El chip más potente de este siglo

1993/11/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Elektronika

IBM, Siemens y Toshiba han apostado mucho por conseguir un nuevo chip. Doscientos investigadores y mil millones de dólares están en juego para que el superchip esté listo durante diez años. Se trata de llegar hasta el límite final permitido por los materiales semiconductores, integrando el mayor número posible de transistores en pequeñas piezas de silicio. Para ello los ingenieros deberán renovar sus técnicas de fabricación de circuitos integrados.

Capacidad del nuevo chip

20 millones de transistores grabados en este chip de silicio de 7,8x18,06 mm.

Este nuevo chip podrá contener en su memoria RAM información de 25.000 páginas impresas estándar, es decir, 30 o 50 veces más que los ordenadores PC convencionales. En la memoria RAM el ordenador contiene la información necesaria para el tratamiento y manipulación inmediata de los usuarios.

A modo de ejemplo, en un programa de tratamiento de imagen, el usuario podrá utilizar un centenar de imágenes en el microordenador, que actualmente sólo puede utilizar dos. Es decir, con imágenes animadas puede completar hasta cuatro segundos, donde actualmente sólo tiene dos fotos fijas.

Ámbitos de aplicación

Los avances del nuevo chip no sólo se aplicarán en el campo de las imágenes animadas. La integración de este nuevo chip supondrá una revolución en la robótica, los vehículos, la inteligencia artificial, la ingeniería médica, el análisis de los datos obtenidos por satélite en el estudio del universo y en otros ámbitos de la tecnología.

Para darnos cuenta del progreso, pensemos que la mejora de los microordenadores será similar a la de los grandes ordenadores de la NASA. La verdad es que las consecuencias de este chip en el campo de las aplicaciones todavía no se puede decir con claridad, porque las nuevas aplicaciones todavía sólo están en la imaginación.

Evolución de chips

Cuando están grabando transistores en silicio, basta con una gota de polvo del milésimo milímetro para estropear el circuito.

El primer antepasado de este superchip, proyectado por IBM y sus dos socios, fue creado en 1964 por el propio IBM. Entonces la pieza cuadrada de silicio sólo tenía un transistor, pero a partir de ahí la integración de componentes electrónicos ha crecido a toda velocidad. En 1972 lograron integrar en un chip 1.000 transistores, en 1976 4.000, en 1978 16.000 y en la actualidad se integran hasta 16 millones de transistores en la superficie de la pieza de silicio.

El objetivo de esta competición de poner cada día nuevas marcas es doble: una técnica y otra económica. Técnicamente, cuanto más cerca se encuentran los componentes electrónicos, más breves son las conexiones y más rápido se transmite la información. También desde el punto de vista económico es conveniente integrar el mayor número de componentes electrónicos en la misma pieza y superficie. Y es que las máquinas fabricadas con chips con muchos componentes a la misma potencia son más baratas que las fabricadas con menos componentes.

¿Hacia el monopolio en el mundo del chip?

En esta competición de integración y miniaturización, la apuesta por el superchi es la vía para ganar el juego a la competencia. Se trata de superar directamente el proyecto de las memorias de 64 megabites (el bit es la información binaria de 0 ó 1 señal que se guarda en el transistor). Siemens, IBM y Toshiba quieren poner así un superchip del mismo precio frente al chip de sus competidores. Con un chip mucho más potente al mismo precio, pueden tener a su disposición la feria informática mundial.

En el campo de los semiconductores existe una conocida ley. Según esta ley, cualquier chip (sea cual sea la potencia) antes o poco después alcanza los 10 dólares. La razón es muy sencilla de entender: cuando aparece una nueva generación de chips, sustituye a los anteriores porque los fabricantes de equipos electrónicos prefieren sustituir los cuatro chips lentos por un chip rápido.

Está claro que quien saca el chip de nueva generación tendrá en sus manos el monopolio y sacará mucho rendimiento. Cuando se acaba de sacar, el chip se vende cuatro o cinco veces más caro que el resto, hasta que la competencia salga igual y los precios bajen al suelo. Por lo tanto, IBM, Siemens y Toshiba podrán adelantarse unos años y vender un superchip caro.

Ante el riesgo de la competencia, ATT, NEC, Fujitsu y AMD se unen y esperan alcanzar 256 megabites a partir del chip de 64 megabites actual.

Condiciones de fabricación

El microprocesador es el corazón del ordenador. Es quien realiza las órdenes dadas al ordenador.

Sin embargo, para la fabricación del superchip se ha anunciado una inversión de mil millones de dólares, que sólo será para empezar. El proyecto se completará con otros dos mil millones. Porque las condiciones de fabricación son enormes.

Para grabar circuitos en el semiconductor de silicio, el polvo es un gran enemigo. Una gota de polvo del milímetro es suficiente para estropear el circuito. Por ello, el trabajo industrial más caro es, sin duda, el circuito integrado de los semiconductores. Por un lado, hay que trabajar en salas de atmósfera controlada, y por otro, la maquinaria de producción y control, de gran precisión, es muy cara.

En los talleres de IBM en el entorno de París, por ejemplo, cada año le cuesta actualizar la tecnología de sus instalaciones cerca de veinte mil millones de pesetas (unos mil millones de libras).

El aspecto de los talleres también es muy diferente. Parece más que el taller de la cadena de montaje blindar la sala donde se encuentran las cajas fuertes de los bancos. Es imposible acceder a la sala donde se graban los semiconductores. Con traje especial y todas las medidas de seguridad (abrir puertas con tarjeta magnética, etc.) El acceso a estas salas se limita a uno u otro tipo de personas.

En estas salas se hace vacío a escala submicra para la aplicación de diferentes sustancias a los semiconductores y para la realización de canales en la superficie de silicio. Se coloca una red para depositar las sustancias “dopantes” (boro, fósforo, arsénico,…) en determinados lugares del material. En algunas zonas se modifica la conductividad eléctrica y así se muestra a los electrones cargados negativamente qué vías deben atravesar.

Sin embargo, quien quiera profundizar en la fabricación de circuitos integrados puede recurrir al artículo denominado “Circuitos Integrados”. Amaia Ibarra y Txelo Ruiz han escrito y “Elhuyar. Zientzia eta Teknika” en el número 48 de esta revista (junio de 1991, 23-31). page) se publicó.

Carrera de miniaturización

Cada año salen nuevos chips, cada vez más potentes, cada vez más pequeños.

La fabricación del chip de 256 megabites requerirá de técnicas más desarrolladas que las actuales. Antes de realizar el primer prototipo se deberán diseñar circuitos mucho más compactos. Hasta el momento, los laboratorios que fabrican circuitos integrados han aprovechado los datos gráficos informatizados utilizados en generaciones anteriores de chips. Para el diseño de nuevos chips se ha ido reduciendo el tamaño de los componentes electrónicos para que la información circula más rápido. De esta forma consiguen un chip de un megabit en 37 milímetros cuadrados de silicio. Eso es sólo la mitad de lo que necesitaba hace siete años.

Pero para los superchips que quieren hacer IBM, Siemens y Toshiba ese tamaño es demasiado grande. Un obstáculo será la realización de líneas de 0,25 micras (la micra es la milésima parte del milímetro). La longitud de onda del rayo de luz que se utilice para ello también deberá ser adecuada, ya que al iluminarse el objeto con una longitud de onda mayor que el espesor de la línea no se puede visualizar.

Hasta la década de los 80, con luz visible de longitud de onda entre 0,4 y 0,8 micras, se podían ver líneas de 2 micras de grueso en chips de 64 o 256 kilobits. Luego tuvieron que utilizar rayos ultravioleta (de longitud de onda inferior a 0,4 micras), pero en este nuevo de 256 megabites tendrán que ir a los rayos X. De esta forma se podrá reducir la longitud de onda hasta el millar de la micra. Sin embargo, los rayos X tienen un obstáculo, ya que atraviesan casi todos los materiales. Por ello, este superchip de 256 megabites deberá ser fotolitografiado con una banda de ultravioleta de pequeña longitud de onda seleccionada. A partir de ahí se deberá evitar la barrera de rayos X para las siguientes generaciones de chips o idear un nuevo sistema de fabricación.

En cualquier caso, se espera que en la década 2010-2020 haya chips de 1 y 4 gigabites (mil millones de bits), a partir de ahí los ingenieros no se preocuparán por estar en la frontera física. El chip de 16 gigabites exigiría la instalación de componentes electrónicos muy pequeños en el silicio (el centésimo de la micra) y no se podría accionar electrostáticamente a los electrones. Bajo tensión los electrones alcanzarían una temperatura de miles de grados y destruirían bruscamente el semiconductor.