Una tecnología para ordenadores más rápidos
La nueva tecnología Silicon-on-Insulator (SOI) permitirá construir ordenadores más rápidos y con menor consumo de energía, dos factores clave para incrementar la autonomía de los dispositivos portátiles que se generalizarán en un futuro próximo. En la fabricación de un chip, como un microprocesador, se busca integrar la mayor cantidad posible de componentes en el espacio más pequeño que permita la tecnología disponible. En general, y de acuerdo con la ley de Moore (ver recuadro), aproximadamente cada 18 meses un proceso de fabricación reemplaza a otro y permite reducir el tamaño de los componentes a la mitad, lo que a su vez permite integrar el doble de ellos en una misma superficie. Esto es muy deseable, ya que al reducir el tamaño también aumenta en forma proporcional la velocidad del dispositivo final y disminuye la energía disipada en forma de calor.
El aumento en la velocidad de proceso se debe en parte a que, al tener más componentes en un mismo espacio, los electrones que transportan la información de una zona a otra del chip deben recorrer distancias más pequeñas. A pesar de que se desplazan (teóricamente) a la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s), con las frecuencias de reloj actuales, superiores al gigahercio, deben recorrer los pocos milímetros de ancho del chip miles de millones de veces por segundo; por eso mantener esas distancias lo más cortas posible es crucial. Por otro lado, hay algunos factores intrínsecos a las tecnologías de fabricación utilizadas que también influyen en la velocidad. Uno de ellos es la componente capacitiva parásita que aparece en cada transistor integrado, porque las diferentes capas que forman el transistor se comportan como un pequeño condensador e introducen pequeños tiempos de demora en las señales.
El proceso de fabricación
Existen varias técnicas para crear los transistores que componen el chip. Generalmente se utilizan procesos litográficos, similares a los que se emplean al revelar una fotografía, para ir “dibujando” sobre una oblea de silicio (wafer) de extrema pureza los elementos individuales que componen cada diodo, transistor, etc. El proceso se repite y en cada paso se crea una nueva capa de material semiconductor tipo “p” o “n” en distintas zonas de la oblea, determinadas por máscaras opacas a la luz. El resultado es una suerte de sándwich del tamaño de una uña que contiene varios millones de transistores individuales. Debido al pequeñísimo tamaño de los elementos que se deben “revelar”, no se puede utilizar luz visible, ya que su longitud de onda (unos 650 nanómetros) carece de la “resolución” necesaria para dibujar transistores cuyas partes deben ser mucho más pequeñas, de 65 nanómetros (y cada vez menores). Recordemos que un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro: 65 nanómetros equivalen a 0,000000065 metros.
Silicio sobre aislante (SOI)
La tecnología de silicio sobre aislante (SOI) se conoce desde hace algunos años: aproximadamente desde 1998, fecha en la que IBM anunció los primeros prototipos. Esta técnica consiste en situar el silicio que formará los transistores sobre una delgada capa de material aislante, lo que permite mejorar las prestaciones de los microprocesadores y de las memorias semiconductoras utilizadas en los ordenadores actuales. Algunas investigaciones de IBM han revelado que los chips con tecnología de silicio sobre aislante funcionan hasta un 35% más rápido que los procesadores tradicionales y consumen tres veces menos. Básicamente, esta técnica permite disminuir la capacidad parásita inherente a cada transistor fabricado con métodos tradicionales. Cada pequeño condensador se carga y se descarga en cada pulso de reloj, lo que consume energía, genera calor e introduce demoras en las señales. Al disminuir este efecto capacitivo, el transistor puede funcionar más rápido.
El proceso sobre el que se basa la tecnología de silicio sobre aislante es simple, pero requiere gran precisión, ya que, como vimos antes, se trabaja en superficies microscópicas: consiste en colocar sobre el sustrato de silicio (la oblea) que sostiene los transistores del chip una segunda capa de un material aislante, que puede ser óxido de silicio o cristal. Los millones de transistores, cada uno comportándose como un diminuto interruptor, se colocan sobre esta segunda capa, lo que aumenta su rendimiento y elimina fallos debidos a la velocidad.
Silicio tensado
Al disminuir el tamaño de los transistores, estos funcionan más rápido, pero también se corre el riesgo de que aumenten el nivel de calor y el consumo de energía debido a fugas eléctricas o a una conmutación ineficaz. Para evitar estos efectos, AMD e IBM han desarrollado el “silicio tensado”. El nuevo proceso, llamado “Dual Stress Liner”, mejora el rendimiento de los dos tipos de transistores semiconductores, los de canal N y los de canal P, al “estirar” los átomos de silicio de un transistor y “comprimir” los del otro. La técnica de tensión dual funciona sin necesidad de introducir nuevos procesos de fabricación, generalmente caros y complicados, lo que permite su integración rápida en la fabricación a gran escala utilizando herramientas y materiales estándar. Hay varias maneras de obtener silicio tensado, pero el resultado es similar: con silicio tensado, la estructura atómica de los caminos eléctricos del transistor se ve forzada para conseguir un mayor alineamiento, lo que mejora el flujo eléctrico.
SIMOX, la capa aislante
Cuando IBM comenzó a desarrollar la tecnología SOI, los ingenieros encontraron dificultades para construir la capa aislante que es el corazón del proceso. Luego de probar varios materiales, descubrieron que el aislante más prometedor era el zafiro, aunque se deterioraba con relativa facilidad. Más tarde crearon el proceso llamado SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen / Separación por implantación de oxígeno). SIMOX consiste en la inyección directa de oxígeno puro sobre la oblea a altísimas temperaturas. El oxígeno se combina con el silicio y crea una capa de óxido de silicio que actúa como aislante entre la oblea y las capas de semiconductor que se depositan litográficamente más tarde.
Fabricantes que ya la usan
Los microprocesadores AMD Opteron dual core fabricados a partir de mediados de 2005 están construidos de esta manera. Según AMD, estos procesos son los que han permitido obtener la mejor tasa de rendimiento por vatio consumido disponible en la actualidad. Los microprocesadores de arquitectura Power fabricados por IBM para sus servidores AS/400 también se fabrican de esta manera. Intel también usa silicio tensado en sus nuevas versiones de Pentium 4. IBM y AMD colaboran en el desarrollo de tecnologías de fabricación de semiconductores de próxima generación desde enero de 2003.
Ventajas de SOI
Algunas de las ventajas de utilizar la tecnología SOI al desarrollar un nuevo chip son la utilización de tres máscaras menos al aplicar el proceso fotolitográfico, lo que no solo resulta más económico (20% menos de pasos), sino que, al simplificar la producción, se obtienen menos chips con bugs en cada oblea. El tamaño de los componentes individuales del chip es, en promedio, un 30% más pequeño, porque el aislante evita fugas de electrones de un componente a otro. Esto permite una mayor integración por unidad de superficie y una mayor velocidad de operación del chip.
La ley de Moore
Se trata de una ley empírica, formulada por Gordon E. Moore el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido verificar hasta hoy. La ley de Moore, tal como se la conoce, dice que aproximadamente cada dos años el número de transistores integrados en un microchip se duplica. En el momento de escribir el artículo que originó su ley, Moore era director de los laboratorios de Fairchild Semiconductor.
Gordon Moore afirmó en ese artículo que la tecnología de los microchips tenía futuro, que el número de transistores por centímetro cuadrado de superficie en circuitos integrados se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas. Algunos años más tarde modificó su propia ley al afirmar que el ritmo bajaría y que la densidad de transistores se duplicaría aproximadamente cada 18 meses. Esta es una progresión de crecimiento exponencial, y es la principal causa de la baja constante en el precio de los ordenadores y, fundamentalmente, del aumento de su potencia. El hecho de doblar la capacidad de los microprocesadores cada año y medio es lo que se considera la ley de Moore.
La consecuencia directa de la ley de Moore es que los precios bajan al mismo tiempo que las prestaciones suben: un ordenador que hoy vale 3.000 dólares costará la mitad al año siguiente y estará obsoleto en poco más de dos años. En los últimos 26 años, el tiempo transcurrido desde que Moore reformuló su ley, el número de transistores en un chip se ha incrementado nada más y nada menos que 3.200 veces. Si un automóvil hubiera incrementado su velocidad máxima en la misma proporción, hoy dispondríamos de modelos que viajarían a unos increíbles 400000 km/hora.
Actualmente la ley de Moore se aplica a los ordenadores personales. Sin embargo, cuando se formuló no existían los procesadores, inventados en 1971 (en Intel, compañía que Moore creó en 1968 junto a Robert Noyce), ni los PC, popularizados en los años 80.
Semiconductores, transistores y la era del silicio
Un semiconductor es un elemento que se comporta como un buen conductor de corriente o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Solo algunas sustancias presentan esta característica. Los elementos químicos semiconductores utilizados son el cadmio (Cd), el aluminio (Al), el galio (Ga), el boro (B), el indio (In), el silicio (Si), el germanio (Ge), el fósforo (P), el arsénico (As), el antimonio (Sb), el selenio (Se), el telurio (Te) y el azufre (S). El elemento semiconductor más usado en la actualidad, y ladrillo fundamental de los transistores que componen los microprocesadores actuales, es el silicio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos II y III con los de los grupos VI y V respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Últimamente también se han realizado ensayos con el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes.
Se trata de diminutos dispositivos electrónicos de tres terminales. La palabra transistor nace como un acrónimo o contracción de “transference resistor”. En efecto, una de las aplicaciones de los transistores es la transferencia de resistencia, que permite usarlos como amplificadores, al controlar una gran corriente que circula entre el “emisor” y el “colector” mediante una pequeña corriente aplicada en el otro terminal, llamado “base”. Pero la forma de trabajo del transistor que lo ha vuelto indispensable en el corazón de todas las computadoras es la que permite utilizarlo como una llave. En una determinada región de trabajo, puede comportarse como una llave que permite o no el paso de la corriente; es decir, presentar un estado de “1” o “0”. Esta particularidad lo hace útil en la construcción de memorias y compuertas lógicas, elementos base de cualquier computadora.
A pesar de que la era del silicio tiene casi treinta años, se siente como si se estuviera en el comienzo de una revolución. Comenzó cuando Intel y Texas Instruments, de manera independiente, produjeron su primer chip microprocesador allá por 1971. Estos primeros chips tenían solo un poco más de 2,000 transistores, y su velocidad no era lo que llamaríamos apabullante. En la actualidad tenemos decenas de millones de transistores en un solo chip, y los microprocesadores con tecnologías multi-core de más de 100 millones de transistores son cada vez más comunes. Desde 1971, las velocidades de procesamiento de un chip han pasado de cerca de 0.06 millones de instrucciones por segundo (MIS) a cerca de 1000 MIS. Todo este crecimiento en el desempeño ha sido posible gracias a la innovación permanente, y las técnicas SOI y de silicio tensado son solo un exponente más de ella.
