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Microelectrónica

Revolución inminente

Surge un posible sustituto para el silicio en una nueva generación de chips

IBMNuevas memorias de computación de IBM producidas con óxido de hafnio.IBM

A comienzos de este año, las gigantes internacionales IBM e Intel anunciaron, casi simultáneamente, que ya dominan la tecnología para la producción de chips construidos con una nueva materia prima, el óxido de hafnio (HfO2), que sustituirá al óxido de silicio (SiO2). Esas dos sustancias, una u otra, se emplean para fabricar una capa aislante alrededor de los transistores presentes en el interior de un chip, con el objetivo de evitar que ocurran pérdidas de corriente eléctrica y así, tornarlos más eficientes. El anuncio fue recibido como un gran avance, porque los materiales básicos utilizados en las últimas cuatro décadas en el rubro de los transistores, no fueron alterados. “El reemplazo del óxido de silicio por un material alternativo representa una revolución en el área de materiales, a la cual la industria se resistió mucho, pero que ahora parece inevitable”, afirma el físico Israel Baumvol, profesor del Instituto de Física de la Universidad Federal de Río Grande do Sul (UFRGS), quien desde 1999 trabaja en colaboración con la IBM.

Los anuncios de las dos empresas tienen importancia, porque el óxido de hafnio presenta una serie de ventajas con relación al óxido de silicio, como la reducción de las pérdidas de energía, el aumento de la velocidad de procesamiento de los chips y la reducción del tamaño físico de los transistores. “Con el óxido de hafnio, es posible reducir la corriente de fuga o pérdida en los transistores más críticos, en decenas o centenas de miles de veces, y con ello, reducir la disipación de calor del chip”, explica Baumvol, quien ya produjo y publicó, junto con su equipo, más de 25 artículos en revistas científicas, en colaboración con IBM. En cuanto al tamaño de los transistores, ellos podrían reducirse dos veces en cuatro años y en ocho veces en diez años. “Eso, en la práctica, significa un aumento en la velocidad de procesamiento de hasta el 50% en los próximos dos a cuatro años y de hasta un 100% en ocho a diez años”, dice el investigador de la UFRGS.

Aunque los grandes fabricantes mundiales de chips y computadoras ya dominan la tecnología y fabrican procesadores con transistores en base a óxido de hafnio, sólo los lanzarán al mercado a partir del año próximo. “Para poder comercializarlos, es preciso alcanzar el requisito de confiabilidad de diez años, exigido para los microprocesadores comerciales”, dice Baumvol. “Es posible realizar tests acelerados y verificar esa confiabilidad de diez años en tiempos bastante cortos. Y eso es lo que las empresas se encuentran haciendo. Creo que los nuevos procesadores serán lanzados para la venta dentro de uno o dos años”, afirma el investigador. Intel ya anunció que sus primeros procesadores con la nueva tecnología llegarán al mercado en 2008.

Así como el óxido de silicio, el óxido de hafnio es un material con propiedad dieléctrica elevada (o high-k, en inglés).La principal característica de esos materiales es su alta capacidad para almacenar cargas eléctricas. El problema con las tecnologías existentes actualmente, es que la fina capa de óxido de silicio que reviste a los transistores no impide que ocurran grandes fugas de electricidad en los circuitos integrados, provocando supercalentamiento y aumento del consumo de energía del equipo. Esa limitación técnica también coloca en duda a la Ley de Moore, la máxima de la industria de la tecnología informática proferida por Gordon Moore, ex presidente de Intel, según la cual, el número de transistores de un chip, se duplica cada dos años. Sin el descubrimiento de un nuevo material, desde los aspectos técnicos y económicos, la Ley de Moore corría serio riesgo de estancarse.

Con el hafnio, un elemento químico de color plateado, tan raro y caro como el oro, los fabricantes esperan solucionar ese problema, construyendo entonces chips de menor tamaño aún y más veloces. El efecto práctico de eso, es que las baterías de los celulares, notebooks y demás dispositivos electrónicos podrán contar con mayor durabilidad, obviando la necesidad de recargarlos con tanta frecuencia. Además de eso, la utilización de óxido de hafnio en la producción de transistores permitirá que la nueva generación de chips tenga apenas 45 nanómetros de longitud de canal, alrededor de 2 mil veces más finos que un cabello. “No sabemos hasta donde podremos disminuir el tamaño de los transistores utilizando dieléctricos alternativos, pero tal vez fuera posible alcanzar dimensiones de hasta 16 nanómetros”, afirma Baumvol. “Con eso, los consumidores podrán seguir adquiriendo equipos electrónicos cada vez más pequeños, más baratos, con menor consumo de energía y, como todo indica, con mayor capacidad de procesamiento”.

La utilización del hafnio (elemento químico número 72 de la tabla periódica) en la fabricación de semiconductores para la industria electrónica, obligará a las mineras a un aumento en la producción del metal, el cual, no se halla en gran profusión en la naturaleza. Se producen apenas 50 toneladas anuales en el mundo. La mayor parte se destina para la fabricación de componentes de reactores nucleares y metales de alta especificidad para la industria aeronáutica. Como la cantidad de hafnio utilizada en la producción de los transistores es muy reducida – apenas 50 moléculas son suficientes para construir una capa con 3 a 5 nanómetros de espesor -, los especialistas descartan una escasez de oferta. De acuerdo con Bernard Myerson, vicepresidente de tecnología de IBM, en un comunicado de la empresa, 1 centímetro cúbico de metal, del tamaño equivalente a un pequeño cubo de azúcar, sería suficiente para cubrir diez campos de fútbol de capas de silicio, conteniendo transistores de hafnio, utilizadas en la fabricación de chips.

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