El desafío de diseñar la nueva generación de chips informáticos

PALO ALTO, California.- No mucho tiempo después de que Gordon Moore propusiera en 1965 que el número de transistores que pueden ser grabados en un chip de silicio seguiría duplicándose aproximadamente cada 18 meses, los críticos comenzaron a predecir que la era de la "Ley de Moore" se acercaría a su fin.

Recientemente, los expertos de la industria han advertido que el avance de la industria de los semiconductores está a punto de paralizarse; y que la teoría de Moore, cofundador de Intel, ha llegado a su fin.

Si es así, eso tendrá un impacto dramático sobre el mundo de la informática. La innovación que ha llevado a las computadoras personales, reproductores de música y teléfonos inteligentes está directamente relacionada con el costo cada vez más bajo de los transistores, los cuales ahora son trenzados de a miles de millones en pequeñas astillas de silicio (los chips informáticos) que se pueden vender por unos pocos dólares cada uno.

Pero la Ley de Moore no está muerta, simplemente se encuentra en evolución, según los científicos e ingenieros más optimistas. Su argumento es que será posible crear circuitos que se acerquen más a la escala de las moléculas individuales mediante el uso de una nueva clase de nanomateriales (metales, cerámicas, o materiales poliméricos o compuestos que se puede organizar desde "abajo hacia arriba", en lugar de hacerlo desde arriba hacia abajo.

Por ejemplo, los diseñadores de semiconductores se encuentran desarrollando procesos químicos que posibiliten "autoensamblar" circuitos al hacer que los materiales formen patrones de hilos ultrafinos en una oblea de un semiconductor. La combinación de estos patrones de nanocables con las técnicas convencionales de fabricación de chips, según los científicos, dará lugar a una nueva clase de chips informáticos, manteniendo de este modo con vida la Ley de Moore y reduciendo el costo de fabricación de los chips en el futuro.

"La clave es el autoensamblaje", dijo Chandrasekhar Narayan, director de ciencia y tecnología del Centro de Investigaciones Almaden, de IBM, en San José, California. "Utilizamos las fuerzas de la naturaleza para que hagan nuestro trabajo por nosotros. La fuerza bruta no funciona más; hay que trabajar con la naturaleza y dejar que las cosas sucedan por sí solas".

Para lograr esto, los fabricantes de semiconductores tendrán que pasar de la era del silicio a lo que podría llamarse la era de los materiales informáticos. Los investigadores en Silicon Valley, utilizan nuevas y potentes supercomputadoras para simular sus predicciones y están liderando el camino. Mientras que los chips semiconductores ya no se fabrican aquí, es probable que las nuevas clases de materiales que se están desarrollando en este ámbito cambien el mundo informático en la próxima década.

Utilizamos las fuerzas de la naturaleza para que hagan nuestro trabajo por nosotros. La fuerza bruta no funciona más; hay que trabajar con la naturaleza y dejar que las cosas sucedan por sí solas, explica Chandrasekhar Narayan, investigador de IBM, sobre el diseño de chips

"Los materiales son muy importantes para nuestras sociedades humanas", dijo Shoucheng Zhang, un físico de la Universidad Stanford, quien recientemente encabezó el trabajo de un grupo de investigadores para diseñar una aleación de estaño que tiene propiedades de superconducción a temperatura ambiente. "Épocas enteras reciben su nombre en relación con los materiales; la Edad de Piedra, la Edad de Hierro, y ahora tenemos la Edad de Silicio. En el pasado, se descubrieron por casualidad. Una vez que tenemos el poder de predecir materiales, creo que es algo transformador".

Lo que empuja esta investigación es la economía; específicamente, el asombroso costo que los fabricantes de semiconductores esperan pagar por sus fábricas de última generación. En la industria de la fabricación de chips esto recibe el nombre de "La Segunda Ley de Moore".

Dentro de dos años, las nuevas fábricas para la producción de chips de microprocesadores tendrán un costo de 8 a 10 mil millones de dólares, según un informe reciente de Gartner (más del doble de la generación actual). Esa cantidad podría aumentar a entre 15 y 20 mil millones de dólares a finales de la década, lo que equivale al producto interno bruto de un país pequeño.

Los gastos exorbitantes que muy pronto serán necesarios significan que el riesgo de error para las empresas de primera línea es inmenso. Así que en lugar de invertir en tecnologías convencionales caras que pueden fallar, los investigadores buscan estos nuevos materiales de autoensamblaje.

En diciembre, los investigadores del Laboratorio Nacional Sandia, en Livermore, California, publicaron un artículo en la revista Science que describe los avances en una nueva clase de materiales llamados "marcos metal-orgánicos" (MOFs, por su acrónimo en idioma inglés). Estos son conjuntos cristalinos de iones metálicos y moléculas orgánicas, los cuales han sido simulados con computadoras de alto rendimiento, y luego verificados experimentalmente.

Lo que los científicos han demostrado es que pueden crear películas conductoras delgadas, las que podrían ser utilizadas en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la energía fotovoltaica, los sensores y los materiales electrónicos.

Los científicos dicen que ahora ven caminos para ir más allá de los materiales conductores, hacia la creación de semiconductores también.

Según Mark D. Allendorf, un químico de Sandia, hay muy pocas cosas que se pueden hacer con semiconductores convencionales para cambiar el comportamiento de un material. Con los MOF, se imagina un futuro en el cual las moléculas se pueden ordenar con precisión para crear materiales con comportamientos específicos.

"Una de las razones por las que Sandia está bien posicionada es que tenemos enormes supercomputadoras", dijo. Ellas han podido simular matrices de 600 átomos, lo suficientemente grandes para que la computadora sirviera como un tubo de ensayo eficaz.

Dentro de dos años, las nuevas fábricas para la producción de chips de microprocesadores tendrán un costo de 8 a 10 mil millones de dólares, más del doble de la generación actual, según un informe reciente de Gartner

En noviembre, los científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, en su artículo para la revista Physical Review Letters, describieron una nueva forma de estaño que, en una sola molécula de espesor, se ha pronosticado que puede conducir electricidad con una eficiencia del 100 por ciento a temperatura ambiente. Hasta ahora, sólo se ha encontrado este tipo de eficiencia en los materiales conocidos como superconductores, y únicamente a temperaturas cercanas al cero absoluto.

El material sería un ejemplo de una nueva clase de materiales llamados "aislantes topológicos" que son altamente conductores a lo largo de una superficie o borde, pero aislantes en su interior. En este caso, los investigadores han propuesto una estructura con átomos de flúor añadidos a una sola capa de átomos de estaño.

Los científicos, dirigidos por el Dr. Zhang, nombraron al nuevo material staneno, combinando el nombre en latín del estaño (stannum) con el sufijo utilizado para el grafeno, otro material basado en una hoja de átomos de carbono, de una sola molécula de espesor.

La promesa de un material de este tipo es que puede ser fácilmente utilizado en combinación con los procesos actuales de fabricación de chips, para aumentar la velocidad y reducir el consumo de energía de las futuras generaciones de semiconductores.

La predicción teórica sobre el material aún debe ser verificada, y el Dr. Zhang dijo que la investigación se está llevando a cabo en Alemania y en China, así como en un laboratorio de la UCLA (Universidad de California, Los Ángeles).

Es muy posible que la revolución en materiales informáticos pueda ofrecer un camino hacia tecnologías más baratas para la próxima generación de chips informáticos.

Esa es la apuesta de IBM. La compañía ahora experimenta con polímeros exóticos que se forman automáticamente en una red ultrafina y que se pueden utilizar para formar los patrones de circuitos sobre obleas de silicio.

El Dr. Narayan es cautelosamente optimista; él afirma que hay una buena probabilidad de que las técnicas de autoensamblaje desde "abajo hacia arriba" eliminen la necesidad de invertir en nuevas máquinas litográficas, que cuestan 500 millones de dólares, y que utilizan rayos X para grabar circuitos más pequeños.

"La respuesta es, posiblemente, sí", dijo, al describir una ruta de menor costo hacia los chips informáticos más densos.

Traducción de Angela Atadía de Borghetti.