Resumen de Ciencia: Inventos para el 2010, transistores biodegradables y electrones escultores

Los diez inventos científicos que prometen mejorar nuestra vida en 2010:

Una vacuna inhalable contra el sarampión para los enfermos en países en desarrollo, un «nanogenerador» para recargar el iPod con un único movimiento de la mano o una pintura para las paredes que mata los microbios. Estas tres investigaciones forman parte de una lista de diez que se han llevado a cabo este año y que han sido nombradas como las «más prometedoras» para 2010 por los miembros de la American Chemical Society (ACS) -la sociedad más grande del mundo científico-. Los estudios han sido seleccionados entre 34.000 informes y 18.000 documentos técnicos dados a conocer a lo largo de 2009. El «top» es el siguiente:

-La primera vacuna por inhalación, sin agujas, contra el sarampión: Presentada durante la reunión nacional de ACS, la vacuna pasará a ensayo clínico el próximo año en India, donde la enfermedad todavía afecta a millones de lactantes y niños, y mata casi a 200.000 cada año. Los especialistas creen que esta vacuna es perfecta para su uso en países en desarrollo.

-La casa con «energía solar personalizada»: Los nuevos descubrimientos científicos apuestan por una energía solar «personalizada», a la medida de cada consumidor, que será el epicentro de los cambios en la producción de electricidad a partir de grandes centrales generadoras de energía a otras mucho más pequeñas, como los hogares y comunidades. El método permitiría convertir a los consumidores en productores e incluso recargar nuestros coches en nuestros propios garajes. Una gran ventaja para el medio ambiente y que implica un menor gasto.

-Una esponja de «humo congelado» para limpiar las mareas negras: Científicos de Arizona y Nueva Jersey han diseñado un aerogel, un sólido super ligero al que también llaman «humo congelado», que puede servir como esponja definitiva para capturar el petróleo vertido por accidente o en catástrofes al medio ambiente. El aerogel absorbe hasta siete veces su peso y elimina el petróleo de forma mucho más eficaz que los materiales convencionales.

-Un nanogenerador para recargar el iPod y el móvil con un gesto de la mano: ¿No sería perfecto poder recargar el móvil o el reproductor musical con un gesto de la mano? Se podría decir adiós para siempre a los cargadores. Científicos de Georgia trabajan en una técnica que convierte la energía mecánica de los movimientos del cuerpo o incluso del flujo de la sangre en energía eléctrica que puede alimentar una amplia gama de dispositivos electrónicos sin necesidad de baterías.

-Una pintura que mata los microbios: Investigadores de Dakota del Sur trabajan en el desarrollo de una pintura anti-microbiana. No sólo mata bacterias causantes de enfermedades, sino que actúa contra el moho, los hongos y los virus. Según el estudio, se trata de la pintura más «poderosa» hasta la fecha. Puede ser útil en hogares y, sobre todo, en hospitales.

-Una vacuna producida con planta de tabaco: Esta nueva vacuna, única en su origen, puede ser utilizada contra el llamado «virus de los cruceros», causante de diarreas y vómitos y la segunda infección viral más común en EE.UU. El microbio se extiende como un reguero de pólvora entre líneas de pasajeros, escuelas, oficinas y bases militares.

-Una píldora mensual contra las pulgas de las mascotas: Sólo una píldora al mes y el perro o el gato están libres de pulgas y garrapatas. La pastilla, desarrollada por científicos de Nueva Jersey, parece ser 100% eficaz y sin señales de efectos tóxicos para los animales.

-Una molécula que mide el calentamiento global que produce cada producto: Hasta ahora, era complicado conocer qué productos que salen al mercado son realmente ecológicos o tienen compuestos que pueden dañar el medio ambiente potenciando el calentamiento global. Una nueva técnica molecular podrá predecir qué materiales que van desde productos químicos utilizados en alfombras a productos electrónicos contribuyen al calentamiento.

-Un «cóctel de camarones» para el depósito de fuel: Científicos chinos trabajan en un catalizador fabricado a partir de cáscaras de camarón que podría transformar la producción de biodiesel en un proceso mucho más rápido, barato y beneficioso para el medio ambiente. De momento, sólo ha sido probado en laboratorio.

-Una nariz electrónica para detectar la enfermedad renal: Expertos israelíes han creado una «nariz electrónica» capaz de identificar en el aliento 27 sustancias clave que revelan que el paciente sufre una enfermedad del riñón. De momento, ha sido probado con éxito en ratas de laboratorio.

Transistores biodegradables:Un tipo de transistores totalmente biodegradables, fabricados recientemente por investigadores de la Universidad de Stanford, podrían utilizarse para controlar los implantes médicos temporales que se colocan en el cuerpo durante las cirugías.

Los componenentes electrónicos biodegradables “abren nuevas oportunidades para los implantes en el cuerpo,” especialmente si los componentes electrónicos logran fabricarse a bajo coste, afirma Robert Langer, profesor en MIT y que no estuvo involucrado con la investigación. Los implantes podrían incorporar los componentes electrónicos orgánicos con polímeros biodegradables para el suministro de fármacos. Los doctores podrían implantar este tipo de dispositivos durante las operaciones de cirugía, después los activarían desde fuera del cuerpo con radio frecuencias para suministrar antibióticos si fuese necesario durante la recuperación. Los componentes electrónicos también podrían usarse para hacer un seguimiento del proceso de curación dentro del cuerpo. Después de que la curación hubiese finalizado, el dispositivo completo se disolvería en el cuerpo.

A principios de este mes unos investigadores de la Universidad Tufts y de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign informaron acerca de la construcción de componentes electrónicos de silicio sobre sustratos de seda biodegradables. Los componentes de silicio generalmente poseen un rendimiento mucho mejor que aquellos hechos de semiconductores orgánicos, aunque el silicio no es biodegradable. El grupo de Stanford, dirigido por la profesora de ingeniería química Zhenan Bao, es el primero en fabricar componentes electrónicos a partir de materiales semiconductores totalmente biodegradables. Aunque los dispositivos son estables en agua, todo lo que queda de los dispositivos después de 70 días son los contactos eléctricos de metal de apenas decenas de nanómetros de grosor.

Hasta ahora el grupo ha podido probar que es capaz de construir componentes electrónicos orgánicos que funcionan al humedecerse y que se descomponen bajo condiciones similares a las del cuerpo humano. La degradación de estos dispositivos viene provocada por una serie de condiciones similares a las que se dan en el cuerpo: una solución salina con un pH ligeramente básico descompone lentamente los transistores. Para que puedan ser estables y retener su rendimiento mientras están en uso, estos dispositivos tendrán que ser encapsulados en otra capa cuya composición se ajuste para lograr exponer el dispositivo una vez que haya sobrepasado su vida útil. El dispositivo prototipo, descrito por internet en la revista Advanced Materials, está hecho de plásticos biodegradables aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos, un material semiconductor biodegradable parecido al pigmento de piel conocido como melanina, y unos contactos eléctricos de oro y plata. Estos metales también están aprobados para su uso dentro del cuerpo.

Crean un haz de electrones capaz de diseñar piezas y objetos de metal:Un dispositivo desarrollado por ingenieros de la NASA permite crear formas y partes de objetos a partir de un haz de electrones. Solamente se requiere un modelo 3D de la forma a crear y un material compatible con el haz de electrones. Aunque parezca una idea más ligada a la ciencia ficción, este avance podría tener grandes aplicaciones en el terreno de la aeronáutica.

El haz de electrones de fabricación de formas libres (EBF3), desarrollado en el Langley Research Center de la NASA, hace realidad aquel viejo anhelo de trasladar a la realidad todo aquello que pensamos. Es tan sencillo como introducir un dibujo de la parte que se desea construir, presionar un botón y obtener inmediatamente la forma buscada. La investigación forma parte del Programa de Aeronáutica de la NASA.

EBF3 funciona mediante una cámara de vacío, donde el haz de electrones trabaja sobre el metal, que se funde y luego se modifica de acuerdo a los requerimientos del modelo o diseño incluido, hasta que la pieza esté completa. Aunque las opciones que brinda EBF3 no son tan amplias como las que se presentan en las novelas de ciencia ficción, su funcionamiento parece en principio alejado de este mundo.

Las aplicaciones comerciales para el EBF3 ya han sido estudiadas, además de haber ensayado su potencial, y no es para nada descabellado pensar que dentro de unos años los aviones podrán volar con grandes piezas estructurales creadas mediante este proceso. La investigación fue difundida en una nota de prensa de la NASA.

Para que el funcionamiento del EBF3 se haga realidad existen dos requisitos fundamentales: el diseño tridimensional del objeto que se busca crear debe estar disponible y el material elegido debe ser compatible para su uso con un haz de electrones. El modelo o diseño se necesita para descomponer el objeto en capas, ya que el dispositivo trabaja orientando al haz de electrones y a la fuente de metal en la reproducción del objeto, construyendo capa por capa.

En cuanto al material, debe ser compatible con el haz de electrones para que pueda ser calentado rápidamente por la corriente de energía y convertirse a su forma líquida. Según los responsables de la investigación, estas condiciones hacen que el aluminio sea un material ideal para ser empleado en este dispositivo, junto a otros metales que también poseen estas características.

Vale destacar que el EBF3 es capaz de manejar dos fuentes distintas de metal o material de alimentación, siendo capaz de proceder a su mezcla en una aleación única o incluyendo un material dentro de otro. Por ejemplo, esta potencialidad permite incluir un filamento de fibra óptica de vidrio dentro de una parte de aluminio. Gracias a esto, sería posible colocar sensores en zonas en las cuales antes era imposible hacerlo.

Aunque actualmente el equipo EBF3 probado a nivel experimental es de grandes dimensiones y un peso excesivo, lo que dificulta su funcionalidad, ya se ha creado con éxito una versión más pequeña. La misma se ha empleado en una prueba de vuelo en un avión de la NASA, que incluyó breves períodos de ingravidez. La idea es que el dispositivo permita la fabricación de piezas de repuesto en vuelo con suma facilidad, incluso en viajes espaciales.

De esta manera, en lugar de basarse en el suministro de piezas que deben aportarse desde la Tierra, los astronautas podrían ser capaces de crear objetos y formas por su cuenta en el espacio, ya sea para necesidades específicas de las exploraciones o para reparar partes averiadas de aeronaves y dispositivos varios.

Sin embargo, el potencial más importante e inmediato de este avance se ubica en el terreno de la industria de la aviación, en la cual grandes segmentos estructurales de un avión o partes de un motor a reacción podrían ser fabricados rápidamente y a un menor costo con relación a los medios convencionales, en un valor que rondaría los 1.000 dólares por libra.

El EBF3 no solamente supondría un importante ahorro de tiempo y dinero en la fabricación de piezas aeronáuticas, sino que además podría aportar interesantes condiciones ecológicas. Esto se debe a la posibilidad de emplear menores cantidades de material (por ejemplo titanio) en la fabricación de piezas, lo que significaría ahorro energético, una mayor cantidad de material disponible para su reutilización y una menor cantidad de emisiones contaminantes.

Además del reemplazo de piezas antiguas o caducas, el EBF3 podría permitir el desarrollo de nuevos aviones desde cero. Esto daría lugar a una mayor eficiencia en los motores a reacción, una tasa de consumo de combustible menor y una mayor vida útil de los componentes, al poder diseñar con mayor exactitud cada pieza.

Sesenta años reduciendo el tamaño de los transistores

En 1953 se montó una radio con 4 transistores; para el 2007, el último chip de Intel tenia 820 millones.

A finales de 1947, los laboratorios Bell inventaron de la mano de John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley el transistor, por el que recibieron el Nobel de Química en 1956. Basado en semiconductores como el silicio -deja pasar la corriente o la corta según su estado-, un transistor es algo parecido a un interruptor. Sesenta años después su descubrimiento está presente en la mayoría de los aparatos creados por el hombre gracias a la electrónica.

El transistor se aplicó de forma industrial, en primer lugar, a los aparatos de radio. Hasta entonces, las ondas sonoras se amplificaban para que las captara el oído humano mediante válvulas al vacío, muy grandes y costosas. El transistor, mucho más barato, y sobre todo más pequeño, permite amplificarlas igualmente, pues otra de las virtudes del transistor, además de cerrar o abrir el paso a la corriente o al audio, es dejarla pasar con mayor o menor intensidad. Así, en 1954 se vendió en EE UU la primera radio con transistores, en concreto con cuatro. Sin embargo, el primer aparato que montó un transistor fue un sonotone un año antes.

En aquella época, los transistores se fabricaban de uno en uno, y se aplicaban a radios, teléfonos o, incluso, ordenadores. Estos últimos realizan sus cálculos, procesan datos, reproducen DVD o visualizan fotografías basándose en una información binaria de únicamente dos posiciones. Concretamente del 1, que se obtiene cuando el transistor deja pasar la corriente, y del 0, cuando no. Sin embargo, para que los ordenadores pudieran desarrollar instrucciones más complejas, no valía con un único transistor. El reto fue comunicar muchos transistores y eso se consiguió con los circuitos integrados de transistores. A partir de aquí, la carrera fue vertiginosa.

Intel, el primer fabricante mundial de chips para ordenadores, ha mantenido la apuesta, lanzada por uno de sus fundadores, Gordon Moore, de duplicar cada dos años el número de transistores que se montan en un chip o procesador. A más transistores más órdenes se pueden dar, lo que redunda en mayor velocidad y mayor capacidad para realizar operaciones más complejas.

Pero las exigencias del mercado, que busca ordenadores más rápidos y capaces de funciones mucho más sofisticadas, obliga a seguir reduciendo el tamaño. Antonino Albarrán, director tecnológico de Intel Iberia, asegura que todavía hay camino. De hecho, dentro de dos años se trabajará a 32 nanómetros y para 2020 se alcanzarán los 7 u 8, el límite. Para ello, los chip del futuro no serán planos sino tridimensionales. Eso sí, el ojo humano no podrá apreciarlo.

Organic light-emitting transistors outperforming OLEDs

OLEDs – organic light-emitting diodes – are full of promise for a range of practical applications. OLED technology is based on the phenomenon that certain organic materials emit light when fed by an electric current and it is already used in small electronic device displays in mobile phones, MP3 players, digital cameras, and also some TV screens. With more efficient and cheaper OLED technologies it will possible to make ultra flat, very bright and power-saving OLED televisions, windows that could be used as light source at night, and large-scale organic solar cells. In contrast to regular LEDs, the emissive electroluminescent layer of an OLED consists of a thin-film of organic compounds. What makes OLEDs so attractive is that they do not require a backlight to function and therefore require less power to operate; also, since they are thinner than comparable LEDs, they can be printed onto almost any substrate.

Nonetheless, exciton quenching and photon loss processes still limit OLED efficiency and brightness. Organic light-emitting transistors (OLETs) are alternative, planar light sources combining, in the same architecture, the switching mechanism of a thin-film transistor and an electroluminescent device. Thus, OLETs could open a new era in organic optoelectronics and serve as test beds to address general fundamental optoelectronic and photonic issues.

"OLET is a new light-emission concept, providing planar light sources that can be easily integrated in substrates of different nature – silicon, glass, plastic, paper, etc. – using standard microelectronic techniques," Michele Muccini, a researcher at the Institute of Nanostructured Materials (ISMN) in Bologna, Italy, explains to Nanowerk. "The focus of OLET development is the possibility to enable new display/light source technologies, and exploit a transport geometry to suppress the deleterious photon losses and exciton quenching mechanisms inherent in the OLED architecture."

Trilayer OLET device structure and active materials forming the heterostructure. Schematic representation of the trilayer OLET device with the chemical structure of each material making up the device active region. The field-effect charge transport and the light-generation processes are also sketched.

Motivated by the need to unravel the full potential of field-effect transistors as a photonic technology platform, Muccini and his team have now demonstrated that OLETs enable the control of quenching and electrode-induced photon loss processes in an organic light-emitting device. These fundamental processes are those that still limit efficiency and brightness of OLED technology.

Reporting their findings in a paper in the May 2, 2010 online edition of Nature Materials ("Organic light-emitting transistors with an efficiency that outperforms the equivalent light-emitting diodes"), the scientists demonstrated the advantages of using an OLET versus an OLED configuration, and enabled OLETs with the highest efficiency reported so far.

"We show that the same organic emitting layer leads to more efficient device emission when it is incorporated in the OLET structure than in the OLED one" says Muccini. "Our devices provide planar micrometer-size light sources that might enable organic photonic applications like integrated on-chip bio-sensing and high resolution display technology with embedded electronics."

The Italian team introduced the concept of using a p-channel/emitter/n-channel tri-layer semiconducting heterostructure in OLETs providing a novel approach to dramatically improve OLET performance. According to Muccini, these devices are more than 100 times more efficient than the equivalent OLED, over 2 times more efficient than the optimized OLED with the same emitting layer, and over ten times more efficient than any other reported OLET.

The trilayer heterostructure OLETs used by the researchers were fabricated on glass/indium tin oxide/PMMA substrates. The active region consists of the superposition of three organic layers. The first, in contact with the PMMA dielectric, and the third layers are field-effect electron-transporting (n-type) and hole-transporting (p-type) semiconductors, respectively, whereas the middle layer is a light-emitting hostguest matrix. These three layers are 62nm thick. The device structure is completed by the deposition of 50nm gold contacts as source and drain.

"To enable the vertical charge diffusion process, the basis of the OLET electroluminescence mechanism, energetic compatibility between the materials forming the heterostructure is required," explains Muccini. "Furthermore, the morphology of these films must allow the formation of a continuous multistack. Meeting these requirements is not trivial and it took us several attempts to identify the appropriate film material."

"The new trilayer heterostructure field-effect concept unravels the full potential of the light-emitting field-effect technology and restricts the limitation of OLEDs to only materials-related issues," he continues. "Improvements in the top-layer field-effect mobility at high current density coupled to the use of triplet emitters will enable OLETs with even higher EQE and brightness."

He notes that ongoing research directions include the control of photonic processes within the device to improve light confinement, guiding and extraction. In addition device reliability and lifetime under operational conditions need to be thoroughly addressed.

"A critical parameter to be addressed for the future development of the OLET technology is the device operating voltage" says Muccini. "The power efficiency at a given voltage is an essential figure-of-merit of any light-emitting device. Lower operating voltages are to be targeted using high-capacitance gate insulators. However, despite the necessary technical improvements, we believe that our tri-layer OLETs represent a viable route towards practical organic light-emitting devices with unprecedented performances."

Científicos construyen transistor de un solo átomo

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Helsinki (Finlandia), Universidad de New South Wales (Australia), y la Universidad de Melbourne (Australia) han conseguido crear un transistor funcional de un solo átomo.

Los transistores más pequeños de hoy (nanotransistores, como los que se empaquetan en los chips) contienen miles de átomos, pero hay varios grupos de científicos que trabajan en reducciones de escala que llevan los transistores a tamaños de apenas unos átomos, incluso de uno solo. Una de las maneras de hacer un transistor de un solo átomo es colocar este átomo entre dos electrodos, lo cual requiere que se logre primero construir un artefacto con dos caras de metal (los electrodos) separadas por el espacio de un átomo.

Para lograr esto los investigadores se basaron en el efecto túnel, que en la mecánica cuántica es un fenómeno nanoscópico por el que una partícula viola los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera potencial o impedancia mayor que la energía cinética de la propia partícula. De manera que el transistor trabaja mediante el tuneleado energético de electrones entre la fuente y el drenador a través de un átomo de fósforo (Ver: transistores MOSFET). El túnel puede ser suprimido o autorizado controlando la tensión en un metal cerca del electrodo con un ancho de unas pocas decenas de nanómetros.

El detalle es que el núcleo del transistor es en efecto sólo un átomo, pero la parte complementaria, sobre todo el electrodo es muy voluminoso (en términos atómicos) y no deja empaquetar más transistores en un circuito integrado como lo que ya podemos encontrar con la tecnología de semiconductores actuales.

Sin embargo, como explicó el Dr. Möttönen, el equipo no estaba interesado en construir el transistor más pequeño para un equipo clásico, sino más bien un bit cuántico (Qubit) que sería el principio de una computadora cuántica. Aún así el descubrimiento resulta muy importante ya que al pasar corriente eléctrica por un solo átomo, se pueden estudiar los fenómenos que surgen en condiciones de tamaño extremo.

Por primera vez, los investigadores pudieron observar el “espín hacia arriba” y “espín hacia abajo”, que se traducen en “1″ y “0″ respectivamente para un átomo de fósforo. Este es otro paso importante hacia el control de estos estados y en última instancia, la realización de un bit cuántico estable.

Inexpensive, Unbreakable Displays

Researchers at HP are scaling up a process for making silicon electronics on rolls of plastic.

A researcher at Hewlett-Packard Labs holds a 33-centimeter-­wide roll of plastic covered with amorphous-silicon transistor arrays designed to control pixels in displays. Credit: Jen Siska

Carl Taussig unfurls a roll of silvery plastic patterned with arrays of small iridescent squares, each a few centimeters across. The plastic in his hands, along with the scraps and scrolls of the material scattered on benchtops and desks in the rooms of Hewlett-Packard Labs in Palo Alto, CA, may look like silver wrapping paper, but each square contains thousands of silicon transistors. The transistors can switch pixels in displays on and off as fast as those in conventional flat-screen monitors and televisions, but they're far cheaper to fabricate and more resilient.

In today's displays, whether they're flat-panel TVs or iPads, the electronics that control the pixels are made of amorphous silicon on glass. Taussig's goal is to replace these heavy, fragile, expensive displays with lightweight, rugged, inexpensive ones made on plastic--without compromising performance. He is using high-volume roll-to-roll mechanics, the type of high-speed manufacturing process used in newspaper production, to make high-performance transistor arrays on the 33-centimeter-wide plastic rolls. HP researchers are now engineering a process for a planned pilot plant, where the company will produce the arrays at volumes of about 46,500 square meters a year through a partnership with Phicot, a manufacturer of thin-film electronics based in Ames, IA.

Interruptor ES 93 electrónicos de velocidad

Con base en España, *Eurohübner España presenta a sus clientes los interruptores de velocidad electrónicos ES 93 con 3 velocidades de conmutación regulables para el control de la velocidad. Los interruptores de velocidad electrónicos ES 93 posee una acción interruptora inmediata en cualquier dirección con rearme automático, e incorpora una versión ES R con módulo de relé, con tres salidas de relé con contactos aislados. El ES 93 posee tres salidas independientes a transistores, y funcionamiento a prueba de fallos de relé en caso de fallas de energías o desperfectos del cable de señal y se puede aplicar en modo prueba fallos con combinación de centrífuga y interruptor de velocidad electrónico. EL ES 93 está disponible como ESL con la posibilidad de poder combinarse con codificadores incrementales. En el modelo ES 93 la tensión de tacho rectificada, se alimenta en base a tres potenciómetros que configuran tres velocidades de conmutación independientes entre si, cuando alguna de estas tensiones llega al límite impuesto respectivo, se desencadena una señal que interrumpe el proceso. Los ES 93 funciona con suministro externo o tensión de corriente continua de baja, y cuando ocurre un cambio de velocidad límite o en el caso de una falla eléctrica o de la señal.

A Better Way to Make Graphene

A new method could allow more practical manufacturing of the material.

Single-atom-thick sheets of carbon called graphene have some amazing properties: graphene is strong, highly electrically conductive, flexible, and transparent. This makes it a promising material to make flexible touch screens and superstrong structural materials. But creating these thin carbon sheets, and then building things out of them, is difficult to do outside the lab.

Now an advance in making and processing graphene in solution may make it practical to work with the material at manufacturing scale. Researchers at Rice University have made graphene solutions 10 times more concentrated than any before. They've used these solutions to make transparent, conductive sheets similar to the electrodes on displays, and they're currently developing methods for spinning the graphene solutions to generate fibers and structural materials for airplanes and other vehicles that promise to be less expensive than today's carbon fiber.

Now an advance in making and processing graphene in solution may make it practical to work with the material at manufacturing scale. Researchers at Rice University have made graphene solutions 10 times more concentrated than any before. They've used these solutions to make transparent, conductive sheets similar to the electrodes on displays, and they're currently developing methods for spinning the graphene solutions to generate fibers and structural materials for airplanes and other vehicles that promise to be less expensive than today's carbon fiber.

Most methods for making graphene start with graphite and involve flaking off atom-thin sheets of graphene, usually using chemical means. "The key is to make single-layer graphene, to not destroy it in the process, and to do it in high volume," says Yang Yang, professor of materials science and engineering at the University of California, Los Angeles. Some of the existing methods for making graphene from graphite and then manipulating it in solution involve adding soluble groups to the surface of the molecule, but this chemical change destroys graphene's electrical properties.

The Rice researchers make graphene solutions using a method they initially developed for working with carbon nanotubes. About five years ago, researchers led by the late Nobel laureate Richard Smalley discovered that highly concentrated sulfuric acid, so strong it's called a "superacid," can bring carbon nanotubes into solution by coating their surfaces with ions. Last year, the Rice group, now led by chemist Matteo Pasquali, showed they could use superacid solutions of carbon nanotubes to make fibers hundreds of meters long; the group has contracted with a major chemical company to commercialize the process.

Designing a radio with a single type of transistor

What do you do once you are already a skilled radio designer and restorer? Well, if you are Greg Charvat, you decide to build a shortwave radio using a single type of transistor as an active element. Normally, one would use number of different transistors, each designed to handle different amounts of power and amplifying bandwidth. Limiting yourself to a single type may seem like a mental exercise today (pun intended), but was apparently much more common back when transistors weren't easy to come by, so Greg isn't completely off his rocker. Also, by only using one kind of part, it should make repairs much easier.

Designing a radio like this is a little bit complicated, but not nearly as much as it might sound. The trick is to divide the radio function into manageable pieces, which can then be designed and tested individually. You will notice that Greg's radio (pictured above) is made up of a bunch of small prototyping boards. Each board contains a single circuit with a specific function, and physically separating them makes it much easier to test the parts, as well as swap out the ones that might be malfunctioning. It's also a neat design aesthetic, because it very closely resembles the way you would draw an electrical schematic to represent the circuit.

If you are interested in building a radio, I would strongly recommend giving it a go. Start with a kit, though, and pick one that explains the design of each stage so that you can learn how it works. It will definitely be an interesting experience, and who knows, it could be the start of a new passion! If you have a favorite kit or other guide to recommend, chime in on the comments.

Fujitsu Laboratories Develops Gallium-Nitride HEMT Amplifier Featuring World's Highest Output in the C-Ku Band

Fujitsu Laboratories Ltd. today announced the development of an amplifier based on gallium-nitride (GaN), high electron mobility transistor (HEMT) technology, which features an output of 12.9W - more than twice the output of previous amplifiers and presently featuring the world's highest amplification output - when operating in the wide band range of the C-band, X-band, and Ku-band, radio frequency spectrums between 6GHz-18GHz. By employing this amplifier, it will be possible to operate systems such as aviation radar - which conventionally utilize separate communications equipment for different frequency ranges - with a single amplifier, thereby enabling the development of smaller, lighter radar equipment and wireless communications systems that are capable of covering wide areas.

Details of this technology have been presented at the IEEE MTT International Microwave Symposium (IMS 2010) being held in Anaheim, U.S. between May 23-28.

About Gallium-Nitride High Electron Mobility Transistors

Gallium-nitride (GaN) is used in blue-LEDs for traffic signal lights, and as a semiconductor material GaN enables electrons to move faster than in conventional semiconductor materials, such as silicon (Si) and gallium-arsenide (GaAs). GaN also features a higher breakdown voltage (threshold) compared to such conventional semiconductor materials.

Given these characteristics, GaN HEMTs - a kind of GaN-based transistor - are anticipated to offer high-output high-efficiency operation.

Background

Aircraft radar typically switches between the C-band, which is relatively unaffected by rain, and the X- and Ku-bands which offer high-precision detection of solid objects. An amplifier featuring the ability to cover - on its own - the entire range of the C- to Ku-bands would allow for smaller systems that consume less power. This has led to keen interest in multifunctional radars, which integrate communications systems and multiple radars and into a single device.

Technological Issues

To achieve the output needed to cover large spectrums such as the C- to Ku-bands, in the past multiple transistors have been connected in parallel to create an amplification circuit. However, as the circuit is physically longer, line loss increases, thus making it difficult to extend coverage up to 18GHz.

Newly-developed Technology

Fujitsu Laboratories developed a high-output GaN HEMT amplifier that covers the ultra-broadband C-Ku spectrum (6GHz-18GHz).

Key features of the new technology are as follows:

1. Band-extending circuit technology:Fujitsu Laboratories devised a band extension circuit that compensates line losses at high frequencies, and employed the circuit in an amplifier for the first time ever. 2. Circuit technology for dividing and combining electrical power over broadband:Fujitsu Laboratories developed a circuit that handles the dividing and combining of electrical power across an ultra-wide spectrum, and built the circuit on the semiconductor chip.

Results

The newly-developed GaN HEMT amplifier was proven to produce 12.9W of power over the wide 6GHz-18GHz spectrum with 18% efficiency(4). This amplification output is more than double (2x) the output of existing ultra-broadband, high-frequency amplifiers, and represents the world's highest level of performance.

This new technology will make it possible for a single amplifier to operate at multiple frequencies, paving the way for further integration of systems, such as broadband communications systems and radar systems that utilize various frequencies, thus allowing for more compact and lighter equipment. The technology can also be used in measuring instruments in order to measure the performance of amplifiers used in broadband communications and radar systems.

Future Developments

Fujitsu Laboratories plans to apply this technology to a wide range of applications that require high output across wide bandwidths, including wireless communications and radar.

(1) Gallium-nitride (GaN):GaN-based semiconductors are wide bandgap semiconductors that feature a higher breakdown-voltage (threshold) than conventional semiconductor materials, such as silicon (Si) or gallium-arsenide (GaAs).

(2) High-electron mobility transistor (HEMT):A field-effect transistor that utilizes the electron movement at the junction between two semiconductors with different band gaps - the electronic movement in HEMTs is faster compared to that of conventional semiconductors. Fujitsu led the industry with its development of HEMT technology in 1980, and HEMTs are currently used in a wide range of core technologies for IT applications, including satellite transceivers, mobile phones, GPS-based navigations systems, and broadband wireless networking systems.

(3) C-band, X-band, Ku-band:Common names for each frequency band. The C-band covers 4GHz-8GHz and is not prone to attenuation from rain or fog. Applications employing C-band include satellite communications, fixed wireless networking, wireless access networking, air-traffic control radar, weather radar, etc. The X-band covers 8GHz -12GHz, and has only minimal impact from crosstalk and interference, thereby making the X-band difficult to be intercepted or jammed. The X-band is often used in satellite communications, air-traffic control radar, and weather radar. The Ku-band covers 12GHz-18GHz, and has only minimal impact from crosstalk and interference, thus making the Ku-band difficult to be intercepted or jammed. Ku-band applications include satellite communications and various types of radar.

(4) 18% efficiency:Efficiency refers to the ratio of the high-frequency (h.f.) output power to the DC input power, taking into account the power amplifier gain.

It is calculated as: Efficiency = 100*(h.f. output power - h.f. input power/(DC input power)

Un transistor monomolecular basado en el fulereno C60 y electrodos superconductores

La escala de integración más alta posible para un transistor es utilizar una única molécula. El problema de este tipo de transistores monomoleculares es la presencia de estados cuánticos espurios para la conductancia que penalizan su funcionamiento. Una manera de evitar estos efectos es utilizar contactos superconductores. Investigadores franceses han logrado el primer transistor monomolecular fiable basado en una molécula del fulereno C60 entre dos electrodos de Alumino/Oro cuyo único inconveniente es que funciona a una temperatura por debajo de 1 Kelvin. El artículo técnico es “Superconductivity in a single-C60 transistor”

Creación de circuitos sobre grafeno

Una punta de AFM caliente es capaz de dibujar líneas conductoras de nanómetros de ancho sobre óxido de grafeno.

Punta caliente: Una punta de AFM calentada a más de 150 °C es capaz de grabar una superficie de óxido de grafeno aislante para crear delgados hilos conductores a nanoescala. Fuente: Debin Wang, Georgia Tech.

Usando una punta caliente de microscopio de fuerza atómica, un grupo de investigadores ha logrado dibujar patrones conductores a nanoescala sobre óxido de grafeno aislante. Este sencillo truco para controlar la conductividad del óxido de grafeno podría allanar el camino para el grabado de circuitos electrónicos en dicho material de carbono, un importante avance hacia la creación de procesadores de ordenador de alta velocidad, baja potencia, y potencialmente más baratos.

El grafeno, una lámina de carbono de un átomo de espesor, es un prometedor reemplazo del silicio en los circuitos electrónicos, ya que transporta los electrones mucho más rápidamente. Los investigadores de IBM ya han creado transistores, los bloques de construcción de los circuitos electrónicos, con grafeno capaces de trabajar 10 veces más rápidamente que sus homólogos de silicio. Sin embargo para crear estos transistores, los investigadores primero tienen que alterar las propiedades electrónicas del grafeno cortándolo en tiras finas, que luego se incorporan en los dispositivos. Los investigadores han producido estas nanocintas mediante la litografía, con procesos basados en soluciones químicas, o descomprimiendo los nanotubos de carbono.

En lugar de todo eso, en el nuevo estudio publicado en Science, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia y el Laboratorio de Investigación Naval de los EE.UU. "escriben" las nanocintas sobre una superficie, en vez de tener que cortar el grafeno. Los investigadores comienzan con una hoja de óxido de grafeno, que es incapaz de conducir la corriente eléctrica. Al pasar una punta de AFM caliente, con entre 150 °C y 1060 °C, por toda la hoja, los átomos de oxígeno se desprenden en los puntos que toca la punta. Esto deja tras de sí unas líneas de grafeno casi puro que son 10.000 veces más conductivas que el óxido de grafeno que las rodea.

"Es una técnica rápida y reproducible, de sólo un paso y sencilla", afirma Paul Sheehan, que lideró el trabajo en el Laboratorio de Investigación Naval. "En lugar reducir la resistencia y tratar de cortar el grafeno de distintas formas, podemos utilizar el calor local y escribir las líneas exactamente donde queramos." Sheehan afirma que podría usarse un conjunto de miles de puntas de AFM para dibujar circuitos sobre óxido de grafeno al mismo tiempo.

Los métodos conocidos para crear nanocintas son dificultosos y caros, afirma Jing Guo, profesor de ingeniería informática y eléctrica en la Universidad de Florida, en Gainesville. Estos métodos también crean cintas con bordes ásperos, lo que afecta a las propiedades electrónicas del grafeno y se traduce en transistores de baja calidad. "Esta es una nueva forma de crear nanocintas que resulta muy simple, fiable y potencialmente escalable a gran escala", señala. "Básicamente tomamos papel y usamos un lápiz para dibujar sobre él, consiguiendo una línea muy estrecha."

Los investigadores lograron escribir líneas de hasta 12 nanómetros de diámetro a una velocidad de hasta 0,1 milímetros por segundo. La velocidad de escritura aumentó con la temperatura. "Es emocionante ver que esta conversión se puede realizar y controlar a escala nanométrica", afirma Yu-Ming Lin, investigador del grupo de ciencia y tecnología a nanoescala en el Watson Research Center de IBM situado en Yorktown Heights, Nueva York. "Este es un paso importante para la electrónica basada en el grafeno".

Comenzar usando hojas de óxido de grafeno en lugar de grafeno resulta más fácil y más barato, afirma Elisa Riedo, profesora de física en Georgia Tech, y que dirigió el trabajo con Sheehan. Las pristinas hojas de grafeno se obtienen normalmente mediante la separación mecánica de tiras de grafito, o mediante el cultivo del grafeno en obleas de carburo de silicio de dos pulgadas. "El óxido de grafeno era más barato de producir en grandes áreas, en comparación con el grafeno," afirma Riedo. "Es un camino diferente para acabar consiguiendo grafeno".

Los investigadores planean crear transistores usando su técnica, aunque puede que en primer lugar necesiten procesos adicionales, señala Yanwu Zhu, investigador de grafeno en la Universidad de Texas en Austin. Para empezar, tendrán que encontrar una forma de eliminar los restos de óxido de grafeno de las cintas conductoras.

La memoria de memristores lista para la producción

HP planea una nueva memoria no volátil para 2013.

Memoria a largo plazo: Cada uno de los puntos blancos en esta imagen de microscopía de fuerza atómica es un memristor de 50 nanómetros de diámetro. Fuente: Nature

HP ha comenzado a realizar pruebas con muestras de un nuevo tipo de memoria no volátil basadas en memristores—elementos de circuito mucho más pequeños que los transistores utilizados en la memoria flash. La compañía planea introducir el primer producto comercial con memoria de memristor dentro de tres años.

HP espera que su tecnología de memoria de memristor se escale mejor que el flash y espera poder ofrecer un producto con una densidad de almacenamiento de alrededor de 20 gigabytes por centímetro cuadrado en 2013—el doble del almacenamiento que se espera que ofrezca flash en ese momento. La medida será un verdadero campo de pruebas para los memristores; la fiabilidad y el rendimiento de estos componentes, fabricados por primera vez en los HP Labs en 2008, sigue sin haberse puesto a prueba.

R. Stan Williams, investigador senior de HP y director del laboratorio de sistemas cuánticos y de información de la empresa, afirmó que su grupo está probando el primer grupo de muestras de dispositivos de memoria de memristor fabricadas en unas instalaciones de semiconductores sin especificar. Las muestras de matrices de memristores se están construyendo en obleas de silicio estándar de 300 milímetros.

Los memristores son dispositivos a nanoescala con una resistencia variable y la capacidad de recordar dicha resistencia cuando se corta la energía. HP los fabrica utilizando técnicas convencionales de litografía: colocando un conjunto de nanocables metálicos paralelos, recubriendo los cables con una capa de dióxido de titanio de unos pocos nanómetros de espesor y, a continuación, colocando una segunda matriz de cables perpendicular a la primera. Los puntos donde los cables se cruzan son los memristores, y cada uno puede ser tan pequeño como de sólo unos tres nanómetros. Esta estructura de travesaño también hace posible empaquetar memristores en matrices muy densas.

Tanto la memoria flash como la de memristores son no volátiles, es decir, mantienen los datos incluso cuando la energía se corta. No obstante, la memoria flash tiene algunas limitaciones. Sólo puede soportar alrededor de 100.000 ciclos de escritura de datos y, como todos los dispositivos basados en transistores de silicio, se enfrentará a limitaciones físicas al tiempo que aumenta la escala para hacer dispositivos de almacenaje de memoria más densos. Williams afirma que la memoria de memristores puede soportar hasta un millón de ciclos de lectura y escritura en las pruebas de laboratorio. "Seremos capaces de escalar la tecnología más rápido y más lejos que con los dispositivos flash, puesto que el memristor es una estructura muy simple, y puede ser apilada", señala Williams.

Otros investigadores muestran un cauteloso optimismo acerca de los memristores. Aunque las propiedades materiales del silicio son bien conocidas, las de los materiales utilizados para hacer los memristores de Williams no lo son—al menos hasta ahora.

"Los fundamentos de por qué estos óxidos metálicos cambian como cambian no se entienden bien", afirma Curt Richter, líder del proyecto de Metrología de Dispositivos Nanoelectrónicos en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, Maryland. Una mejor comprensión de las propiedades materiales fundamentales de los óxidos metálicos utilizados para fabricar los memristores será crucial para garantizar que los chips con miles de millones de estos dispositivos funcionan de manera fiable durante un período de 10 años.

La transferencia de la tecnología a las plantas de fabricación podría tardar más que la adquisición de estos conocimientos. "Una vez que tienes la fábrica, pasas a un juego completamente distinto", afirma Dmitri Strukov, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California, en Santa Bárbara, y encargado del desarrollo de memristores en su laboratorio.

También podría contribuir a los intentos por desarrollar circuitos lógicos de memristores, afirma Richter. Los memristores han sido objeto de mucho interés porque, en teoría, son capaces de una actividad análoga a lo que ocurre en una sinapsis dentro del cerebro humano. Hasta ahora, sin embargo, todas las demostraciones experimentales de memristores han sido logradas obligándolos a comportarse de forma más parecida a los transistores. En lugar de cambiar entre cientos de estados, estos memristores se han creado para cambiar entre dos estados, con una alta resistencia y otra baja—un cero y un uno digital.

Esta semana, en la revista Nature, Williams y sus colegas informaron de un gran paso adelante dentro de la lógica del memristor, gracias a la fabricación de circuitos capaces de soportar una lógica Booleana completa. Los circuitos son todavía digitales, aunque Williams afirma que su equipo ha "demostrado que cualquier cosa que se pueda calcular en el silicio se puede hacer igual con memristores", y en un espacio más pequeño. La demostración de la lógica digital con los dispositivos es un primer paso importante hacia un tipo de informática más exótica, afirma Strukov.

Los circuitos de memristores publicados en Nature también son capaces tanto de funciones de memoria como de lógica, funciones que se realizan en distintos dispositivos en los ordenadores actuales. "La mayoría de la energía utilizada para la computación hoy día se utiliza para mover los datos" entre el disco duro y el procesador, afirma Williams. Un dispositivo futuro basado en memristores que proporcionase ambas funciones podría ahorrar una gran cantidad de energía y ayudar a hacer que los ordenadores fueran cada vez más rápidos, incluso si el silicio alcanza sus límites físicos.

Por ahora, sin embargo, la compañía trabajará para superar los problemas potenciales de producción que surjan a medida que desarrolla memristores para memorias no volátiles. Los memristores son dispositivos pasivos que deben ser construidos sobre la parte superior de los transistores de silicio tradicionales utilizados para introducir la energía en el sistema. Esta complejidad puede ser un obstáculo, advierte Pinaki Mazumder, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas en la Universidad de Michigan. "A medida que introducimos más máscaras de litografía, podríamos encontrarnos con un efecto negativo en el rendimiento, ya que aumentan las posibilidades de errores", afirma.

A pesar de estos desafíos, Williams señala que es el momento de que los memristores pasen a una mayor escala. "Nuestros resultados de laboratorio han sido buenos, y es hora de poner a prueba los memristores en la fábrica."

Intel lanza un prototipo de circuito de bajo consumo

Un tipo de chips que permiten que se produzcan errores, y que después los corrigen, utilizan menos energía en general.

Corrección de errores: Este prototipo de chip puesto a prueba en los Laboratorios Intel incorpora unos circuitos de corrección de errores que le permiten funcionar a voltajes más bajos y ahorrar energía. Fuente: Intel Labs

Cuanto más pequeño sea un transistor de silicio, más electrones deja escapar. Eso puede traducirse en chips poco fiables y que acaben rápidamente con la vida de la batería. Un grupo de investigadores en Intel acaban de hallar una forma de tratar el problema y que subvierte la fuerte preferencia dentro de la industria por la precisión. El chip prototipo de la compañía opera en un modo de bajo consumo pero tendente a errores, aunque es capaz de detectar y corregir sus errores. Este método, y según han descubierto los investigadores, ahorra un 37 por ciento de energía en comparación con el modo convencional y sin pérdida de rendimiento.

Una forma de asegurarse un mejor rendimiento, incluso si los transistores cada vez se hacen más pequeños y dejan escapar más electrones, consiste en hacer que funcionen a un voltaje relativamente alto todo el tiempo. La mayoría de los microprocesadores de hoy día están diseñados para trabajar a un nivel que representa, de algún modo, el peor de los casos, afirma Wen-Hann Wang, director de circuitos e investigación de sistemas en Intel y vicepresidente de Intel Labs en Hillsboro, Oregon. Aunque no es frecuente que un usuario haga tantas cosas a la vez—por ejemplo, jugar a un juego con gran nivel de gráficos, subir un video a Facebook, y navegar por la web—como para que el microprocesador tenga que estar funcionando dentro de su rango más elevado.

Además la estrategia de alto voltaje y alto rendimiento se está convirtiendo en un problema para los dispositivos móviles, en los que la vida de la batería es algo importante. Una forma de prolongar la vida de la batería consiste en hacer que el chip funcione a un voltaje más bajo, aunque eso hace que se produzcan errores.

“Cuando un circuito opera a un voltaje bajo, el sistema se vuelve ruidoso,” afirma Wang. Los circuitos a bajos voltajes son particularmente vulnerables a las variaciones en la temperatura, así como a un fenómeno llamado “caída de voltaje”: aplicar un nivel bajo de corriente eléctrica a lo largo de miles de millones de transistores al mismo tiempo es como tomar un ducha mientras la lavadora y el lavaplatos están funcionando. De igual modo que este enorme uso de agua puede provocar una caída en la presión del agua, ejecutar muchas operaciones a un voltaje bajo puede provocar una caída repentina en la corriente a lo largo de un transistor individual, y provocar errores. Otra fuente de errores que se convierte en algo más problemático a voltajes bajos es la inconsistencia provocada cuando el chip envejece.

Estos errores son poco frecuentes, pero significativos. Por ejemplo, podrían hacer que una imagen se congelase al tiempo que se esté renderizando, obligando al usuario a reiniciar el proceso. Para poder trabajar con los errores que se provocan a voltajes bajos, Intel está desarrollando una estrategia que la compañía denomina como circuitos “resistentes.” “No sabes qué variaciones van a darse, ni en qué circuitos se van a producir los errores,” afirma Wang. “Pero si no te preocupas por ello, la mayoría del tiempo no pasará nada.”

El chip prototipo de la compañía está basado en los transistores de 45 nanómetros y sus productos de hoy día, pero incorpora circuitos resistentes. El chip se hace funcionar a un voltaje bajo, y cuando un circuito de detección de errores detecta un problema, el cálculo vuelve a hacerse a un voltaje alto para corregirlo. “Cuando tienes que corregir un error y volver a ejecutar un proceso de forma más lenta, se produce una diminuta penalización,” afirma Wang. “Pero en general, se obtiene un beneficio enorme.” Los tests del laboratorio han demostrado que el chip puede ahorrar un 37 por ciento de consumo energético, u operar con un 21 por ciento más de velocidad a un nivel de potencia determinado.

“Lo acercan muchísimo a la zona de peligro, todo lo que pueden, y a veces las cosas salen mal, pero lo corrigen, lo cual es muy inteligente,” afirma Krishna Palem, profesor de informática en la Universidad Rice de Houston. “La cantidad de veces que hay que hacer algo así debería ser menor y más distanciada en el tiempo.” Esta estrategia ha sido desarrollada por matemáticos durante décadas, aunque Palem afirma que Intel parece ser la única compañía que está poniendo a prueba circuitos que operen bajo estos principios en el contexto de un producto. Palem está desarrollando estrategias de computación de bajo voltaje y baja potencia, que incluso son menos estrictas con los errores. Algunos de esos errores, si se realizan en cálculos que no sean de importancia crítica (como por ejemplo un cálculo que provoque una distorsión no detectable en una imagen pero no la congele,) no necesitan ser corregidos. Palem cree que una combinación de su técnica con los circuitos resistentes de Intel podría ayudar a que los chips ahorren aún más energía.

Intel no ha querido hacer pública la fecha en que pasará a incorporar los circuitos resistentes dentro de sus productos. Su nueva generación de procesadores móviles, que llegará al mercado en los próximos meses y estará basada en transistores de 45 nanómetros, no utilizará esta estrategia de detección de errores. Sin embargo el tipo de pérdidas que acaban generando errores se convertirán cada vez en un problema mayor a medida que los transistores vean reducido su tamaño, así que algo como el concepto de los circuitos resistentes podría volverse una necesidad durante los próximos años. “Realmente empezará a manifestarse cuando lleguemos al nivel de los 20 nanómetros,” afirma Palem.

Mayor rapidez en la captura de errores

Unos transistores especializados detectan los errores de hardware a medida que ocurren.

A medida que los microprocesadores se vuelven más pequeños y más intrincados, encontrar los errores de hardware responsables de que un equipo se bloquee requiere más tiempo, dinero y esfuerzos de ingeniería. Sin embargo, los ingenieros de la Universidad de Stanford acaban de proponer un atajo que podría ayudar a localizar errores en una fracción del tiempo utilizado hasta ahora.

La depuración normalmente consiste en colocar un chip a lo largo de una batería de pruebas para identificar los puntos que pueden fallar y dar a los ingenieros una oportunidad de resolver los problemas antes de que los chips entren en su fase de producción en masa. A medida que las empresas de fabricación de chips aumentan la funcionalidad de su hardware, esto se hace cada vez más complicado.

Subhasish Mitra, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Stanford, y junto a sus colegas, ha desarrollado un método que utiliza una pequeña cantidad (alrededor de un 1 por ciento) de los transistores de un chip para grabar un registro de la actividad del chip—las instrucciones que pasan a través de los circuitos del chip. Este registro puede ser extraído del chip, colocarse en un ordenador, y analizarse para averiguar donde están los errores.

"Cuesta muchísimo dinero diagnosticar si los chips están fallando", afirma Rob Rutenbar, profesor de ciencias informáticas en la Universidad de Illinois, y que no estuvo involucrado en la investigación. Al tiempo que las características de los microprocesadores se vuelven más pequeñas, señala Rutenbar, "la gente se preocupa más por el desgaste y los problemas de fiabilidad."

Los ingenieros realizan pruebas de errores a lo largo de la fabricación de los chips. En primer lugar, analizan los diseños para encontrar los errores denominados como errores funcionales o de lógica. Más tarde, después de que los diseños hayan sido grabados en el silicio, los ingenieros buscan fallos que puedan surgir durante condiciones de funcionamiento tales como la reproducción de vídeo o la navegación por internet. Este proceso se denomina depuración de post-silicio, y entre un 30 y un 40 por ciento del tiempo y el dinero dedicado a fabricar un nuevo chip por empresas como Intel y AMD se dedica a la depuración de post-silicio, afirma Mitra.

Durante la fase de post-silicio, los ingenieros envían unas señales de pulso eléctrico a través del chip, imitando la actividad eléctrica observada durante las operaciones normales. Si un chip falla durante estas pruebas, los ingenieros tratan de volver a crear las señales eléctricas que causaron el problema. A continuación, tratan de ubicar el conjunto exacto de instrucciones y condiciones responsables del error. Sin embargo esta simulación toma tiempo: un solo segundo en el silicio puede equivaler a días de simulación, asegura Mitra. Por otra parte, muchos de los errores se producen debido a temperaturas de funcionamiento y cargas de trabajo que son difíciles de volver a crear. "El problema es que cambia todo el estado eléctrico del sistema", advierte Mitra.

Por tanto, Mitra y el estudiante graduado de Stanford Sung-Boem Park decidieron capturar evidencias de los errores al mismo tiempo que ocurrían, eliminando gran parte del tiempo dedicado a la realización de simulaciones eléctricas. El reto consistió en encontrar la forma correcta de registrar la información sobre las instrucciones del chip sin tener que usar demasiados transistores y sin almacenar demasiada información. Para ello, construyeron dispositivos de grabación, o buffers, dentro de los chips. Esta no es una idea nueva. De hecho, casi cualquier tipo de chip comercialmente disponible en la actualidad posee un pequeño número de transistores cuyo trabajo es contener pequeñas cantidades de datos sobre la actividad del chip—para garantizar, por ejemplo, que las operaciones están sincronizadas a través del chip.

El método de los investigadores de Stanford, llamado grabación y análisis de la huella de las instrucciones (IFRA, en inglés), fue diseñado para recolectar la cantidad justa de información sobre la actividad del chip en el momento justo. Al tiempo que miles de millones de instrucciones pasan a través de un chip, la información que describe esas instrucciones pasa a través de los llamados "buffers circulares", unos recipientes que contienen información por un corto periodo de tiempo antes de ser refrescada. En caso de detección de un fallo o indicio de un fallo inminente, el sistema deja de grabar en el búfer circular y guarda las instrucciones defectuosas.

Cuando un chip falla, los datos que representan la actividad del chip han sido transferidos al ordenador. Un software desarrollado por los investigadores descifra las etiquetas, analizando las instrucciones—y la ubicación correspondiente en el chip—que llevaron al error. Los ingenieros, una vez que conocen la ubicación del error, pueden hacer pequeños cambios, tales como la modificación del tiempo de las instrucciones, para así evitar que el error se repita.

Mitra ha colaborado con Intel y ha puesto a prueba su IFRA en los chips Core i7, que pueden llegar a tener de dos a seis núcleos, y descubrió que, en general, IFRA es capaz de localizar el 96 por ciento de los errores y detectar el 80 por ciento de las veces su tiempo y ubicación exacta. Una descripción de la técnica apareció en la edición de febrero de Communications of the ACM.

En un artículo de perspectiva escrito sobre el trabajo, Shekhar Borkar, director del laboratorio de tecnología de microprocesadores de Intel, escribe que "no me sorprendería si el método de los investigadores se extiende de forma rápida."

Borkar añade que posee "un gran potencial para ir más allá y ayudar a depurar multi-núcleos, sistemas de memoria, circuitos analógicos, e incluso complejos SOCs [sistemas sobre chips]."

Sin embargo, la investigación aún está en una fase inicial, afirma Rutenbar. La preocupación principal se centra en equilibrar la cantidad de hardware utilizada para rastrear errores con el número de problemas que se pueden encontrar. Aún así, afirma, "Creo que el IFRA es un trabajo muy bueno".

Transistores biodegradables

Un tipo de componentes electrónicos capaces de descomponerse en el cuerpo podrían ser utilizados en implantes médicos temporales y para el suministro de fármacos.
Chip biodegradable: Después de 50 días bajo condiciones similares a las del interior del cuerpo, esta serie de transistores está prácticamente disuelta. Fuente: Christopher Bettinger.

Un tipo de transistores totalmente biodegradables, fabricados recientemente por investigadores de la Universidad de Stanford, podrían utilizarse para controlar los implantes médicos temporales que se colocan en el cuerpo durante las cirugías.

Los componenentes electrónicos biodegradables “abren nuevas oportunidades para los implantes en el cuerpo,” especialmente si los componentes electrónicos logran fabricarse a bajo coste, afirma Robert Langer, profesor en MIT y que no estuvo involucrado con la investigación. Los implantes podrían incorporar los componentes electrónicos orgánicos con polímeros biodegradables para el suministro de fármacos. Los doctores podrían implantar este tipo de dispositivos durante las operaciones de cirugía, después los activarían desde fuera del cuerpo con radio frecuencias para suministrar antibióticos si fuese necesario durante la recuperación. Los componentes electrónicos también podrían usarse para hacer un seguimiento del proceso de curación dentro del cuerpo. Después de que la curación hubiese finalizado, el dispositivo completo se disolvería en el cuerpo.

A principios de este mes unos investigadores de la Universidad Tufts y de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign informaron acerca de la construcción de componentes electrónicos de silicio sobre sustratos de seda biodegradables. Los componentes de silicio generalmente poseen un rendimiento mucho mejor que aquellos hechos de semiconductores orgánicos, aunque el silicio no es biodegradable. El grupo de Stanford, dirigido por la profesora de ingeniería química Zhenan Bao, es el primero en fabricar componentes electrónicos a partir de materiales semiconductores totalmente biodegradables. Aunque los dispositivos son estables en agua, todo lo que queda de los dispositivos después de 70 días son los contactos eléctricos de metal de apenas decenas de nanómetros de grosor.

Hasta ahora el grupo ha podido probar que es capaz de construir componentes electrónicos orgánicos que funcionan al humedecerse y que se descomponen bajo condiciones similares a las del cuerpo humano. La degradación de estos dispositivos viene provocada por una serie de condiciones similares a las que se dan en el cuerpo: una solución salina con un pH ligeramente básico descompone lentamente los transistores. Para que puedan ser estables y retener su rendimiento mientras están en uso, estos dispositivos tendrán que ser encapsulados en otra capa cuya composición se ajuste para lograr exponer el dispositivo una vez que haya sobrepasado su vida útil. El dispositivo prototipo, descrito por internet en la revista Advanced Materials, está hecho de plásticos biodegradables aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos, un material semiconductor biodegradable parecido al pigmento de piel conocido como melanina, y unos contactos eléctricos de oro y plata. Estos metales también están aprobados para su uso dentro del cuerpo.

Un chip que desaparece: Una serie de transistores hechos de materiales biodegradables se disuelve a lo largo del tiempo. La imagen de arriba a la izquierda muestra el chip antes de ser colocado en la solución; las tiras grises son contactos eléctricos. Las fotos siguientes fueron tomadas 10, 30, 40, 50 y 70 días más tarde. La línea roja en la imagen de abajo a la derecha es una barra de escala que representa cinco milímetros. Fuente: Christopher Bettinger

Aunque los dispositivos de silicio puede que sean mejores para su uso en implantes a largo plazo tales como las interfaces cerebrales, donde el alto rendimiento es algo crucial, los dispositivos totalmente biodegradables podrían servir mejor en aplicaciones donde sea importante que el dispositivo desaparezca a lo largo del tiempo, tales como la ingeniería de tejidos o el suministro de medicamentos, afirma Bao.

El siguiente paso para los investigadores de Stanford es reducir el voltaje de operación de los dispositivos. Ahora mismo el suficientemente alto como para dividir el agua, lo cual es demasiado alto como para ser seguro dentro del cuerpo. La fuente del problema reside en la capa de aislamiento, o dieléctrica. En los dispositivos de demostración, el dieléctrico es una película de polivinilo de alcohol de 800 nanómetros de grosor, que los investigadores eligieron por su biodegradabilidad. Sin embargo las capas de polivinilo de alcohol son gruesas y enredadas, lo que significa que el voltaje tiene que ser relativamente alto para que los electrones viajen a través de ella. Los investigadores de Stanford están poniendo a prueba en la actualidad dieléctricos más delgados, entre los que se incluyen unas membranas lípidas de sólo decenas de átomos de grosor.

El grupo de Stanford también está poniendo a prueba distintos materiales para su uso como sustrato en los componentes electrónicos. Los componentes electrónicos orgánicos son flexibles, pero el dispositivo está construido sobre un plástico quebradizo. El grupo pondrá a prueba sustratos hechos de polímeros de goma y flexibles que se ajusten bien a los tejidos biológicos, como por ejemplo el del corazón. También están haciendo pruebas con distintas capas de cobertura para los dispositivos. Una vez expuestos a los niveles de pH similares a los del interior del cuerpo, los dispositivos actuales se empiezan a degradar inmediatamente. Bao querría recubrirlos con unos materiales ajustados para su disolución después de un periodo de tiempo determinado.

Convirtiendo puntos cuánticos en transistores espintrónicos

Puntos cuánticos son el centro de un nuevo diseño de transistor para corrientes polarizadas por spin.

La espintrónica es una de las tecnologías que se prevé va a cambiar la naturaleza de la computación y las comunicaciones en los próximos años. Hasta ahora, todos los componentes electrónicos, como transistores, han explotado una única propiedad del electrón: su carga. Pero los electrones tienen otra propiedad, el espín, que también se puede aprovechar para codificar información.

Así que encontrar formas de manipular el espín electrónico es una prioridad en muchos laboratorios del mundo. Y ya hay muchos dispositivos basados en el espín cerca de su comercialización. Esto no significa que no haya espacio para más cosas y hoy, E. C. Siqueira y Guillermo Cabrera de UNICAMP en Brasil, proponen una nueva idea para los transistores espintrónicos basados en el exótico fenómeno de la reflexión Andreev.

Coloque un trozo magnetizado de hierro cerca de un superconductor y se producirá un efecto inusual. Normalmente, los electrones aislados no pueden entrar en un superconductor. Pero si el espín de un electrón en el hierro es exactamente opuesto al de otro electrón, se pueden combinar para formar un par de Cooper que sí puede entrar en el superconductor. Este proceso deja un hueco en el hierro que viaja por la interfaz con el superconductor, algo conocido como reflexión Andreev.

Por supuesto, este proceso depende mucho del espín de los electrones. En teoría, es posible apagar y encender este efecto manipulando el espín.

Lo que sugieren Siqueira y Cabrera es una forma novedosa de controlar este encendido y apagado. Proponen usar dos ferromagnetos para inyectar electrones con el espín polarizado en el sistema. En uno de estos ferromagnetos la dirección del campo magnético es fija, mientras que en el otro puede variar. Pero en lugar de conectar directamente estos ferromagnetos al superconductor, la corriente de espín primero tiene que pasar a través de dos puntos cuánticos.

Esto lleva a un patrón complejo de corrientes. Primero, hay corrientes de polarizadas en spin procedentes de cada ferromagneto que viajan hacia el superconductor. Luego hay reflexiones Andreev que se mueven desde el superconductor. Y los puntos de fusuón en los que se mezclan e interfieren estas corrientes son los puntos cuánticos.

Con la ayuda de algunos trucos matemáticos, Siqueira y Cabrera demuestran que el resultado final es una corriente polarizada en spin a través del ferromagneto fijo que se puede modular, y apagarse y encenderse, cambiando la disposición en el otro ferromagneto. En otras palabras, un transistor espintrónico.

Aunque la física implicada es compleja, la estructura de este dispositivo es relativamente simple y por lo tanto tendría que ser bastante fácil construirlo y probarlo.

La siguiente gran pregunta es si funcionará como sugieren Siqueira y Cabrera. Ellos hacen un número de suposiciones que tendrán que ser probadas experimentalmente antes de que se pueda seguir su desarrollo, sobre el comportamiento de su sistema y cómo interactúan sus componentes.

Aún así, es un planteo exótico a un problema interesante.

Tecnologías de Semiconductores

¿Qué es un transistor?

Como todos sabéis, los microprocesadores actuales contienen millones de transistores. Los elementos básicos en electrónica son las resistencias, las bobinas, los condensadores, los diodos y los transistores. En electrónica digital un transistor se comporta como un interruptor que puede dejar o no fluir la corriente a través de él. Esta decisión de permitir el paso de corriente es lo que, ahora que hemos introducido impurezas, podemos controlar eléctricamente.

Los transistores son elementos de 4 terminales. Si nombramos estos terminales A, B, C y D, el comportamiento del transistor se puede describir de una manera sencilla del siguiente modo: dependiendo del voltaje que apliquemos entre los terminales A y B vamos a tener o no corriente fluyendo entre A y C. Por tanto, como hemos dicho antes, el transistor se comportan como un interruptor que conduce corriente entre sus terminales A y C según la tensión que se establezca entre A y B. El cuarto terminal, D, se suele conectar a una tensión fija para evitar efectos indeseables.

Los dos tipos de transistores más comunes son los llamados BJT, que pertenecen a la tecnología Bipolar y los transistores MOS, que son parte de la tecnología MOS. Los transistores BJT, se caracterizan por ofrecer mayores velocidades de conmutación, algo muy deseable en circuitería digital, pero presentan una alto consumo eléctrico, mientras que los transistores MOS se caracterizan por consumir mucho menos energía eléctrica, hecho que posibilita mayores densidades de transistores por unidad de área. Un Athlon XP cuenta con unos 38 millones de transistores y un Pentium 4 con unos 43 millones y el número de transistores está subiendo cada vez más, por lo que, como se puede ver fácilmente, la densidad de integración es un factor de la mayor importancia.

Aumento de transistores de CPUs de Intel

A continuación vamos a presentar los modelos circuitales de los transistores más comunes a modo de curiosidad. También se presentan secciones o cortes de la estructura física de estos transistores.

Fijaos en esta última imagen. Aquí se puede ver los cuatro terminales del transistor que S (Fuente) y D (Drenador), estos son los terminales entre los que circula corriente cuando el transistor no está apagado. La cantidad de corriente que va a circular esta determinada por la tensión existente entre el terminal G (Puerta) y el S. La zona azul es el sustrato que es el último terminal que normalmente se suele conectar al terminal de alimentación positiva del circuito o al terminal S. Atención a la distancia L, ¿qué indica? Pues vamos a verlo en el siguiente apartado.

¿Futuros microprocesadores líquidos?

Intentan remedar con gotitas de disoluciones químicas recubiertas de lípidos una red neuronal con capacidad de procesamiento de información.

Se está investigando una nueva clase de tecnología de procesamiento de información inspirada por los procesos químicos que se dan en los sistemas biológicos.

Esquema de red neuronal húmeda basada de gotitas recubiertas de lípidos.

Maurits de Planque y Klaus-Peter Zauner (bioquímico y científico de la computación respectivamente) acaban de recibir una subvención de la Unión Europea de 1,8 millones de euros para investigar en este sentido.

La idea de estos investigadores es adaptar los procesos cerebrales a un escenario de procesamiento ‘húmedo’ de la información. Lo harán mediante el uso de disoluciones de sustancias químicas que se comporten como los transistores de un microchip.

La idea de estos investigadores es adaptar los procesos cerebrales a un escenario de procesamiento ‘húmedo’ de la información. Lo harán mediante el uso de disoluciones de sustancias químicas que se comporten como los transistores de un microchip.

Según Zauner lo que están tratando de desarrollar es un cerebro líquido mínimo que dé lugar finalmente a un computador ‘húmedo’. “La gente se da cuenta ahora que el mejor procesamiento de información que tenemos son nuestros cerebros y, como estamos encontrando con que el silicio tiene sus limitaciones en términos de procesamiento de información, necesitamos explorar otras aproximaciones, que es exactamente lo que estamos haciendo nosotros aquí”, añade Zauner.

El proyecto, en el que participan varias instituciones internacionales, durará tres años y comprende tres objetivos complementarios.

El primer objetivo es desarrollar la ingeniería necesaria para crear gotitas recubiertas de lípidos (grasas) inspiradas en las células biológicas, que contendrían un medio químico excitable, y conectarlas en una red de comunicación a través de la cual puedan pasarse una señal química unas a otras.

El segundo objetivo es diseñar una arquitectura de procesamiento de información basada en este sistema y demostrar la capacidad de la misma a la hora de procesar información.

El segundo objetivo es diseñar una arquitectura de procesamiento de información basada en este sistema y demostrar la capacidad de la misma a la hora de procesar información.

“Nuestro sistema copia algunas características clave de las redes neuronales del cerebro y se excitará, se autorreparará y se autoensamblará”, dice Planque.

Les quedan tres años por delante. A ver si hay suerte y tienen éxito.

Avances en la electrónica del grafeno

Nuevos avances en la confección de circuitos electrónicos realizados en grafeno nos dicen que algún día contaremos con una nueva nanoelectrónica.

Ilustración del transistor de grafeno. Fuente: IBM.

Hace no tantos años describíamos en NeoFronteras los primeros pasos del grafeno, que son las láminas de grosor atómico constituidas por carbono que forman el grafito. Antes de esa época no se sabía siquiera que el grafeno pudiera existir de forma aislada y estable. Los primeros experimentos de extracción de grafeno se basaban en sistemas tan rudimentarios como pegar una lámina de cinta adhesiva sobre un trozo de grafito y retirarla de él con la esperanza de haberse llevado alguna lámina de grafeno. Mucho se ha avanzado desde entonces en el campo. Las esperanzas una vez depositadas en este material como substrato para una electrónica avanzada nanotecnológica parece que se van cumpliendo.

El grafeno tiene propiedades eléctricas, ópticas, térmicas y mecánicas únicas. Los átomos de carbono se disponen en el grafeno en forma de una red hexagonal. Por esa monocapa los electrones pueden circular a 1.000.000 m/s, mucho más rápido que en el silicio y una fracción importante de la velocidad de la luz*, lo que le hace candidato a una electrónica rápida, unas 100 ó 1000 veces más rápida que la basada en silicio. Si esta tecnología se puede al final desarrollar el negocio podría ser multimillonario.

En los últimos días se han producido un par de noticias al respecto. En un primer caso, investigadores de Penn State han conseguido “obleas” de 100 mm de diámetro sobre las que han podido grabar múltiples circuitos. Para sintetizar estas obleas utilizan un proceso de sublimación de silicio, que en definitiva se basa en calentar una lámina de carburo de silicio en la que los átomos de silicio de la superficie escapan de ella hasta que sobre la misma sólo queda una monocapa o bicapa de carbono que finalmente forma el grafeno. La plusmarca de 10 cm de diámetro dobla la marca anterior y se espera llegar a los 20 cm pronto.

La oblea en cuestión y un detalle de su superficie que muestra los circuitos. Fuente: Penn State.

Pero son los investigadores de IBM los que parecen haber confeccionado con tanto éxito transistores basados en grafeno que han pulverizado el record en frecuencia de reloj. Un transistor de radiofrecuencia fabricado por esta compañía ha alcanzado los 100 GHz (100.000 millones de ciclos por segundo). Al parecer DARPA está muy interesada en este tipo de aplicaciones para la nueva generación de dispositivos de comunicación.

En este caso el grafeno se hace crecer por epitaxia usando un proceso compatible con el empleado en la fabricación de dispositivos de silicio. IBM espera también emplear este tipo de electrónica en nuevos circuitos integrados.

El nuevo transistor utiliza una arquitectura de puerta metálica superior y un aislante basado en polímeros y óxido de alta constante dieléctrica (los detalles dados por IBM son un tanto vagos por obvias razones). La longitud de la puerta es modesta, de 240 nm, dejando amplia libertad para la optimización de su comportamiento y a su miniaturización.

Pero la frecuencia alcanzada excede la mejor lograda en silicio, situada en los 40 GHz. En otros transistores basados en grafeno se habían obtenido marcas de sólo 26 GHz.

* Esta característica incluso le ha hecho merecedor al grafeno de un episodio en la serie “The Big Bang Theory” recientemente.