cuadrado. Un salto de casi un millón de veces en densidad, conseguido fundamentalmente reduciendo la longitud del canal en más de mil veces. La figura permite situar en contexto estas dimensiones.
Esquema del transistor MOSFET con la longitud de canal L señalada. A efectos comparativos, se muestra en una escala logarítmica desde un átomo a una célula
2. El escalado ideal: una hoja de ruta con la precisión de un reloj
La reducción progresiva del tamaño de los transistores no fue nunca un proceso errático ni improvisado. Muy al contrario, fue planificada con una meticulosidad casi obsesiva gracias a un marco teórico que en 1974 formularon Robert Dennard y sus colegas de IBM en un artículo que hoy se considera fundacional. Dennard estableció las reglas del denominado escalado ideal, que, en esencia, indican que si se quiere reducir el transistor en un factor k, todas sus dimensiones (tanto horizontales como verticales), las tensiones de funcionamiento y las corrientes deben reducirse de manera coordinada siguiendo ese mismo factor. El resultado, sobre el papel y durante décadas también en la práctica, fue que el transistor resultante era más pequeño, más rápido y consumía menos energía. Cuatro veces más transistores en el mismo espacio, con el mismo consumo total. Una combinación perfecta.
Esta lógica encontró su expresión institucional en 1994, cuando la Semiconductor Industry Association impulsó la creación de la National Technology Roadmap for Semiconductors, que a finales de los noventa se convirtió en el ITRS —International Technology Roadmap for Semiconductors—, el plan estratégico más influyente de la historia de la industria.
La premisa era sencilla y se resumía en que cada nueva generación de chips debía reducir las dimensiones de los transistores en un factor 0.7 respecto a la generación anterior. ¿Por qué ese número y no otro? Porque 0.7 × 0.7 ≈ 0,5, lo que implica reducir a la mitad el área de cada transistor y, en consecuencia, duplicar su número por milímetro cuadrado de silicio. Seguir la Ley de Moore —la célebre observación de Gordon Moore según la cual el número de transistores en un chip se duplica aproximadamente cada dos años— tenía así una receta clara y reproducible.
La secuencia de nodos que resultó de esta lógica es ya historia: 250 nm, 180 nm, 130 nm, 90 nm, 65 nm, 45 nm… Generación tras generación, con una regularidad casi cronométrica de dos a tres años entre nodo y nodo, los científicos e ingenieros de la industria de todo el mundo ejecutaron esa hoja de ruta con una precisión asombrosa. El nodo tecnológico, durante este período, era una promesa cumplida, nombraba exactamente aquello que prometía. La figura muestra la evolución de los nodos tecnológicos en función del tiempo desde 1970 hasta aproximadamente 2010, mostrando la progresión ideal con el factor 0.7 entre generaciones. El eje vertical es logarítmico. La región sombreada en rojo indica el rango de valores obtenidos por distintos fabricantes .
La evolución de los nodos en la época del escalado ideal
3. La ruptura: cuando la física puso frenos al escalado
La era dorada del escalado ideal comenzó a resquebrajarse en torno al nodo de 90 nm, incorporado a las líneas de fabricación en 2003. El problema tenía un nombre técnico —la imposibilidad de seguir escalando la tensión de alimentación— pero sus consecuencias eran muy concretas. A medida que el canal del transistor se acortaba, los campos eléctricos en su interior crecían de forma alarmante. El campo eléctrico (E) es simplemente E = V/L; si L disminuye pero la tensión V no puede reducirse en la misma proporción, E aumenta inevitablemente. El resultado eran fugas de corriente, disipación de calor excesiva y comportamientos erráticos que los diseños convencionales no podían contener.
La respuesta de la industria fue una cascada de innovaciones de enorme ingenio. Se introdujeron tensiones mecánicas en el silicio para mejorar la movilidad de los portadores de carga. Se sustituyeron materiales clásicos como el dióxido de silicio por nuevos dieléctricos de alta permitividad y puertas metálicas. Se recurrió a técnicas litográficas cada vez más elaboradas para seguir definiendo estructuras cada vez más pequeñas con fuentes de luz que ya no eran capaces de hacerlo directamente.
Pero el cambio más radical llegó en 2011, con el nodo de 22 nm y la irrupción comercial de un nuevo tipo de transistor, el FinFET, o transistor de aleta, en el que la Puerta deja de ser plana y pasa a rodear el Canal por tres lados, abrazando una fina aleta vertical de silicio como una herradura. Este salto representó el final de la arquitectura MOSFET plana que había dominado durante casi medio siglo y el inicio de una nueva era, la de los transistores tridimensionales. A partir de ese momento, la longitud del canal dejó de ser la única —ni siquiera la principal— dimensión que caracterizaba un transistor. Y con eso, el concepto de nodo tecnológico sufrió una transformación irreversible. La siguiente figura muestra una comparativa visual de las arquitecturas MOSFET, FinFET y GAAFET, mostrando cómo la Puerta envuelve progresivamente el Canal en cada generación
Del MOSFET al FinFET y el GAAFET
4. El marketing toma las riendas: el número que ya no mide nada
Hasta 2010-2012, el nombre del nodo tecnológico tenía una correlación directa con la longitud del Canal de los transistores. A partir de entonces, esa relación se rompió de forma progresiva e irreparable. El motivo es geométrico, con la llegada del FinFET, el transistor dejó de ser plano y su caracterización mediante una sola dimensión perdió todo sentido físico. Distintos fabricantes comenzaron a definir sus nodos con criterios propios, no siempre transparentes y frecuentemente incomparables entre sí. La gran variabilidad que empieza a observarse a partir del nodo de 32 nm en las gráficas de la industria es precisamente el reflejo de esta fragmentación.
El resultado es que, desde el nodo de 22 nm en adelante, el número que da nombre a un nodo —esos 7, 5, 3 o 2 nanómetros que pueblan los titulares de las revistas técnicas en la actualidad— no se corresponde con ninguna dimensión física concreta del transistor. El propio fabricante taiwanés TSMC, líder mundial en la fabricación de chips de vanguardia, ha reconocido que la métrica nanométrica está hoy prácticamente obsoleta como descriptor tecnológico. Intel llama a su tecnología «Intel 4» mientras que TSMC denominó «5 nm» a un nodo comparable. Samsung utiliza su propio vocabulario. Tres empresas, tres sistemas de nomenclatura, ninguna dimensión real de 3, 4 o 5 nanómetros en sus respectivos transistores. Si ese número significara literalmente la longitud del canal, estaríamos hablando de dimensiones atómicas —un átomo de silicio mide alrededor de 0.2 nanómetros—, y la física cuántica haría imposible el funcionamiento de cualquier dispositivo en esas condiciones. Dos ecuaciones resumen con claridad este recorrido:
Antes de 2012: Nodo tecnológico = Longitud del canal del MOSFET
Después de 2012: Nodo tecnológico = Generación de chips (con connotaciones de marketing)
Lo que sí se mantiene es el objetivo de fondo, esto es, que cada nuevo nodo debe ofrecer una densidad de transistores significativamente superior al anterior. Un chip del nodo de 3 nm —sea lo que sea lo que eso signifique para cada fabricante— tendrá, efectivamente, una densidad de transistores similar a la que habría tenido un chip MOSFET plano con canales de 3 nm. Solo que esos transistores de canal tan corto habrían sido inviables por las fugas de corriente. El nodo tecnológico se ha convertido en una unidad de generación, no de longitud, es un marcador de progreso relativo, despojado de su significado geométrico original. La última figura del artículo detalla la evolución de los nodos tecnológicos ampliada hasta 2025, mostrando el desacople entre el nombre nominal del nodo y el tamaño mínimo real de la característica del transistor a partir del nodo de 22 nm.
Los nodos tecnológicos en la actualidad
Termino este artículo con una nota que los titulares tecnológicos suelen omitir: solo el 2-3 % de la capacidad mundial de fabricación de chips se concentra en nodos inferiores a 10 nm. El resto —dispositivos discretos, circuitos analógicos, componentes de potencia, sensores, optoelectrónica— vive y prospera en nodos de 28, 65, 90 o incluso 180 nm, donde el nombre sigue teniendo todo su significado original. La carrera por el nanómetro más pequeño es real y apasionante, pero no es el único frente de batalla.
El nodo tecnológico ha recorrido un camino fascinante y ha pasado de ser la medida exacta de un transistor a convertirse en la contraseña de una generación. Que el número ya no diga la verdad no significa que el progreso se haya detenido. Significa, simplemente, que la realidad de los chips se ha vuelto demasiado compleja y rica para caber en un solo número. Y eso, en cierto modo, es también una forma de progreso.
Para completar y ampliar el contenido de este artículo, os dejo un vídeo generado por Notebook LM:
Un poco de ciencia, por favor 