Reportaje - Microchips para la era de la información móvil
El pasado año las ventas de teléfonos inteligentes superaron por primera vez a las de ordenadores portátiles, un indicio claro de lo avanzada que se encuentra la nueva etapa de la era de la información, la cual bien podría llamarse la era de la información móvil. En la etapa inicial de la era de Internet, los ordenadores personales de sobremesa -y posteriormente los portátiles- se conectaron entre sí y también a fuentes de información por medio de las líneas de teléfono fijo instaladas en los inmuebles. Además, aunque algunas personas se conectaban a Internet con bastante frecuencia, muchas otras sólo lo hacían de forma ocasional y la mayoría de la población casi nunca lo hacía. El panorama cambió con rapidez a raíz del desarrollo de los sistemas inalámbricos de comunicación, que con el tiempo dieron lugar a los teléfonos inteligentes, que permiten disfrutar de una interconexión continua. Todo ello ha sido posible gracias a la creación de potentes circuitos electrónicos cada vez más livianos y compactos, y sin embargo con un funcionamiento más rápido y eficaz. No obstante, los nuevos dispositivos y servicios que se avecinan necesitarán una nueva generación de microchips, más pequeños, de menor consumo y con mayores velocidades de transmisión de datos. Por ello la Unión Europea invierte grandes sumas destinadas a crear tecnología puntera que asegure el liderazgo del continente en la sociedad de la información. Un buen ejemplo de este esfuerzo paneuropeo se encuentra en el proyecto Duallogic («CMOS de doble canal para una lógica de alto rendimiento de (menos de) 22 nm»). «Nos propusimos incrementar las prestaciones de los futuros dispositivos, que consumirán menos electricidad; es decir, mayor rendimiento con menos energía. Se trata de un paso necesario para la clase de aplicaciones audiovisuales ejecutadas en dispositivos portátiles pequeños que funcionan con baterías limitadas», explicó Athanasios Dimoulas, coordinador del proyecto Duallogic, dotado con un presupuesto de 9,3 millones de euros, 5,8 de los cuales fueron concedidos por la Unión Europea. Así pues, el rendimiento elevado y el consumo bajo eran las dos metas de Duallogic, un muy ambicioso Proyecto Específico de Investigación Focalizado (PEIF) del Séptimo Programa Marco . Tras 40 años de miniaturización continua, el empeño por seguir aumentando las prestaciones de los microchips no hace sino ganar en dificultad. Por ello científicos, ingenieros y diseñadores de Duallogic tuvieron que echar mano de la creatividad. Conservaron el silicio como sustrato, pero buscaron materiales semiconductores menos comunes para crear el canal de conducción que discurre por los millones de transistores de los que consta cada microchip. Los integrantes del proyecto Duallogic pretendían sacar partido a las propiedades excepcionales de una serie de materiales semiconductores para incrementar el rendimiento de los circuitos de los microchips superando los límites intrínsecos al silicio y, de este modo, allanar el camino hacia la obtención de circuitos más eficientes y escalas más pequeñas. «Como es bien sabido, los circuitos integrados (el "cerebro" de todos los sistemas electrónicos) están hechos de silicio. Se trata de un material abundante en la naturaleza que es fácil de trabajar, pero no permite el flujo de electrones por su interior con tanta velocidad como quisiéramos, sobre todo en aplicaciones de tensión baja», apuntó Dimoulas. «En Duallogic nos propusimos sustituir los canales de silicio de los transistores por materiales semiconductores de mayor movilidad como el germanio y semiconductores compuestos para que los portadores de carga (los electrones y los huecos) se muevan con mayor rapidez por el transistor.» Era un objetivo muy ambicioso pues el equipo trabajaba con grandes cantidades de obleas de silicio y con técnicas a escala industrial. Por ello en Duallogic participan muchos de los centros y las entidades industriales más destacadas del continente, como imec y la Universidad Católica de Lovaina de Bélgica, AIXTRON de Alemania, CEA-LETI y STMicroelectronics de Francia, NCSR DEMOKRITOS de Grecia, la Universidad de Glasgow en el Reino Unido, e IBM-Zúrich de Suiza. Lógica por partida doble El proyecto se llamó Duallogic porque en él se usan materiales conductores distintos en cada uno de los dos transistores integrados en los microchips, el de tipo p (positivo) y el de tipo n (negativo). Los integrantes del equipo se decantaron por el germanio (Ge) y una aleación de silicio y germanio (SiGe) para los transistores de tipo p, y por un semiconductor compuesto, de indio, galio y arseniuro (InGaAs), como candidato prometedor para el transistor de tipo n. Estos materiales se seleccionaron por poseer una elevada movilidad para los portadores de carga en cada tipo de transistor. El compuesto de InGaAs se conoce como semiconductor III-V por constar de elementos de la tercera y la quinta columna de la tabla periódica. Todos estos compuestos admiten una movilidad electrónica mucho más elevada de lo habitual, un parámetro que expresa la facilidad con la que los portadores de carga pueden desplazarse por el interior de la estructura semiconductora. Este incremento de la movilidad redunda en un rendimiento más alto. Del mismo modo, el germanio ofrece mayor movilidad para los transistores de tipo p. «Ésta se considera una de las soluciones prioritarias para muchos laboratorios integradores de IDT [investigación y desarrollo tecnológico] y tecnología de todo el mundo», aseguró Dimoulas. Y también ha resultado ser una línea de investigación muy fructífera para el consorcio de Duallogic. «Conseguimos integrar transistores del tipo p de silicio y germanio y obtuvimos resultados pioneros que incluso superaron nuestras expectativas», afirmó Dimoulas. Los resultados con el transistor de tipo n fueron de distinto signo, pero en conjunto muy positivos también. Se consiguió crear un transistor de InGaAs y se encontró la forma de disponer varios de estos sobre un sustrato de silicio, lo que abarata la fabricación. Fue un resultado notable, puesto que al construir un transistor de base III-V sobre un sustrato de silicio se plantean varias dificultades de arquitectura e integración. La integración del transistor de tipo p resultó mucho más sencilla, según indicó el coordinador del proyecto: «El germanio y el silicio pertenecen al grupo IV de la tabla periódica, por lo que su estructura es similar y poseen compatibilidad química, así que los dos se pueden procesar del mismo modo a grandes rasgos.» No obstante, el material InGaAs es menos compatible con el silicio y presenta peor correspondencia reticular, lo que ocasiona problemas en el ámbito de la fabricación. La cointegración de los dos tipos de transistores es aún más complicada, añadió, pero su equipo ha creado una nueva herramienta de fabricación que solventa los problemas de crecer capas de III-V sobre un gran sustrato de silicio. El Sr. Dimoulas destacó la necesidad de seguir investigando el transistor de tipo n desarrollado en el proyecto. Por añadidura, el equipo de Duallogic consiguió resultados destacables en relación a un transistor que posee una arquitectura especial, llamado transistor de pozo cuántico sin implantes. Con él quizás se puedan obtener microchips con prestaciones superiores a las de los transistores convencionales de metal-óxido-semiconductor (MOS). Los socios industriales «Tuvimos la gran fortuna de contar en el consorcio con imec y CEA-LETI. Gracias a ellos pudimos comunicarnos con numerosas entidades de la industria de los semiconductores», destacó Dimoulas. Los responsables del consorcio confían en poder prorrogar la investigación, a poder ser en un proyecto más amplio en el que participen más socios, puesto que los resultados, pese a ser innovadores, no se encuentran en un grado de desarrollo suficiente para su aplicación industrial . «También ambicionamos desarrollar circuitos simples, como inversores u osciladores de anillo, y por ello estamos explorando los instrumentos adecuados de IDT para continuar el trabajo», informó Dimoulas. La labor realizada en el marco de Duallogic también repercute en el progreso de opciones tecnológicas propuestas para su evaluación en el «Plan Internacional de Tecnología del Sector de los Semiconductores» (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS), en el que se define la dirección estratégica que deben seguir las investigaciones futuras para que continúe el proceso de miniaturización. «Con la ayuda de investigadores del ámbito académico y desarrolladores de procesos, en el proyecto sopesamos varias opciones tecnológicas avanzadas y arriesgadas», resaltó Dimoulas, quien sugirió que esta labor facilita a la industria el dar con soluciones posiblemente mejores para sus productos, que les ahorren tiempo y dinero y que les permitan centrarse en sus necesidades a más corto plazo relacionadas con la fabricación y el desarrollo de productos. «La colaboración entre "fabricantes de dispositivos integrados" (IDM) con los proveedores de equipos en un mismo proyecto ofrece una oportunidad excelente para que la industria de la nanoelectrónica tome decisiones estratégicas sobre las inversiones en maquinaria necesarias para la futura fabricación de grandes volúmenes», concluyó. La investigación del proyecto Duallogic contó con financiación facilitada en virtud del subprograma «Componentes de nanoelectrónica e integración de electrónica de nueva generación» del Séptimo Programa Marco de la UE. Enlaces útiles: - proyecto Duallogic - registro de datos del proyecto Duallogic en CORDIS - la investigación sobre nanoelectrónica en CORDIS Artículos relacionados: - Dos proyectos de la UE minimizan el tamaño de los chips semiconductores - Un proyecto del 6PM para conservar el liderazgo europeo en nanoelectrónica - «Chips de 45 nanómetros para un Wi-Fi ultrarrápido» - «Con el cobre no basta: nuevos chips apuntan a la velocidad de la luz»