Cuando la gente en la industria de los chips habla de los problemas térmicos en los procesadores de ordenador, el tono es muy dramático. En 2001, el entonces vicepresidente de Intel, Pat Gelsinger,señaló que si las temperaturas producidas por los últimos chips seguían subiendo al ritmo actual, excederían el calor de un reactor nuclear para el año 2005, y la superficie del Sol en 2015.Afortunadamente, tales desastres térmicos pudieron evitarse con la disminución de las velocidades de conmutación en los microprocesadores, y mediante la adopción de diseños de chips de varios núcleos en los que varios procesadores funcionan en paralelo.
Ahora, la industria de los semiconductores tiene otro problema térmico que resolver. A medida que los componentes de los chips se hacen más pequeños, el cableado de cobre que los conecta también debe reducir su tamaño. Y a medida que estos cables adelgazan, el aumento de su temperatura aumenta enormemente.
Una posible solución a esta fiebre de interconexión viene dada por el grafeno, un material exótico hecho a partir de hojas de carbono de un átomo de espesor que resulta un conductor superlativo tanto de electrones como de calor.
Los científicos de materiales ya utilizan el cobre como catalizador para cultivar el grafeno para otros usos. Por ese motivo, Alexander Balandin desde la Universidad de Califo ia, Riverside (EEUU), y Kostya Novoselov, físico de la Universidad de Manchester (Reino Unido) que ganó el Premio Nobel de Física en 2010 por su trabajo fundacional con grafeno (ver "El grafeno gana el Premio Nobel"); decidieron dejar el grafeno sobre el cobre para ver cómo afectaba a las propiedades térmicas del metal. En un artículo publicado en la revista Nano Letters, informan que un sándwich hecho de grafeno a ambos lados de una hoja de cobre mejora su capacidad para disipar el calor en un 25%, una cifra importante para los diseñadores de chips.
Balandin señala que el grafeno por si solo no parece disipar el calor. En su lugar, altera la estructura del cobre, lo que mejora las propiedades conductoras del metal. El calor que se mueve a través del cobre se ve generalmente frenado por la estructura cristalina del metal. El grafeno cambia esta estructura, haciendo que esas paredes se separen más, y permitiendo que el calor fluya más fácilmente, asegura Balandin.
Los estudios se realizaron con láminas relativamente gruesas de cobre, mucho más grandes que los cables de cobre encontrados en los chips de ordenador, pero Balandin espera que el efecto de conducción de calor también pueda observarse en hilos de cobre más delgados. En la actualidad está trabajando en cables de cobre y grafeno tan pequeños como los utilizados en los chips de ordenadores comerciales.
El problema es urgente. Este año, se espera que Intel anuncie productos con transistores de 14 nanómetros, con interconexiones de cobre alrededor de esta magnitud o incluso más pequeñas. Los cables de cobre no funcionan por debajo de 10 nanómetros, y no está claro qué otro material podría funcionar. "Aún no hemos encontrado un material de interconexión que pueda funcionar por debajo de 10 nanómetros", en parte debido al sobrecalentamiento, señala el físico del Centro de Electrónica Integrada en el Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York (EEUU), Saroj Nayak.
El ingeniero eléctrico de Applied Materials, un fabricante de equipos de semiconductores con sede en Santa Clara, Califo ia (EEUU), Majeed Foad, que ayuda a la compañía a hacer un seguimiento de nuevos materiales, afirma que las propiedades del grafeno son muy interesantes, pero añade que a medida que se miniaturizan los componentes de los chips, se vuelven más sensibles a las altas temperaturas. Se necesita mucho calor para crear grafeno de buena calidad, y Balandin y Novoselov calentaron sus cables a más de 1.000 °C. Foad señala que tales temperaturas degradarían los transistores y otros componentes del chip. Balandin, sin embargo, hace referencia a experimentos de laboratorio que demuestran que el grafeno se puede cultivar a temperaturas más bajas, al menos en el marco de la investigación.
Al margen de todo esto, Foad asegura que los fabricantes de chips no tienen ninguna prisa por adoptar el grafeno. "Cambiar los materiales es muy complicado, así que vamos a exprimir hasta la última gota el rendimiento de lo que tenemos", señala.
Está claro que incluir más transistores en los procesadores y poner más procesadores en fichas no va a ser sostenible por mucho tiempo. Los chips de gama alta ya contienen entre 50 y 60 kilómetros de cableado de cobre y varios núcleos.
El director de investigación interconectada en Semiconductor Research Corporation, un consorcio industrial, en Durham, Carolina del Norte (EEUU), Jonathan Candelaria, afirma que añadir más transistores no mejora el rendimiento del modo en que solía hacerlo. La solución puede que consista fundamentalmente en adoptar arquitecturas diferentes. Diseñar y embalar chips de formas distintas podría ayudar a resolver el problema del calor, señala Candelaria, y esto le dará tiempo a la industria para resolver problemas con los nuevos materiales, tal vez incluyendo los nuevos híbridos de grafeno-cobre.