Silicon-on-Insulator (Silicio sobre aislante)

La nueva tecnología Silicon-on-Insulator (SOI) permitirá la construcción de ordenadores más rápidos y con menor consumo de energía, ambos factores son claves para incrementar la autonomía de los dispositivos portátiles que se van a generalizar en un futuro próximo. En la fabricación de un chip, como ser un microprocesador, generalmente se busca integrar la mayor cantidad posible de componentes en el espacio más pequeño que permita la tecnología disponible. En general, y de acuerdo a la ley de Moore (ver recuadro) cada aproximadamente 18 meses un proceso de fabricación reemplaza a otro y permite reducir el tamaño de los componentes a la mitad, lo que 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 mas pequeñas. A pesar que se desplazan (teóricamente) a la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s), con frecuencias de clock actuales, superiores al Gigahertz deben recorrer los pocos milímetros de ancho del chip miles de millones de veces por segundo, por eso el mantener esas distancias lo mas cortas posibles es crucial. Por otro lado, hay algunos factores intrínsecos a las tecnologías de fabricación utilizadas que también influyen en la velocidad, una de ellas es la componente capacitiva parasita que aparece en cada transistor integrado, debido a que las diferentes capas que forman el transistor se comporta como un pequeño condensador, e introduce pequeños tiempos de demora a las señales.

Existen varias técnicas para crear los transistores que componen el chip. Generalmente se utilizan procesos litográficos, similares a los utilizados al revelar una fotografía para ir “dibujando” sobre un disco de silicio (waffer) de extrema pureza los elementos individuales que componen a cada diodo, transistor, etc. El proceso se va repitiendo, y en cada paso se crea una nueva capa de material semiconductor tipo “p” o “n” en distintas zonas del waffer, determinadas por mascaras opacas a la luz, creando una suerte de sándwich del tamaño de una uña que contiene varios millones de transistores individuales. Debido al pequeñísimo tamaño de los elementos a “revelar” no se puede utilizar luz visible, dado que su longitud de onda (unos 650 manómetros) carece de la “resolución” necesaria para dibujar transistores cuyas partes deben ser mucho mas pequeñas, de 65 manómetros (y cada vez menores). Recordemos que un manómetro es la milmillonésima parte de un metro. 65 nanómetros son la 0,000000065 avas parte de un metro.

La tecnología de silicio sobre aislante (SOI) es una técnica que se conoce desde hace algunos años, aproximadamente desde 1998, fecha en la que IBM anuncio los primeros prototipos. Esta técnica consiste en situar el silicio que formara a los transistores sobre una delgada capa de material, permitiendo mejorar así las prestaciones de los microprocesadores y 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 con un consumo tres veces inferior.
Básicamente, esta técnica permite disminuir la capacidad parasita que es inherente a cada transistor fabricado con métodos tradicionales. Cada pequeño capacitor se carga y descarga en cada pulso de clock, lo que consume energía, genera calor y introduce demoras en las señales. Al disminuir este efecto capacitivo, el transistor puede funcionar más rápido.

El proceso en 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 substrato de silicio (el waffer) 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, son colocados sobre esta segunda capa, lo que aumenta su rendimiento y elimina fallos debidos a su velocidad.

Al disminuir el tamaño de los transistores estos funcionan más rápido, pero también se corre el riesgo de que aumente 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, llamados transistores de canal N y 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 extensiva 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 en el transistor se ve forzada para conseguir un mayor alineamiento, lo que mejora el flujo eléctrico.

Cuando IBM comenzó a desarrollar la tecnología SOI, los ingenieros encontraron dificultadas para construir la capa aislante que es el corazón del proceso. Luego de probar varios materiales, encontraron que el aislante mas prometedor era el zafiro, aunque se deterioraba con relativa facilidad. Mas tarde, crearon el proceso llamado SIMOX (Separation by Implantation of Oxygen / Separación por la implantación de oxigeno). SIMOX consiste en la inyección directa de oxigeno puro sobre el waffer a altisimas temperaturas. El oxigeno se combina con el silicio creando una capa de oxido de silicio, que actúa como un aislante entre el waffer y las capas de semiconductor que se depositan litograficamente mas tarde.

Los microprocesadores AMD Opteron dual core fabricados a partir de mediados del 2005 están construidos de esta manera. Según este fabricante, 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 servers AS/400 también son fabricados 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.

Algunas de las ventajas de utilizar la tecnología SOI al desarrollar un nuevo chip son la utilización de tres mascaras menos al aplicar el proceso fotolitográfico, lo que no solo es mas económico (20% menos de pasos) sino que al simplificar la producción se obtienen menos cantidad de chips con bugs en cada waffer. El tamaño de los componentes individuales del chip son en promedio un 30% mas pequeños, debido a que el aislante evita fugas de electrones de un componente a otro, lo que permite una mayor integración por unidad de superficie, y una mayor velocidad de operación del chip.
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 el nombre con el que se la conoce, nos 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 articulo 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 la densidad de los 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 en el 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, tiempo transcurrido desde que Moore reformulara 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, actualmente dispondríamos de modelos que viajarían a unos increíbles 400000 km/hora.

Actualmente se aplica a los ordenadores personales. Sin embargo, cuando se formuló no existían los procesadores, inventados en 1971 (en Intel, compañía que Moore creo en 1968 junto a Robert Noyce), ni los PCs, popularizados en los 80.
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. Solamente algunas sustancias presentan esta característica. Los elementos químicos semiconductores utilizados son el Cadmio (Cd), Aluminio(Al), Galio(Ga), Boro(B), Indio(In), Silicio(Si), Germanio(Ge), Fosforo(P), Arsenio(As), Antimonio(Sb), Selenio(Se), Telurio(Te) y 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 se han realizado ensayos también 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 los permite usar como amplificadores, al permitir controlar una gran corriente que circule entre el “emisor” y el “colector” mediante una pequeña 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 efecto, en una determinada región de trabajo, se puede comportar 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 en 1971. Estos primeros chips tenían sólo 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 mas de 100 millones de transistores están siendo cada vez mas comunes. Desde 1971, las velocidades de procesamiento de un chip han ido 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 silicio tensado son solo un exponente más de ellas.