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.

Un transistor de 7 átomos operativo

Consiguen un transistor funcional compuesto por siete átomos que es diez veces más pequeño que los comerciales.

Imagen de la plantilla del punto cuántico que muestra el agujero central donde van los siete átomos de fósforo. En la diagonal se aprecian los conectores que van al punto cuántico.

Hasta unas pocas décadas no habíamos visto los átomos. Sabíamos que existían, podíamos inferir su existencia pero no los podíamos ver directamente. Con la llegada de los microscopios electrónicos de cientos de kiloelectrón-voltios fue posible ver columnas de átomos y con los microscopios de fuerza atómica y efecto túnel fue posible palparlos y colocarlos donde quisiéramos. Han pasado ya 20 años desde que Don Eigler y Erhard Schweizer, del centro de investigación Almaden de IBM en San José, usaran un microscopio de efecto túnel para dibujar el logotipo de la compañía usando átomos individuales de xenón sobre una superficie de níquel. Es algo que Demócrito de Abdera ni siquiera era capaz de soñar.

Ahora, cuando estamos alcanzando los límites de la electrónica convencional de silicio empezamos a desarrollar la computación a escala prácticamente atómica. Recientemente científicos de University of Wisconsin-Madison y University of New South Wales han conseguido desarrollar un transistor compuesto por siete átomos. El descubriendo fue publicado en Nature Nanotechnology.

El transistor está formado por un punto cuántico de siete átomos de fósforo embebido en un cristal de silicio. Pese a su tamaño este punto cuántico actúa como un dispositivo electrónico, siendo el primero en su género. Puede ser utilizado en el control y regulación de pequeñas corrientes eléctricas al igual que los transistores convencionales. Este logro representa un paso más en la miniaturización hasta la escala atómica de procesadores más rápidos y poderosos.

Según Michelle Simmons, no solamente estamos moviendo átomos y mirándolos con microscopio, sino que estamos manipulando átomos individuales y colocándolos con precisión para realizar con ellos dispositivos electrónicos funcionales. El equipo de investigadores ha sido capaz de fabricar el dispositivo a partir de un cristal de silicio y colocar exactamente siete átomos de fósforo en el lugar deseado.Según este científico este logro tecnológico es un paso más hacia la demostración de que es posible la construcción del computador definitivo: un computador cuántico en silicio.

La tecnología para colocar átomos en una superficie con un microscopio de efecto túnel ha estado presente durante dos décadas, pero nadie hasta ahora habría sido capaz de hacer dispositivos de escala atómica capaces de procesar señales electrónicas procedentes del mundo macroscópico.
“Estamos comprobando los límites de cómo de pequeño puede ser un dispositivo electrónico”, dice Simmons. Las primeras computadoras ocupaban salas enteras, pero ahora tenemos sistemas computacionales que caben en la palma de la mano y cuyos componentes son 1000 veces más pequeños que el grosor de un cabello humano. Este proceso de miniaturización ha estado presente en los últimos 50 años, permitiendo aumentar el crecimiento económico en la economía global. Según Simmons, este último logro demuestra que el proceso puede continuar.

La meta principal de este equipo es crear un computador cuántico en silicio y este transistor demuestra que la tecnología para la fabricación a escala atómica acaba de llegar.

En la actualidad el tamaño de un transistor de puerta comercial, que permite al mismo actuar como amplificador o interruptor de corrientes eléctricas, mide unos 40 nanometros. Este transistor de 7 átomos mide 10 veces menos: sólo 4 nanometros.

En el artículo se exponen las posibilidades de esta tecnología y, aunque los investigadores añaden alguna nota de precaución al respecto, concluyen que la perspectiva de disponer de circuitos electrónicos, u otro tipo de dispositivos, a escala atómica es ahora un poco menos remota.