Los transistores son la piedra angular de los circuitos integrados. Los primeros tal y como los conocemos actualmente fueron inventados en 1947 por John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, tres físicos de los Laboratorios Bell. Una forma sencilla de definir un transistor nos invita a describirlo como un dispositivo electrónico semiconductor que es capaz de responder a una señal de entrada entregándonos una salida determinada. Un amplificador electrónico, por ejemplo, incrementará en su salida la potencia, la tensión o la corriente de la señal que coloquemos en su entrada, recurriendo, eso sí, a una fuente de alimentación externa.

Existen varios tipos de transistores (bipolares, de contacto puntual, de efecto campo, uniunión, de electrón único, fototransistores, electroquímicos orgánicos, etc.), pero, afortunadamente, no hace falta que profundicemos en ellos mucho más para poder seguir adelante con este artículo. Nos basta conocer dos datos más acerca de estos dispositivos. Por un lado, que son elementos activos dentro de los circuitos integrados. Y, además, que los que nos han permitido alcanzar el nivel de integración que utilizan las técnicas litográficas actuales son los de efecto campo (FET).

Los transistores de bismuto nos prometen cambiar las reglas del juego de los chips

El físico español Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), en EEUU, hablaron del potencial del nitruro de boro en un artículo científico que publicaron en Science en 2021. En aquel momento su propuesta era tan solo teórica, pero tres años después llevaron sus ideas a la práctica. Y sí, tienen un potencial enorme. Lo que hicieron, en definitiva, es fabricar un nuevo tipo de transistores utilizando un material ferroeléctrico ultradelgado constituido de nitruro de boro (es un compuesto extremadamente duro conformado en la misma proporción por boro y nitrógeno).

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El punto de partida de los investigadores de la Universidad de Pekín de los que os hablamos en el titular de este artículo es distinto. En el texto científico que han publicado en Nature Materials sostienen haber diseñado un transistor de efecto campo de tipo GAAFET (Gate-All-Around Field-Effect Transistor) que es un 40% más rápido y un 10% más eficiente desde un punto de vista energético que los transistores FinFET más avanzados que utilizan Intel y TSMC actualmente. Suena bien.

La tecnología GAAFET es ya el presente de los semiconductores, por lo que TSMC, Intel y Samsung llevan varios años trabajando en ella. Sin embargo, estos transistores chinos tienen una característica que los desmarca claramente de los dispositivos que están empleando las tres compañías que acabo de mencionar: utilizan bismuto en vez de silicio. El uso de este elemento químico, según estos científicos chinos, permite a estos transistores resolver las limitaciones impuestas por el silicio al implementar circuitos integrados que van más allá de los 3 nm.

Estas declaraciones de Peng Hailin, profesor de química física en la Universidad de Pekín y líder de esta investigación, expresan con rotundidad por qué estos transistores son importantes: "Es el transistor más rápido y eficiente jamás creado [...] Si las innovaciones en chips basadas en materiales existentes se consideran un atajo, entonces nuestros transistores basados en materiales 2D son como 'cambiar de carril' [...] Nuestra investigación demuestra que los GAAFET 2D exhiben un rendimiento y una eficiencia energética comparables a los transistores comerciales de silicio, lo que los convierte en candidatos prometedores para la próxima generación de semiconductores". Ojalá sea así. Ojalá estos transistores tengan éxito a la hora de salir del laboratorio y ser adoptados por la industria.

Imagen | TSMC

Más información | Nature Materials

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Los transistores son la piedra angular sobre la que se yergue la industria de los semiconductores. Actualmente podemos encontrar estos diminutos elementos en prácticamente cualquier circuito integrado que podamos imaginar: microprocesadores, amplificadores de potencia, conmutadores, rectificadores, osciladores… Y esto en la práctica significa que residen dentro de nuestros ordenadores, smartphones, tabletas, equipos de música, televisores, radios, coches, equipamiento médico y un sinfín de dispositivos más.

Aunque sus precursores son aún más antiguos, los primeros transistores tal y como los conocemos actualmente fueron inventados en 1947 por John Bardeen, William Shockley y Walter Brattain, tres físicos de los Laboratorios Bell. Una forma sencilla de definir un transistor nos invita a describirlo como un dispositivo electrónico semiconductor que es capaz de responder a una señal de entrada entregándonos una salida determinada. Un amplificador electrónico, por ejemplo, incrementará en su salida la potencia, la tensión o la corriente de la señal que coloquemos en su entrada, recurriendo, eso sí, a una fuente de alimentación externa.

Existen varios tipos de transistores (bipolares, de contacto puntual, de efecto campo, uniunión, de electrón único, fototransistores, electroquímicos orgánicos, etc.), pero, afortunadamente, no hace falta que profundicemos en ellos mucho más para poder seguir adelante con este artículo. Nos basta conocer dos datos más acerca de estos dispositivos. Por un lado, que son elementos activos dentro de los circuitos integrados. Y, además, que los que nos han permitido alcanzar el nivel de integración que utilizan las técnicas litográficas actuales son los de efecto campo (FET).

Así se las gasta el transistor más rápido y resistente creado hasta ahora

El físico español Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), en EEUU, hablaron del potencial del nitruro de boro en un artículo científico que publicaron en Science en 2021. En aquel momento su propuesta era tan solo teórica, pero tres años después han llevado sus ideas a la práctica. Y sí, tienen un potencial enorme. Lo que han hecho, en definitiva, es fabricar un nuevo tipo de transistores utilizando un material ferroeléctrico ultradelgado constituido de nitruro de boro (es un compuesto extremadamente duro constituido en la misma proporción por boro y nitrógeno).

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"En mi laboratorio ante todo hacemos física fundamental [...] Este es uno de los primeros ejemplos, quizá el más contundente, de cómo la ciencia básica nos ha llevado a algo que tiene la capacidad de ejercer un gran impacto gracias a sus aplicaciones", sostiene Pablo Jarillo. Esta declaración de este científico se sostiene sobre el hecho de que los transistores que ha creado su equipo tienen una velocidad de conmutación, una resistencia y un tamaño tan compacto que presumiblemente pueden dar lugar a una nueva electrónica capaz de entregarnos dispositivos mucho más rápidos y eficientes desde un punto de vista energético que los actuales.

Estos científicos del MIT han publicado los resultados preliminares de sus pruebas con los transistores de nitruro de boro en Science, y en su artículo hacen hincapié en otra característica fundamental de estos dispositivos: son inmunes al desgaste que a medio o largo plazo degrada otros materiales similares. Raymond Ashoori, otro de los responsables de esta investigación, explica el impacto que esta propiedad puede tener en los futuros dispositivos electrónicos que presumiblemente utilizarán este nuevo tipo de transistores.

"El milagro es que al deslizar las dos capas que constituyen los transistores unos pocos ángstroms obtienes una electrónica radicalmente diferente. Y en el deslizamiento no se desgasta nada. Cada vez que escribes o borras datos en una memoria flash se produce cierta degradación. De hecho, con el tiempo se desgasta, por lo que es necesario poner a punto métodos muy sofisticados para distribuir dónde estás leyendo o escribiendo en el chip", puntualiza Ashoori. Suena muy bien. Todo suena realmente bien, pero es importante que tengamos en cuenta que esta tecnología todavía no ha salido del laboratorio. Y cuando lo haga, entre otros desafíos, tendrá que demostrar su escalabilidad. En cualquier caso, no cabe duda de que estamos ante algo muy prometedor.

Imagen | TSMC

Más información | Science

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La inteligencia artificial general es un tipo de sistema automático que puede realizar con éxito cualquier tarea intelectual llevada a cabo por los seres humanos. No solo eso: esta modalidad de inteligencia artificial (IA), conocida como AGI por su denominación en inglés (Artificial General Intelligence), también deberá ser capaz de realizar juicios y razonamientos ante una situación de incertidumbre a partir del aprendizaje y el entrenamiento, así como de comunicarse utilizando el lenguaje natural, planificar o aprender.

Esta es la acertada definición de AGI con la que mi compañero Javier Pastor abordó el completísimo artículo que dedicó a esta forma de IA a finales del pasado mes de noviembre. No obstante, también nos interesa conocer la definición que nos propone OpenAI porque introduce un matiz interesante: la inteligencia artificial general es un sistema autónomo que supera la capacidad humana a la hora de realizar la mayor parte de las tareas que tienen un valor económico.

Algunos expertos utilizan los términos 'inteligencia artificial general' e 'inteligencia artificial fuerte' como sinónimos, pero otros prefieren restringir esta última denominación solo para aquellos sistemas que tienen consciencia de su propia existencia, y que, por tanto, tienen la capacidad de desarrollar sus propios sentimientos y experimentar vivencias. Sea como sea hay otro debate encima de la mesa en el que merece la pena que indaguemos: cabe la posibilidad de que el hardware que soporte esta ambiciosa modalidad de IA deba ser radicalmente diferente al que utilizamos hoy. Esto es, precisamente, lo que defiende Extropic.

Los transistores que usamos actualmente no son los ideales para "la era de la IA"

Extropic es una empresa emergente estadounidense fundada por dos científicos especializados en la investigación en inteligencia artificial: Guillaume Verdon y Trevor McCourt. A principios del pasado mes de diciembre anunció la puesta en marcha de una ronda de inversión de 14,1 millones de dólares con el propósito de financiar un proyecto extraordinariamente ambicioso: el desarrollo de una nueva arquitectura de hardware específicamente diseñada desde la base para lidiar de la forma más eficiente posible con los algoritmos de inteligencia artificial.

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Y en la base de este modelo de hardware residen, cómo no, los transistores. Según Verdon y McCourt la ley de Moore está agotándose debido a que los transistores se están aproximando a la escala atómica, de modo que el ruido térmico y otros efectos de naturaleza cuántica pueden arruinar su capacidad de operar en el dominio digital. Además, una de las consecuencias más evidentes que está acarreando el despliegue de grandes centros de datos para aplicaciones de IA es que el consumo de energía se está disparando, lo que ha propiciado que algunas empresas propongan alojar una central nuclear junto a las mayores instalaciones para satisfacer todas sus necesidades energéticas.

Estos dos desafíos, las limitaciones impuestas por los transistores actuales y las crecientes necesidades energéticas de los grandes centros de datos, están sobre la mesa. Y resolverlos, según Verdon y McCourt, exige elaborar un paradigma de computación completamente nuevo que sea capaz de garantizar el escalado del hardware para IA más allá de las limitaciones que impone la computación digital actual. Además, los nuevos aceleradores para IA deben ser mucho más rápidos y eficientes que las actuales GPU que NVIDIA, AMD, Huawei y las demás compañías utilizan en sus grandes centros de datos. Y dejamos para el final quizá lo más importante: este nuevo paradigma de computación debe ser capaz de procesar los algoritmos de IA probabilísticos con los que no pueden lidiar las GPU actuales.

El futuro de la inteligencia artificial general de la que hemos hablado en los primeros párrafos de este artículo está en juego. Las ideas en las que hemos indagado hasta ahora son complicadas, pero podemos intuir qué proponen los científicos de Extropic con más precisión si nos fijamos en que a la lógica digital con la que todos estamos familiarizados gracias a nuestros ordenadores, smartphones y demás dispositivos se le dan bien las operaciones determinísticas, pero, curiosamente, el aprendizaje automático que es tan importante en el ámbito de la inteligencia artificial es de naturaleza probabilística.

Para entender con cierta precisión de qué estamos hablando nos interesa recordar que el determinismo establece que el resultado de un fenómeno u operación está necesariamente determinado por las condiciones iniciales. Sin embargo, el hardware idóneo para procesar los algoritmos de aprendizaje automático no es determinista; es probabilístico. Esto significa, sencillamente, que los datos que nos va a devolver el algoritmo son el resultado de una distribución de probabilidad.

El núcleo de la propuesta de Extropic respeta a pies juntillas esta idea y la traslada a la base de su plataforma de hardware. A los transistores. En este artículo no vamos a indagar con todo el detalle posible en ellos para no complicar el texto excesivamente (si queréis conocer su física con más profundidad os sugiero que echéis un vistazo al estupendo hilo en X del físico Andrew Côté).

No obstante, al menos nos interesa recordar que la velocidad de conmutación de un transistor, que identifica la rapidez con la que puede cambiar entre los estados de encendido y apagado, está condicionada por la carga que está conectada al transistor, la corriente y la tensión de polarización, la estructura interna del transistor, sus características eléctricas naturales, e, incluso, por la temperatura ambiental y su capacidad de disipar la energía térmica en forma de calor.

Andrew Côté.

Sin embargo, la velocidad de conmutación de los transistores de naturaleza termodinámica en los que están trabajando los científicos de Extropic solo está condicionada por el tiempo que tarda el calor ambiental en actuar sobre ellos y en alterar su estado interno. Como acertadamente afirma Côté, es mucho más rápido y requiere menos energía alterar de forma aleatoria el estado de un conjunto de electrones que inducir un flujo de corriente neta a partir de la aplicación de voltaje. Sobre el papel, y esto es lo realmente importante, los transistores termodinámicos de Extropic son mucho más eficientes que los convencionales, y, además, tienen una velocidad de operación varios millones de veces más alta.

Este es el sustrato físico sobre el que Guillaume Verdon y Trevor McCourt proponen construir todo un nuevo paradigma de computación afianzado sobre unos chips de naturaleza termodinámica más eficientes, más rápidos y con un comportamiento eminentemente probabilístico que, en teoría, encajan como un guante en el futuro hardware para IA. Un avance como este tiene la capacidad de allanar el camino a la inteligencia artificial general, aunque aún no está claro cuándo estará lista esta forma de IA tan avanzada. Elon Musk aseguró en 2020 que estaría preparada en 2025, pero la mayor parte de los científicos que investigan en esta área no se atreve a dar una fecha precisa, por lo que el vaticinio de Musk parece, una vez más, demasiado optimista.

Imagen | ThisIsEngineering

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En el ámbito de la teoría de los circuitos eléctricos hay tres elementos fundamentales con los que probablemente todos estamos al menos mínimamente familiarizados: las resistencias, los condensadores y las bobinas. Las primeras identifican la relación que existe entre la corriente y el voltaje, mientras que los condensadores relacionan la carga y el voltaje. Por último, las bobinas determinan la relación que existe entre la corriente y el flujo magnético.

Más allá de su cometido y sus propiedades lo que nos interesa saber es que estos componentes esenciales están presentes en todos los dispositivos electrónicos modernos. Sin embargo, ninguno de ellos tiene la capacidad de almacenar información. Si actuamos sobre cualquiera de ellos cambiando su estado y a continuación le privamos de la alimentación eléctrica, una vez que haya transcurrido un cierto tiempo la información se perderá.

Si las resistencias, los condensadores y las bobinas tuviesen la capacidad de preservar su estado en ausencia de la alimentación eléctrica, los circuitos integrados que utilizamos actualmente necesitarían muchos menos transistores para llevar a cabo su cometido. Esta idea fue la que llevó al ingeniero eléctrico estadounidense Leon Chua a proponer en 1971 la posibilidad de poner a punto un nuevo componente electrónico conocido como memristor (esta palabra procede de la contracción de memory y resistor) que tiene una propiedad muy atractiva: es capaz de "recordar" los estados que ha adoptado previamente, por lo que tiene "memoria".

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Hace más de medio siglo, cuando Leon Chua elaboró su propuesta teórica, la tecnología no permitía desarrollar un memristor, por lo que su idea perduró tan solo como un concepto teórico. Sin embargo, todo cambió en 2008. Varios ingenieros de HP llevaban dos años trabajando para llevar la idea de Chua a la práctica, y lo lograron. Consiguieron fabricar el primer memristor empleando unas láminas muy finas de dióxido de titanio. Como anhelaban, este dispositivo tenía una propiedad sorprendente: mantenía su estado de resistencia en ausencia de alimentación eléctrica.

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Sin embargo, era posible llevar la idea de Chua más allá. Y es que las bobinas y los condensadores también podían en teoría beneficiarse de la posibilidad de preservar su estado en ausencia de alimentación eléctrica. De tener memoria. Durante las últimas dos décadas muchos grupos de investigación y empresas han coqueteado con la posibilidad de desarrollar no solo nuevos memristors, sino también memcapacitors y meminductors. En español podríamos traducir estos términos como memresistencias, memcondensadores y membobinas o meminductores.

Una de las empresas involucradas en el desarrollo de esta tecnología es la alemana Semron. Sus fundadores registraron en 2016 una patente en la que describían la estructura de un innovador componente eléctrico fundamental que podía ser utilizado para procesar información. Y que tenía memoria. En la práctica lo que proponían era el desarrollo de un memcapacitor, o, sencillamente, un condensador con memoria. Cuatro años después de registrar su patente los ingenieros Kai-Uwe Demasius y Aron Kirschen fundaron Semron con el propósito de llevar a la práctica su idea. Y lo han conseguido.

Los memcapacitors de Semron se fabrican empleando los materiales semiconductores que se utilizan actualmente para fabricar los transistores convencionales, por lo que a priori las materias primas no representan un problema. En este artículo no vamos a indagar en su estructura y sus propiedades fisicoquímicas para no complicar este texto en exceso, pero nos interesa no pasar por alto que, según sus creadores, estos memcapacitors pueden utilizarse para fabricar circuitos integrados con una capacidad de procesamiento muy superior a la que tienen los chips convencionales.

Esta característica tan importante es una consecuencia de su capacidad de recordar su estado en ausencia de alimentación eléctrica. No obstante, esta no es la única razón por la que a priori estos componentes pueden revolucionar la tecnología de fabricación de circuitos integrados actual; su estructura y sus propiedades les permiten consumir menos energía y disipar menos calor. Suena bien. Increíblemente bien. Además, en la coyuntura actual a Europa le vendría de maravilla que sea una empresa local la que tire del carro en lo que concierne a una innovación que presumiblemente tiene la capacidad de revolucionar la industria de los semiconductores. Os seguiremos contando tan pronto como tengamos nueva información.

Imagen de portada | Quang Nguyen Vinh

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El evento de presentación de los nuevos Apple M3, MacBook Pro e iMac nos ha permitido conocer la renovada apuesta de la compañía en este segmento. Se ha confirmado el salto a una fotolitografía de 3 nm, pero lo curioso es que esa característica ha resultado ser una decepción. Veamos por qué.

Comparaciones injustas. Apple destacaba cómo las principales mejoras de los SoC Apple M3 llegan en su GPU, que son "hasta 2,5 más rápidas que las de la familia de chips M1". Los núcleos de rendimiento y eficiencia de la CPU son un 30% y un 50% más rápidos que los de los M1 respectivamente. Todo muy bien, pero es que los M1 (el modelo base) son chips de hace tres años.

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No mucho más rápidos que los M2. Según los propios datos publicados por Apple, los M3 no son significativamente más potentes que los M2 a los que reemplazan. A pesar del salto a la litografía de 3 nm, los núcleos de eficiencia de su CPU son un 30% más rápidos pero los de rendimiento son un 15% más rápidos que los de los chips M2. Esperábamos más.

TSMC ya avisaba. En 2020 TSMC ya indicaba cómo sus procesos de producción de chips con fotolitografías de 5 nm y de 3 nm estaban en marcha, y las ganancias iban a ser notables: la densidad mejoraba con cada salto, y si con el nodo de 7 nm podían "meter" 91,20 millones de transistores por milímetro cuadrado, con 5 nm la cifra subiría a 171,3 millones, y con 3 nm el número llegaría a los 291,21 millones de transistores. Aún así, las mejoras en eficiencia y rendimiento serían más modestas: al comparar los 3nm con los 5 nm, explicaban, lograrían entre un 10 y un 15% de mejora de rendimiento con el mismo consumo energético, o bien una reducción del consumo de entre el 25 y el 30% con la misma potencia.

¿Dónde están mis transistores? Hay no obstante un dato que Apple ha publicado y que puede explicar estas modestas mejoras en el rendimiento de su CPU: el número de transistores no ha variado tanto como uno hubiera esperado. El paso de una fotolitografía de 5 nm a una de 3 nm, como hemos visto, permite que la densidad se multiplique por 1,7, pero en Apple aparentemente no han querido aprovechar al máximo esa opción, y al menos en sus M3 y M3 Pro el número de transistores es sospechosamente parecido al de los M1/M2 y M1 Pro/M2Pro.

El número de transistores en los Apple M3 es casi el mismo en los modelos de base y Pro que el que Apple había logrado ofrecer en sus M1 y M2. Solo en el modelo Max se aprecia una diferencia realmente notable. Fuente: elaboración propia a partir de datos de Apple.

Algo raro pasa con el M3 Pro. Ese extraño fenómeno se hace especialmente patente con los nuevos M3 Pro, unos SoC que sorprendentemente tienen menos transistores que los M2 Pro: aquellos tenían 40 millones de transistores, y los nuevos M3 Pro tienen 37 millones. ¿Cómo es posible?

El M3 y el M3 Max cumplen, el M3 Pro no. Teniendo en cuenta que la densidad se multiplica por 1,7, uno esperaría muchos más chips tanto en los M3 como en los M3 Pro. Tomando con referencia los M1 (también fabricados en 5 nm), de los 16 millones de transistores deberíamos haber pasado a 27,2, así que los 25 millones reales son una cifra bastante coherente. El M1 Max de 57 millones debería haber dado un salto a los 96,9 millones, así que de nuevo los 92 millones del M3 Max son razonables. En cambio el M1 Pro tenía 33,7 millones, así que el M3 Pro debería tener cerca de 57,3 millones. En realidad tiene 37, una cifra alarmantemente baja.

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Esperando al M3 Ultra. Si esa progresión y ese factor multiplicador de la densidad se mantiene, podemos estimar la cifra de transistores de los M3 Ultra. Si el M1 Ultra tenía 114 millones de transistores, es de esperar que el M3 Ultra acabe contando con algo menos de 193,8 millones. Que todos estos chips estén algo por debajo, sobre todo en el caso del M3 Pro, puede tener una explicación.

Chips más pequeños (y baratos para Apple). La firma de Cupertino podría haber conseguido con esa decisión maximizar el margen de beneficio de estos chips, que no integran tantos transistores por la sencilla razón de que son más pequeños. Si son más pequeños la cuenta es fácil: de cada oblea se sacarían más chips, así que los beneficios crecen para Apple, que aquí estaría "capando" artificialmente la superficie de cada chip. A menos transistores, menor será la ganancia en prestaciones en todos los ámbitos.

O se reservan, o los 3 nm están verdes. Aquí las razones que podrían explicar esa decisión son variadas, pero nosotros destacaríamos dos. La primera, que Apple simplemente se esté reservando: si lanzan unos M3 algo más modestos, tendrán margen de mejora para apretarle las tuercas a estos chips con el futuro lanzamiento de los M4. La segunda, que quizás el actual nodo de fabricación de TSMC utilizado en estos chips simplemente esté dando sus primeros pasos y los "yields" —la producción efectiva— no sean tan altos como en procesos más maduros, algo habitual en la fabricación de semiconductores. Sea como fuere, a falta de pruebas de rendimiento independientes algo parece claro: los M3 no parecen tan brutales como habíamos previsto.

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Los paneles OLED flexibles irrumpieron en la industria de las pantallas hace ya cinco años. La tecnología que los hace posibles está disponible desde hace más tiempo, pero el momento en el que las grandes marcas empezaron a apostar por ella sin ambigüedad llegó durante la edición del CES que se celebró a principios de 2018. En aquel momento Sony, Samsung, HP, Lenovo, Xiaomi y LG anunciaron que estaban trabajando en dispositivos flexibles. Y algunos de ellos no tardaron mucho en llegar.

Sin embargo, en realidad el único componente flexible de los dispositivos electrónicos que están actualmente a nuestro alcance, como los smartphones o los televisores, es la matriz OLED. Es evidente que esta es una limitación importante, pero, sorprendentemente, el desarrollo de la ingeniería de materiales está a punto de ponerle fin. Y es que ya es posible fabricar obleas de circuitos integrados que aglutinan transistores intrínsecamente flexibles. Esto lo cambia todo.

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Lo que realmente diferencia a un panel OLED flexible de otro rígido que emplea la misma tecnología es su sustrato. Este elemento es el material que actúa como soporte estructural de la capa de diodos orgánicos emisores de luz, que son los que realmente conforman el panel OLED. Esta película de diodos debe estar fijada sobre una capa que le confiera rigidez estructural, y este es, precisamente, el rol principal del sustrato.

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Los paneles OLED rígidos, los convencionales, recurren a un sustrato de vidrio, pero es evidente que este material es extremadamente rígido, por lo que no sirve si lo que queremos es fabricar un panel flexible. Para resolverlo, los ingenieros se han decantado por utilizar un sustrato de poliamida, que es un tipo sofisticado de plástico. El problema es que la matriz que reproduce las imágenes convive con componentes electrónicos inherentemente rígidos, por lo que hasta ahora no ha sido posible producir dispositivos electrónicos completamente flexibles.

Para tenerlos es necesario poner a punto un componente esencial: chips flexibles. Y ya son posibles. Un equipo formado por investigadores de la Universidad Sungkyunkwan, el Instituto de Ciencia Básica, el Instituto de Ciencia y Tecnologías Avanzadas y la Universidad Nacional de Seúl, todas ellas instituciones de Corea del Sur, ha publicado en Nature Electronics un interesantísimo artículo en el que explica con detalle el procedimiento que ha seguido para fabricar un polímero elástico que puede ser utilizado para producir transistores FET flexibles. Estos son los transistores incorporados en la mayor parte de los circuitos integrados de los dispositivos electrónicos que utilizamos actualmente.

Estos científicos no son los primeros que se han embarcado en el desarrollo de la tecnología necesaria para poner a punto chips flexibles, pero su estrategia es diferente a las que han utilizado los demás investigadores hasta ahora. Su logro más relevante consiste en que han ideado una técnica de fabricación a gran escala de un material dieléctrico que hace posible la producción de componentes electrónicos flexibles que tienen, según las pruebas que presentan en su artículo científico, unas propiedades eléctricas comparables a las de los componentes electrónicos rígidos de naturaleza inorgánica. Suena bien.

Un apunte breve: un dieléctrico es un componente con una conductividad eléctrica muy baja, y que, por tanto, se comporta como un aislante. El material que han desarrollado estos investigadores es un polímero sintético parecido a algunos plásticos con los que todos estamos familiarizados cuyas propiedades fisicoquímicas lo hacen compatible con la fabricación de transistores. Para producirlo emplean una técnica conocida como deposición al vacío, que, a grandes rasgos, es un conjunto de procesos muy sofisticados que permiten obtener un material depositándolo molécula a molécula sobre un sustrato sólido.

Según estos científicos surcoreanos su material dieléctrico puede ser estirado un 40% más allá de su volumen original sin que sus propiedades fisicoquímicas y su capacidad aislante se vean alteradas. Pero lo más impactante es que su tecnología permite la fabricación de obleas flexibles de circuitos integrados que, según sus pruebas, pueden ser utilizadas en la producción de chips flexibles a gran escala.

En la fotografía que publicamos encima de estas líneas podemos ver una de estas obleas flexibles. En su artículo estos investigadores reconocen que aún tienen que mejorar la eficiencia de sus chips flexibles, optimizar el procedimiento de fabricación y mejorar sus capacidades dieléctricas, pero no cabe duda de que lo que tienen entre manos tiene un gran potencial.

Imágenes: Prof. Donghee Son y Dr. Ja Hoon Koo

Más información: Nature Electronics

Pat Gelsinger, el director general de Intel, parece tenerlo muy claro: su compañía planea tener los mejores transistores y la tecnología de integración más avanzada del mundo en 2025. Esto es, al menos, lo que aseguró durante la entrevista que concedió a The Wall Street Journal a finales de octubre. Suena bien, pero no cabe duda de que es una afirmación muy osada si tenemos presente que actualmente la fotolitografía más avanzada en producción la tiene TSMC.

En cualquier caso, objetivamente esta marca está mejorando sus transistores. De hecho, es una de las razones fundamentales por las que los procesadores Core de 13ª generación con microarquitectura Raptor Lake han rendido en nuestras pruebas mejor que los Alder Lake del año pasado. Actualmente se está celebrando en Estados Unidos IEDM, que es una conferencia de microelectrónica y semiconductores muy importante, e Intel no ha dejado escapar la oportunidad de explicar qué tiene entre manos. Y es muy jugoso.

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La base de datos que recoge las especificaciones de los microprocesadores de Intel ya no revela cuántos transistores integran. Aun así, podemos asumir que los procesadores de 13ª generación más ambiciosos de esta marca, como el Core i9-13900K, aglutinan unas pocas decenas de miles de millones.

No cabe duda de que son muchos transistores, pero esta cifra palidece frente a la cantidad que Intel nos promete integrar en sus CPU en 2030: nada menos que un millón de millones. Un billón de los nuestros, no de los anglosajones.

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Para conseguir algo así antes de que finalice esta década Intel tiene que refinar muchísimo sus transistores y su fotolitografía. Y, si nos ceñimos a la información que ha desvelado durante el IEDM, parece que sus ingenieros están en ello.

Curiosamente, los técnicos que están trabajando en esta área son los mismos que han desarrollado otras innovaciones tan relevantes como los transistores FinFET o el silicio tensionado, lo que refleja que Intel parece estar poniendo toda la carne en el asador para incrementar la competitividad de su tecnología de integración.

Uno de los objetivos de estos investigadores es desarrollar nuevos materiales y procesos de fabricación que les permitan refinar tanto el empaquetado de sus circuitos integrados como la transferencia de la máscara a la superficie de la oblea de silicio.

Esta estrategia persigue, entre otras mejoras, incrementar drásticamente la densidad de transistores. Y es que este paso es necesario para hacer posible la integración en un único chip del millón de millones de transistores prometido para 2030.

Además, Intel ha anticipado que sus ingenieros están poniendo a punto un sistema flexible de interconexión de los chiplets que, en teoría, le permitirá escalar con relativa facilidad la cantidad de núcleos de sus próximos procesadores.

Podemos estar seguros de que durante los próximos años tanto Intel como AMD van a proponernos CPU con una cantidad de núcleos muy superior a la que hoy nos entregan sus chips más ambiciosos. Eso sí, aunque su complejidad se incremente perceptiblemente deberían ser mucho más eficientes que los actuales.

Sorprendentemente una de las áreas de investigación a la que los técnicos de esta marca están dedicando más recursos es la mejora de los contactos que actúan como interfaz de conexión entre transistores.

Una de las posibilidades que están explorando consiste en refinar la utilización de las fuerzas de Van der Waals (os hablamos de ellas con cierto detalle en este artículo). Esta estrategia es similar a la que utiliza AMD en sus procesadores X3D.

Esta área de trabajo parece muy exótica, pero, en realidad, no lo es en absoluto. Y no lo es porque los contactos de los transistores 2D condicionan profundamente su rendimiento. Todo esto nos invita a llegar a una conclusión razonable: desarrollar la tecnología de los transistores como objetos con entidad propia es tan importante como refinar la litografía de forma estricta.

Imagen de portada: Intel

La barrera del nanómetro no es más que psicológica. Fabricantes como Intel, TSMC o Samsung han utilizado técnicas de fotolitografía avanzada para reducir el tamaño de sus transistores, pero cada nanómetro que logran reducir es un paso de gigante.

Actualmente ya se están produciendo transistores de 3 nanómetros, pero ASML, compañía holandesa que fabrica los equipos que utilizan la mayor parte de los fabricantes de semiconductores en sus fundiciones, ha anunciado su plan para los próximos años y llega hasta 2030, momento en el que prevén que se fabriquen los primeros transistores por debajo de 1 nanómetro.

Pese a llevar algunos años de retraso en esta carrera, Intel, a través de su CEO Pat Gelsinger, ya ha defendido que en la industria deberíamos dejar de hablar de nanómetros y pasar a hablar de ángstroms (Å). Una unidad de longitud que suele utilizarse al referirse a longitudes de onda y distancias moleculares y que equivale a 0,1 nanómetros. Un cambio de nomenclatura que visto el roadmap de ASML tiene bastante sentido.

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Durante su evento para inversores, ASML ha detallado los puntos más relevantes de su estrategia y ha dado una gran cantidad de detalles sobre los procesos de fabricación de semiconductores para la próxima década. Entre los mensajes de esta importante compañía se encuentran que "la Ley de Moore está viva y goza de buena salud" y que para los próximos años se dará el salto a la tecnología High-NA ('Alta apertura numérica').

Se trata de una plataforma que contiene ópticas con un nuevo diseño y que permiten mejorar hasta un 70% la resolución de la plataforma de litografía extrema actual. Una máquina con mejor precisión que se utilizará en los procesos de fabricación de 3 nanómetros en inferior.

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Se nos acaban los nanómetros: quizás haya que ir pensando en hablar de ángstroms

Para 2030, ASML espera reducir el tamaño de los transistores por debajo del nanómetro. Para 2026 nos situaríamos en 1,4 nanómetros (o 14 ángstroms) y para 2030 se prevé alcanzar los 0,7 nanómetros (o 7 ángstroms).

Estos transistores tan pequeños no serán fabricados mediante la técnica FinFET que utilizan fabricantes como Samsung. En su lugar se tendrán que aplicar tecnologías como los canales atómicos 2D o 'Complementary FET', que consiste en apilar los transistores verticalmente.

En 2030, TSMC, uno de los grandes clientes de la compañía holandesa, tiene previsto crear procesadores con más de 300.000 millones de transistores. Por comparar, la GPU Nvidia Ampere cuenta con 54.000 millones y la CPU AMD Epyc Rome basada en Zen 2 y fabricada en 7 nanómetros cuenta con 39.000 millones.

Los cálculos de ASML es que la eficiencia en la creación de semiconductores va a seguir mejorando, con un crecimiento aproximado de eficiencia 3x cada dos años, hasta 2040.

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Los transistores más pequeños jamás creados: estas son las soluciones para miniaturizar la electrónica más allá de los 2 nanómetros

Las previsiones son optimistas y ASML espera que la disponibilidad de sus máquinas de litografía ultravioleta extrema (EUV) sea del 95% para 2025, ampliando en más del 50% la capacidad de producción diaria. Es decir, la gran empresa detrás de la producción de semiconductores no solo espera que la crisis de los semiconductores termine, sino que la producción se duplique.

Imagen | Laura Ockel

IBM y TSMC ya están fabricando los primeros chips de 2 nm. Estas dos compañías han confirmado recientemente que ya tienen preparada esta fotolitografía, y, aunque por el momento están produciendo estos semiconductores únicamente en un entorno de prueba, la fabricación a gran escala no está demasiado lejos.

De hecho, TSMC ha confirmado que en 2022 iniciará la producción masiva de chips a 3 nm, y en 2023 hará lo mismo con su tecnología de integración de 2 nm. Este rápido desarrollo nos recuerda que cada paso que damos nos coloca un poco más cerca del límite físico de la tecnología del silicio, pero, en realidad, este desafío no es nuevo.

Los principales fabricantes de semiconductores y numerosos grupos de investigación vinculados a algunas de las universidades más importantes del planeta llevan muchos años trabajando en una solución a este reto. Décadas, incluso.

Actualmente hay varias líneas de investigación abiertas, y posiblemente la solución requerirá apostar por una de ellas, pero es incluso más probable que el camino a seguir nos invite a permitir que convivan varias de las propuestas en las que están trabajando actualmente los investigadores.

En esta fotografía podemos ver el interior del laboratorio que tiene IBM en Albany, Nueva York. Estas son las instalaciones en las que esta compañía ha desarrollado su tecnología de integración de 2 nm.

No obstante, tampoco es necesario que exageremos: a la tecnología del silicio tal y como la conocemos le queda cuerda para rato. Aunque todo salga tal y como TSMC ha previsto y la fabricación masiva de semiconductores con fotolitografía de 2 nm comience en 2023, tanto este proceso como los que llegarán después de él podrán ser refinados sucesivamente, por lo que es razonable prever que nos acompañen al menos durante toda esta década.

En cualquier caso, en este artículo os proponemos echar un vistazo a dos de las líneas de investigación más prometedoras en las que los investigadores están trabajando actualmente. No son las únicas que están entregándonos resultados atractivos, y si os interesa este reportaje prepararemos otro que nos permita explorar más opciones, pero son dos soluciones que nos invitan a encarar el futuro de los semiconductores con optimismo.

Los semiconductores de arseniuro de galio prometen. Mucho

El arseniuro de galio es un semiconductor peculiar. Incluso, en cierto modo, atrevido. Y es que aunque no forma parte de la estirpe de los semiconductores elementales, entre los que se encuentra, cómo no, el silicio, tiene unas propiedades que lo hacen muy atractivo y lo han colocado en el punto de mira de la industria de la electrónica.

Desde hace tiempo los fabricantes de células fotoeléctricas y equipos de telecomunicaciones, entre otros, se ven obligados a compartirlo con las marcas de electrónica de consumo, por lo que pronto los usuarios seremos conscientes del impacto que ya tiene, y tendrá, en nuestras vidas.

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Los semiconductores elementales se caracterizan por estar constituidos por un único elemento químico, pero el arseniuro de galio (GaAs), como podemos intuir aunque no sepamos mucha química, está compuesto de galio (Ga) y arsénico (As).

En los elementos con capacidad de conducción eléctrica algunos de los electrones de sus átomos, conocidos como electrones libres, pueden pasar de un átomo a otro cuando aplicamos una diferencia de potencial en los extremos del conductor.

Precisamente, esta capacidad de desplazamiento de los electrones es lo que conocemos como corriente eléctrica, y todos sabemos de forma intuitiva que los metales son buenos conductores de la electricidad. Curiosamente, lo son porque tienen muchos electrones libres que pueden desplazarse de un átomo a otro y, así, consiguen transportar la carga eléctrica.

El arseniuro de galio es un semiconductor, y esto implica que en determinadas circunstancias es capaz de transportar carga eléctrica. Cuando se dan las condiciones apropiadas la movilidad de sus electrones es mucho mayor que en semiconductores como el silicio o el germanio. Y esto significa que su capacidad de transportar carga eléctrica también es superior.

Otra propiedad muy interesante de este compuesto es su elevada velocidad de saturación. Este parámetro refleja la velocidad máxima a la que pueden desplazarse los electrones a través de su estructura cristalina. Esta velocidad máxima está limitada por la dispersión que sufren los electrones durante su desplazamiento.

La conclusión más interesante y fácil de entender de todo lo que hemos visto hasta ahora consiste en aceptar que, cuando se dan las condiciones apropiadas, los electrones se mueven más y a más velocidad en el arseniuro de galio que en el silicio. Y esta propiedad tiene repercusiones muy importantes.

Una de ellas consiste en que los transistores de arseniuro de galio pueden trabajar a frecuencias superiores a los 250 GHz, que es una cifra bastante impresionante. Además, son relativamente inmunes al sobrecalentamiento y producen menos ruido en los circuitos electrónicos que los dispositivos de silicio, sobre todo cuando es necesario trabajar a altas frecuencias.

Hasta ahora solo hemos indagado en las propiedades más atractivas de este semiconductor, que son, precisamente, en las que aventaja al silicio. Pero este último elemento también tiene sus bazas, y son importantes, por lo que lo más razonable es contemplar al arseniuro de galio como un complemento del silicio, o una alternativa a este en determinadas aplicaciones en las que es necesario trabajar a altas frecuencias.

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Los nanotubos de carbono están (casi) preparados para el rescate

Los primeros transistores de nanotubos de carbono fueron producidos por IBM hace ya más de dos décadas, lo que nos recuerda que, en realidad, esta no es una tecnología nueva. Como podemos intuir, este material está constituido por unas finísimas láminas de átomos de carbono que adoptan una estructura con una peculiar geometría tubular.

Lo que lo hace tan atractivo es, precisamente, que es un excelente semiconductor, lo que lo postula como un candidato idóneo para fabricar chips de alto rendimiento que, además, sobre el papel deberían tener una eficiencia energética muy alta. El camino que ha recorrido esta tecnología durante las últimas dos décadas ha sido arduo, pero ha experimentado un desarrollo muy notable que nos invita a contemplar los nanotubos de carbono con optimismo.

Uno de los hitos más relevantes tuvo lugar en el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), en 2019. Y es que, tal y como recogió la prestigiosa revista científica Nature en aquel momento, un grupo de investigadores de esta universidad consiguió poner a punto un microprocesador de 16 bits constituido íntegramente por 14 000 transistores de nanotubos de carbono.

No cabe duda de que este chip es muy sencillo si lo comparamos con los microprocesadores que podemos encontrar actualmente en el interior de nuestros ordenadores y teléfonos móviles, pero, aun así, representa un gran avance si tenemos presente que el chip de nanotubos de carbono más complejo que se había fabricado solo unos pocos años antes, en 2013, tenía solo 178 transistores.

Además, los investigadores del MIT consiguieron algo que acrecienta aún más su logro: para fabricar su microprocesador de nanotubos de carbono utilizaron exactamente la misma tecnología de fabricación que se emplea en la producción de los procesadores actuales. Y esto significa que su tecnología debería poder refinarse y escalarse para permitir la producción masiva de chips más complejos con relativa facilidad y en las mismas instalaciones en las que se producen los semiconductores de silicio actualmente.

Uno de los principales escollos que debe superar la fabricación de chips con nanotubos de carbono, y lo que ha impedido que en la práctica todavía no sean una alternativa al silicio, consiste en que es difícil conseguir que este material tenga la pureza necesaria. Actualmente los nanotubos de carbono se producen con una pureza del 99,99%, y los investigadores aseguran que su fabricación debe refinarse hasta que nos permita alcanzar una pureza del 99,999999%, así, con nada menos que seis nueves decimales.

Fuera del ámbito científico puede parecer que la diferencia entre estas dos cifras es minúscula, pero no lo es. De hecho, esta diferencia de pureza provoca que los nanotubos de carbono dejen de comportarse como un semiconductor, y pasen a transformarse en un metal. Y, lógicamente, es un problema si queremos utilizarlos para producir chips.

En cualquier caso, si echamos la vista atrás por un instante y contemplamos de dónde venimos podemos ser razonablemente optimistas. El silicio promete entregarnos unos cuantos años de servicio más, y quizá durante este tiempo los investigadores consigan resolver los desafíos que aún plantea la puesta a punto de chips complejos utilizando transistores de nanotubos de carbono. Crucemos los dedos para que nuestras expectativas se vean colmadas.

Uno de los problemas a los que se enfrentan los dispositivos electrónicos de consumo es su dificultad para ser reciclados (de ahí que salgan tantas regulaciones). Muchos de sus componentes, cuando llegan al final de sus vidas útiles, son desechados sin posibilidad de reutilizar los materiales. Una nueva investigación propone una solución: crear nuevos transistores completamente reciclables.

Investigadores de la Universidad de Duke han creado la que dicen que es la primera electrónica impresa totalmente reciclable. Se trata de un transistor que una vez acaba su vida útil puede ser descompuesto en los materiales primarios con los que se formó. Todo gracias a la nanocelulosa y las tintas conductoras.

Nanocelulosa y circuitos electrónicos flexibles

Según detallan en su investigación, el equipo ha desarrollado este transistor especial utilizando nanocelulosa. La nanocelulosa proviene de las plantas y a menudo se obtiene de residuos de madera. Es utilizado especialmente en embalajes biodegradables. Ahora pasa a ser utilizado también para circuitos electrónicos con este nuevo desarrollo. En el pasado hasta lo hemos visto en coches.

Combinando la nanocelulosa con tinta imprimible consiguieron hacer una tinta dieléctrica. Esta tinta resultante fue combinada una vez más con una conductora hecha de grafeno y nanotubos de carbono. El resultado final es una tinta de carbono que conduce la electricidad y se puede imprimir en un sustrato de papel con impresión por chorro. Con esta tinta pudieron crear un transistor y dicen que se pueden crear otros componentes electrónicos también.

Dicen que el transistor que crearon funcionó correctamente durante seis meses. Después era cuestión de reciclarlo y recuperar sus materiales. De momento, claro, es una prueba de concepto. Falta ver qué viabilidad tiene analizando su coste de producción en masa y la ida útil que se puede conseguir, así como el coste de reciclaje.

A la hora de reciclar el transistor, que es el objetivo final, utilizaron un proceso de baños y vibraciones. El componente pasa por una serie de baños en líquidos y con vibraciones sonoras para que los materiales se desprendan. Todo ello después se pasa por una centrifugadora para recuperar los nanotubos de carbono y el grafeno. Dicen que recuperan casi el 100% de los materiales.

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Sus creadores tienen claro que con esto no van a sustituir a toda la industria del silicio y los otros materiales utilizados en la construcción actual de componentes electrónicos. No obstante, creen que sirve para "demostrar que este tipo de nuevos materiales y su funcionalidad es, con suerte, un paso en la dirección correcta"

Vía | University of Duke