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Un minidispositivo piezoelectrónico que acelera los chips CMOS

Los ordenadores llevan desde 2003 sin aumentar su velocidad, pero hay un nuevo transistor que podría liberar el freno.

Economía digital

Los usuarios de ordenadores están acostumbrados a que cada nueva generación de chips sea más rápida que la anterior. Estas ganancias en velocidad se deben a la reducción del tamaño de los chips para semiconductores complementarios de óxido de metal (CMOS, por sus siglas en inglés), un elemento esencial en ordenadores y dispositivos similares. Al reducir el tamaño, las tensiones también bajan, lo que acelera la conmutación de los transistores. Sin embargo, por debajo de cierto punto, se empiezan a observar los efectos cuánticos. Los chips CMOS van perdiendo eficacia energética y las ganancias en velocidad necesitan más potencia eléctrica, lo que aumenta el coste del funcionamiento de los dispositivos. Por lo tanto, el aumento exponencial en la velocidad de los chips —que era el fundamento principal de la era del microchip— terminó, más o menos, en 2003. Desde entonces, las ganancias aparentes en velocidad se han logrado aumentando la densidad de los transistores o el número de núcleos en el procesador, pero no variando la velocidad de manera real. El sector de la electrónica necesita una nueva tecnología de transistores CMOS y el proyecto PETMEM (Piezoelectronic Transduction Memory Device), financiado con fondos europeos, se propuso desarrollarla. El resultado de dicho trabajo es el transistor de transducción piezoelectrónica (PET): un elemento que promete ser más rápido, y más eficaz en materia energética, que las alternativas tradicionales a los transistores CMOS.

Un nuevo transistor

El transistor PET es un nuevo tipo de conmutador electrónico que funciona por el efecto piezoeléctrico. Básicamente, consiste en lo siguiente: cuando un material en concreto sufre una compresión, este produce electricidad; por otro lado, si se aplica electricidad al material, este cambia su forma y produce un efecto mecánico. El transistor PET utiliza este efecto en ambos sentidos con dos materiales pegados. En primer lugar, el dispositivo transforma una señal electrónica en una onda de sonido (presión). La presión oprime al material piezorresistente, y conmuta (conecta o desconecta) la resistencia eléctrica de este. A nivel global, la conexión o desconexión de un voltaje activa el conmutador. La cantidad de tensión dependerá de las propiedades piezoeléctricas de los materiales; en los últimos años, se han desarrollado algunos que precisan de una tensión muy baja. Una tensión baja significa que la velocidad de conmutación es muy alta. Según explica Nick Chadwick, coordinador del proyecto: «Si lo sujetamos todo y reducimos las dimensiones, podemos lograr un conmutador electrónico de 100 nanómetros».

Una conmutación de gran rendimiento

Un transistor de dimensiones tan reducidas podría realizar la conmutación 10 000 millones de veces por segundo. Esto permitiría crear dispositivos de 10 GHz tras la siguiente fase de desarrollo tecnológico del proyecto. Probablemente, los primeros clientes industriales vendrían del sector de las telecomunicaciones. Los dispositivos de comunicación móvil necesitan conmutadores rápidos y de bajo consumo para aprovechar al máximo todo el potencial de los servicios 5G. Los PET pueden ofrecer el rendimiento necesario. A largo plazo, los chips de los ordenadores necesitarán un consumo muy bajo en la memoria del procesador, algo que los PET también podrán suministrar. «Al principio no teníamos las instalaciones de fabricación necesarias, y carecíamos de un flujo de procesos sólido y de herramientas de prueba. Así que tuvimos que desarrollar todo eso antes de crear el transistor PET», añade Chadwick. El equipo espera terminar los primeros dispositivos de demostración durante 2020. Tras acabar los prototipos, el equipo pasará a realizar una evaluación comercial completa para aplicaciones en el sector de las telecomunicaciones móviles. A continuación, los investigadores explorarán opciones de financiación y la posibilidad de trabajar con laboratorios más grandes para desarrollar en conjunto la tecnología. Gracias al proyecto PETMEM y a su nuevo dispositivo CMOS, se habrá eliminado el obstáculo para que sigan aumentando las velocidades de los chips. Los dispositivos electrónicos volverán a acelerar.

Palabras clave

PETMEM, transistor, CMOS, ordenador, piezoeléctrico, transistor PET, chip de memoria, transducción piezoelectrónica

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