Los primeros chips de 2 nm nos colocan más cerca del límite del silicio: estos son dos de los materiales que aspiran a recoger su testigo

Los primeros chips de 2 nm nos colocan más cerca del límite del silicio: estos son dos de los materiales que aspiran a recoger su testigo
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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 es probable que la solución a este reto requiera combinar lo que proponen varias de ellas

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.

Ibm Research Albany Interior 2
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.

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.

Chipmaking

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.

Bajo las condiciones apropiadas la movilidad de los electrones del arseniuro de galio es mucho mayor que en semiconductores como el silicio o el germanio

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.

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.

Chiplito

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 consiste en que es difícil conseguir que este material tenga la pureza idónea

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.

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