Foto: Cada chip en esta oblea tiene 10.000 transistores de nanotubos. IBM espera poder colocar miles de millones de estos dispositivos en un único chip poco después de 2020.

Durante más de una década, la preocupación de los ingenieros ha sido quedarse sin trucos para seguir reduciendo los transistores de silicio. Los últimos chips de Intel tienen transistores con características de hasta sólo 14 nanómetros, pero no está claro hasta qué punto puede la industria seguir reduciendo el tamaño de los transistores de silicio, o qué podría reemplazarlos.

Un proyecto en IBM pretende crear transistores usando nanotubos de carbono y tomar el relevo de los transistores de silicio poco después de 2020. De acuerdo con la hoja de ruta de la industria de los semiconductores, en ese momento los transistores tendrán que tener características de hasta sólo cinco nanómetros para mantenerse al día con la continua miniaturización de los chips de ordenador. "Ahí es donde la escala de silicio se queda sin fuelle, y realmente no hay nada más", afirma el líder del proyecto de nanotubos de la empresa, Wilfried Haensch, en el centro de investigación TJ Watson en Yorktown Heights, Nueva York (EEUU). Los nanotubos son la única tecnología que parece capaz de mantener el avance de la potencia de los ordenadores, ya que ofrece una forma práctica de crear transistores más pequeños y rápidos, afirma.

En 1998, los investigadores de IBM crearon uno de los primeros transistores de nanotubos de carbono capaces de funcionar. Ahora, después de más de una década de investigación, IBM es la primera gran empresa que se compromete a conseguir que la tecnología esté lista para su comercialización.

"Hasta ahora hemos trabajado en ello en un entorno limitado", señala el director del grupo de conjuntos y dispositivos moleculares de IBM, James Hannon. Dirigió el trabajo de nanotubos de IBM antes de Haensch, que asumió el cargo en 2011 después de desarrollar su carrera trabajando en la fabricación de chips convencionales. "Wilfried se unió al grupo aportando su experiencia en la tecnología de silicio [y a partir de ahí] nuestro enfoque cambió realmente".

El equipo de Haensch ha elegido el objetivo de comercialización basándose en el calendario de mejoras técnicas que la industria de los chips ha trazado para mantener viva la Ley de Moore, una predicción originaria de 1965 que señala que el número de transistores que pueden colocarse en un circuito se duplica cada dos años. Las generaciones de tecnología de fabricación de chips se conocen por el tamaño de la estructura más pequeña que pueden incluir en un chip. Actualmente, la mejor es de 14 nanómetros, y en 2020, a fin de mantenerse al día con la Ley de Moore, la industria tendrá que reducirla hasta cinco nanómetros. Este es el punto en el que IBM espera poder introducir los nanotubos. El informe más reciente del grupo de la industria del microchip, el ITRS, afirma que el llamado "nodo" de cinco nanómetros debería lanzarse en 2019.

Recientemente, IBM ha creado chips con 10.000 transistores de nanotubos. Ahora está trabajando en un diseño de transistores que podría implantarse en las obleas de silicio utilizadas en la industria actual con mínimos cambios en los métodos de diseño y fabricación ya existentes. La elección del diseño se ha hecho en parte basándose en simulaciones que evalúan el rendimiento de un chip con miles de millones de transistores. Estas simulaciones sugieren que el diseño elegido debería permitir que un microprocesador fuera cinco veces más rápido que uno de silicio que use la misma cantidad de energía.

El diseño escogido por IBM utiliza seis nanotubos alineados en paralelo para crear un único transistor. Cada nanotubo tiene 1,4 nanómetros de ancho, aproximadamente 30 nanómetros de largo y está espaciado a aproximadamente ocho nanómetros de sus vecinos. Los dos extremos de los seis tubos se incrustan en electrodos que suministran corriente, exponiendo en el medio alrededor de 10 nanómetros de sus longitudes. Un tercer electrodo se coloca perpendicularmente debajo de esta porción de los tubos y conmuta el transistor entre encendido y apagado para representar 1 y 0 digitales.

El equipo de IBM ha probado transistores de nanotubos con ese diseño, pero por ahora no ha encontrado la manera de colocar los nanotubos lo suficientemente cerca unos de otros, ya que la tecnología de chips existente no puede funcionar a esa escala. La solución preferida es etiquetar químicamente el sustrato y los nanotubos con compuestos que podrían hacer que se autoensamblaran en su posición. Después podrían eliminarse estos compuestos, dejando los nanotubos dispuestos correctamente y listos para añadir los electrodos y otros circuitos y terminar el chip.

El equipo de Haensch compra los nanotubos en grandes cantidades a proveedores industriales y escoge los tubos que tengan las propiedades adecuadas para usarse en transistores utilizando una versión modificada de una máquina empleada para filtrar moléculas, como por ejemplo proteínas, en la industria farmacéutica. Utiliza una carga eléctrica para separar los nanotubos semiconductores útiles para usarse en transistores de aquellos que conducen la electricidad, como por ejemplo los metales, y no pueden ser utilizados en transistores.

El año pasado, varios investigadores de Stanford (EEUU) crearon el primer ordenador sencillo utilizando sólo transistores de nanotubos (ver "El primer ordenador de nanotubos de carbono"). Pero los componentes eran voluminosos y lentos en comparación con los transistores de silicio, según señala el profesor que trabajó en el proyecto, Subhasish Mitra. "Ahora sabemos que se puede construir algo útil con nanotubos de carbono", afirma. "La pregunta es, ¿cómo se obtiene el rendimiento necesario?".

Aunque IBM aún no sabe cómo crear transistores de nanotubos lo suficientemente pequeños como para la producción en masa, Mitra señala que ha dado pasos concretos y ha diseñado procesos que deberían resultar factibles para la industria de los semiconductores.

Sin embargo, por ahora la iniciativa de nanotubos de IBM se mantiene dentro de sus laboratorios de investigación y no ha llegado a su unidad de negocio de semiconductores. Los investigadores saben que el éxito no está garantizado. En particular, si los transistores de nanotubos no están listos poco después de 2020, cuando la industria los necesite, la ventana de oportunidad podría cerrarse, afirma Hannon desde IBM.

Si los nanotubos no consiguen ser una opción, hay pocas alternativas que hayan demostrado potencial para tomar el relevo de los transistores de silicio en ese marco de tiempo. Los candidatos más cercanos son los dispositivos que manipulan el espín de los electrones individuales, pero están en un punto menos maduro, y a diferencia de los nanotubos de carbono no se comportan de manera similar a los transistores de silicio, según Hannon.