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Ago 2012
AnálisisDesarrolloHardware

El nanómetro, la frontera final…

Hace años, la carrera por tener el mejor procesador se basaba en la velocidad, pasando de los Megahertzios a los Gigahertzios. Una vez las altas velocidades se normalizaron, la competencia estuvo (y está) en el número de núcleos. Sin embargo todos estos logros se consiguen en parte adentrándose cada vez más en la frontera interior, el nanoespácio. Sigue leyendo y entérate qué es eso de las técnicas de construcción de x nanómetros.

Los nanómetros a los que nos referimos miden el tamaño de la base de un transistor. A más pequeños, mejor. Y ya está.

No obstante, si la explicación que ha sabido a poco, prepárate a entrar en una escala tan fascinante que da vértigo… O lo que es lo mismo, prepárate a leer la explicación larga.

No se puede entender bien donde está el logro de los nanómetros sin hablar antes de las técnicas de construcción, pero antes de eso hay que hablar de los transistores, de los semiconductores, el efecto de campo y la molesta ley de Moore…

Ale, lo primero es lo primero.

TRANSISTORES, EL EFECTO CAMPO Y EL SEMI CONDUCTOR

Un procesador son básicamente transistores conectados. ¿Y que es un transistor?

Dicho de manera simple, un transistor es una especie de interruptor, pero sin piezas móviles. Tiene tres patillas. Por una, entra la corriente, otra hace decidir al transistor si la deja pasar o no y por la tercera es por donde sale.

Tu amigo el transistor

Dado que puede tener dos estados de funcionamiento (encendido o apagado), se les puede aplicar el álgebra de Boole para construir maquinas lógicas.

En 1925, el astrohúngaro Julius Edgar Lilienfeld diseñó un transistor que utilizaría el efecto campo. La idea era que la electricidad pasara de un punto a otro provocando un campo electromagnético. En teoría, fabricar uno estaba chupado, salvo por un pequeño detalle. ¿Qué material se utilizaría para que la corriente circulase de un lado a otro?

No podía ser un material conductor, pues la corriente pasaría por las buenas y no se podría cortar. Tampoco podía ser un material aislante, pues la corriente no pasaría ni a tiros. Hacía falta un material que condujera la electricidad cuando hiciera falta, volviéndose aislante a voluntad. Hacía falta un semiconductor. Lamentablemente, en 1925 se sabía muy poco de semiconductores. Hacían falta conocimientos prácticos de física cuántica, pero era un poco temprano para eso.

Dos cosas no existian cuando Edgar inventó el transistor: el imperio donde nació, y el material para fabricar su idea...

Así que el bueno de Julius diseño la pieza que revolucionaria nuestro mundo pero en su tiempo no había forma de construirla. Todo un visionario, si señor. Justo es decir que más tarde a otras personas se les ocurrió esa misma idea, pero se toparon con que Julius lo pensó primero.

Tuvieron que pasar muchos años y otra guerra mundial hasta que la mejora de la técnica y la necesidad hicieran posible su fabricación. Fueron los ingenieros de los laboratorios Bell los que inventaron el transistor. Pequeños, baratos y fáciles de construir, revolucionaron el mundo de la electrónica.

FUNCIONAMIENTO

Veamos cómo funciona. Un transistor consta de 4 elementos. El Emisor (también llamado Fuente o Source), Colector (también llamado Drenador o Drain), la Base (aunque si lo prefieres, tambien puedes usar Puerta o Gate) y el semiconductor.

El semiconductor es un material que ha sido dopado (le han metido escoria). Si lo dejamos tal como está, se comporta como un aislante. Pero si lo sometemos a radiación (como la de un campo eléctrico) se convierte en conductor. Los semiconductores tienen una contraindicación, y es que el calor altera sus propiedades. Ahora ya sabes porqué cuando se calienta un ordenador se cuelga. El semiconductor más utilizado para los transistores de los procesadores es el silicio. No es de extrañar que Silicon Valley reciba ese nombre (no, silicon no significa silicona).

1. La carga eléctrica está en el Emisor ociosa, pues no puede ir a ningún lado... 2. Entonces una carga contraria aparece en la base, creando un campo eléctrico. 3. La carga del Emisor, se da cuenta que ahora el campo eléctrico a transformado el semiconductor en conductor, por lo tanto tiene vía libre a irse por el colector en busca de nuevas aventuras... Si de golpe, la carga de la base desaparece, el semiconductor se vuelve aislante.

Como el tiempo de reacción de un transistor es pequeñísimo, es ideal para cálculos a altas velocidades.

El tamaño de la base es crucial. A más diminuta sea, menos corriente necesita. Por lo tanto, menos se calienta. Y puede trabajar más rápido.

Con millones de estos, podemos hacer un procesador. Pero claro, nos hemos vuelto quisquillosos y queremos uno que quepa en un sello de correos o en una lenteja. Por ello es necesario hacerlos lo más diminutos posible. En los modelos comerciales, los transistores tienen un tamaño de nanómetros. Si, algo que se mide en nanómetros tiene que ser muy, pero que muy pequeño. ¿Te has parado a pensar cuánto?

Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. Para que te hagas una idea: un glóbulo rojo mide unos 7000 nanómetros, un virus unos 200, y la base de un transistor de procesador de 45 para abajo.

Imagen a escala de un glóbulo rojo, un virus bacterófago T4 y la base de un transistor de 45nm (punto blanco)

 

No hay mano humana que pueda manipular objetos a tan minúscula escala. ¿Cómo es posible fabricar una cosa tan pequeña?

FABRICACIÓN

La fabricación de un chip tan increíblemente pequeño es algo laborioso y tremendamente preciso, pero fácil de entender. Si alguna vez has insolado circuitos impresos con ácido, veras que es un proceso muy parecido.

A continuación veremos cómo los hace Intel, en este caso, el afamado Intel Core i7 de 45 nm.

Lo primero que hay que conseguir es una finísima oblea de silicio perfectamente pulido de unos 30 cm de diámetro. En esta oblea es donde se harán los chips.

Con nuestra oblea más limpia que los chorros del oro, se vierte sobre ella un fluido foto resistente de manera uniforme. Una vez asentado, es permanente. Aun así, si se ve expuesto a luz ultravioleta, esa capa se haría soluble. (1)

Por lo tanto, para dibujar las pistas necesarias, hace falta proyectar una plantilla con luz ultravioleta el circuito que queremos. (2) Como en una oblea hay sitio de sobra, una vez impresa una pantilla el disco se mueve para repetir el proceso.

A partir de ahora haremos zoom y veremos cómo se trabaja en un único transistor (esa cosa cuadrada) para intentar hacerlo todo más claro (3)

Hemos dicho que al aplicar luz ultravioleta, la parte expuesta se hace soluble. Pues bien, ¡a disolver! El disolvente se come la parte sensible, dejando al aire el silicio, solo en las partes que nos interesa… (4)

Ahora queremos hacer surcos en el silicio. Usamos un disolvente que se come el silicio, pero no la película foto resistente (5).

Ya que hemos conseguido esas pistas, la película foto resistente ya no nos sirve para nada, así que con otro disolvente especial, la quitamos. (6)

Los surcos los rellenamos de un material aislante, aquí coloreados de rosa. A base de repetir el proceso de la foto impresión y con disolventes que atacan ciertos materiales, también se coloca otra pieza central que será la base. Está coloreada de azul claro pero casi no se ve. Se tapa la base y el aislante con líquido foto resistente (azul oscuro), para conseguir que la parte expuesta del silicio (pintada de verde) se transforme en semiconductor. (7)

Unos potentes electroimanes aceleran unos iones (impurezas químicas, en este caso) a 300.000 kilómetros por hora para que se incrusten en la parte del silicio que ha quedado «al aire» (verde). Con estas impurezas, el silicio se comportará como un semiconductor, o lo que es lo mismo, será conductor o aislante según nos convenga. (8)

Se limpia la película azul, y ya tenemos nuestro transistor. Una zona verde expuesta hace de colector, otra de emisor, y la central de base. Ahora solo hace falta conectarla… (9)

Para ello se pone otra capa de aislante (mas rosa) y se practican tres agujeros, para la base, colector y emisor. (10)

Para rellenar esos agujeros, se utiliza una técnica llamada galvanización. Se vierte una solución de sulfato de cobre, y se le hace pasar una corriente eléctrica. Las partículas de cobre se depositaran en el transistor, rellenando los agujeros, (11) pero creando una molesta capa por fuera que hace del transistor un trasto inútil. (12)

Pero no hay nada que un buen pulido no pueda solucionar. Se retira el cobre a nivel del aislante y nuestro transistor está empaquetado, listo para conectarse con otros. (13)

Para ello se repiten estos procesos hasta el hastío para colocar el cobre que hará de cable. ¡Y ya está! (14).

Ahora solo resta hacer lo mismo unas 20 veces más para tener varias capas. Se recorta cada circuito integrado de la oblea, y se encapsula en un precioso chip. Ale, a vender.

Ahora ya sabes por que los fabricantes anuncian a bombo y platillo el tamaño en nanómetros de las bases de los transistores en sus procesadores. ¡Porque es rematadamente difícil!

Paul Otinelli con una oblea terminada

¿A DONDE VAMOS, MOORE?

Gordon Earl Moore, cofundador de Intel, elaboró una ley en 1965 según la cual, cada 24 meses (antes eran 16) el número de transistores por unidad de superficie se duplicaría, mientras que los costos bajarían. Hasta ahora la ley ha podido cumplirse, y cada dos años se presentan nuevos modelos. Ojo, una cosa el presentarlos y otra que salgan a la venta.

Ni que decir tiene, que mientras para los usuarios esta ley es muy beneficiosa, es una auténtica pesadilla para los ingenieros que tienen que llevarla a cabo.

¡Ey, que yo solo hice la ley! Ahora de cumplirla, que se encarge otro...

Cada vez es más difícil hacer transistores de menos tamaño que funcionen según las especificaciones necesarias. Se está estudiando sustituir el Silicio por el Grafeno, pero llegará un punto en que no se puedan hacer transistores más pequeños.

El propio Moore ha dicho que su ley dejará de aplicarse más o menos por el 2020. ¿Y luego qué? ¿Habremos alcanzado el techo de nuestro desarrollo? ¿Los procesadores empezarán a crecer en tamaño?

Ahora mismo existen lo que se llaman procesadores cuánticos. Este tipo de procesadores pertenecen a otro nivel, ya que los rigen las leyes de la mecánica cuántica.

Cuando estos procesadores lleguen, será mejor que nos olvidemos de los bits. ¡Llegarán los qubites (bits cuánticos)!

Mientras que un transistor puede tener un solo estado a la vez (1 o 0), una partícula cuántica, mediante la superposición coherente, puede tener los dos estados a la vez, multiplicando su potencia.

Se supone que la presente generación verá los procesadores cuánticos de manera cotidiana.

¿No es maravilloso pertenecer a una especie tan técnicamente capaz?

 

Por Exteban | 6 Comentarios | Etiquetas: , , , , , | Enlaza esta entrada
contacto@wintablet.info tema WinTablet.info por Ángel García (Hal9000)