Un chip, a vista de pájaro, se parece a Manhattan: así funciona

Si lo sobrevolamos, un chip parece una ciudad en miniatura de pasmosa regularidad en forma de cuadrículas de diferentes colores. De hecho, esa forma de diseñarlos se conoce como Manhattan, y es que un chip no deja de ser una ciudad para los electrones.

Los chips suelen estar encapsulados para su manipulación y protección. La mejor opción para ver un chip es echar mano de una tarjeta bancaria con ?chip? caducada. Estas tarjetas tienen una zona dorada de, más o menos, un centímetro cuadrado. Eso no es el chip en sí, sino los contactos a través de los cuales el lector de tarjetas accede al chip.

Doblando ligeramente la tarjeta y haciendo palanca con la uña puede desprenderse esa zona dorada, y bajo ella descubriremos el chip: un cuadradito de entre uno y dos milímetros de lado. Su aspecto es de lo más anodino, pero contiene una gran magia que solo puede apreciarse bajo el microscopio (y no cualquier microscopio).

¿Por qué funciona?

Demos varios pasos atrás? casi hasta el Big Bang. En la naturaleza se dan cita cuatro fuerzas fundamentales, y una de ellas es igualmente fundamental para esta historia. No es la gravedad, ni las dos fuerzas nucleares (fuerte y débil) que posibilitan la existencia de los núcleos de los átomos (permiten a la materia ?ser?). Se trata de la fuerza electromagnética que se origina entre cargas eléctricas y que ?funciona? tanto en las distancias cortas como en las largas.

En las cortas, completa los átomos con los electrones que rodean a sus núcleos. En las largas, nos permite comunicarnos con ondas electromagnéticas.

Los electrones, la capa más externa de los átomos, son los responsables de las interacciones entre ellos, creando moléculas y agregaciones de las mismas (permitiendo a la materia ?estar? y relacionarse).

Esas interacciones, de naturaleza electromagnética, dan origen a buena parte de los fenómenos físicos que nos rodean, también a los químicos y, por extensión, a los biológicos? Somos polvo de estrellas y electromagnetismo. Y de electromagnetismo se valen los chips.

En el mundo inorgánico

Cuando los átomos se agregan para formar un material, los electrones más externos de los mismos se colectivizan, y esos electrones van a poder moverse con mayor o menor libertad en respuesta a estímulos eléctricos. Si lo hacen con facilidad, el material es conductor; si no pueden hacerlo, lo consideramos aislante. Si no es ni una cosa ni la otra, estamos frente a un semiconductor.

Ese punto medio, y sobre todo la posibilidad de modular su conductividad (normalmente al alza, dopándolo, literalmente, con otros átomos que le chutan un plus de electrones), lo convierten en un material instrumental para la micro y nanoelectrónica. Donde hay posibilidad de cambio, hay siempre juego.

Materiales semiconductores hay varios, pero el que ha dado lugar a la tecnología que hay detrás de más del 90 % de los productos micro y nanoelectrónicos es el silicio.

La ciudad

Electrónica viene de electrón, desde luego. Da nombre a la disciplina que permite controlar la electricidad (ya sea como vector energético o de información) usando la propia electricidad mediante componentes (resistencias, condensadores, diodos, transistores?) hechos a partir de esos materiales de distinta conductividad y que de una u otra forma influyen sobre una corriente eléctrica. Los circuitos electrónicos originales se componían de esos elementos discretos que se montaban uno a uno, soldando sus dos o tres patitas, en placas de circuito impreso.

Esas placas, de mayor o menor tamaño, siguen presentes en cualquier aparato electrónico. Hoy en día, podemos ver en ellas pequeños dados negros con múltiples patas, además de algunos de esos componentes discretos. Ese alto número de patas (entradas y salidas de señales) da pistas de que en su interior se esconde no un componente sino algo más complejo.

El circuito y sus dados

Y lo que ese interior esconde es un chip, un dado semiconductor en el que se ha fabricado el equivalente a un circuito impreso con sus correspondientes elementos individuales y sus conexiones internas, pero miniaturizado e integrado. Un circuito dentro de un circuito, un poco como las muñecas rusas.

?Dado? es una palabra engañosa en este contexto. El ?dado? semiconductor de un circuito integrado es un cuadrado con un tamaño de lado que oscila entre algún milímetro o algún centímetro y un grosor de no más de un milímetro.

A la vista queda que el apelativo micro o nano no viene del tamaño del chip, sino que tiene que ver con la dimensión lateral mínima que se es capaz de definir en su interior durante la fabricación del circuito integrado.

Hay que tener en cuenta que un chip ?grande? puede contener del orden de mil millones de elementos (algo parecido a la población de China) en su interior.

El límite de lo pequeño

Con el paso del tiempo, la dimensión mínima se ha ido reduciendo regular y progresivamente. En los años 70 era de unas 10 micras y ahora está en torno a los 5 nanómetros. Para fijar ideas, un cabello humano tiene unas 60 micras de grosor, una micra es el tamaño de una bacteria mediana y el espacio entre las dos hebras helicoidales del ADN es de unos tres o cuatro nanómetros.

Cada nueva generación tecnológica (o nodo, en argot microelectrónico) viene definida por el valor de esa dimensión mínima. Y aproximadamente cada dos años se reduce para que el número de elementos que se pueden integrar en un chip, y por tanto la complejidad de lo que puede hacer, se duplique: es lo que se conoce como Ley de Moore, que parece estar llegando a su límite.

La aparición de un nuevo nodo tecnológico no implica la desaparición de los anteriores. De hecho, más del 80 % de los chips se fabrican con tecnologías de esos nodos maduros, pero la fabricación del 100 % de los productos punteros sí que migra a los nodos avanzados.

El resultado: nuestro Manhattan en miniatura es cada vez es más avanzado, más diminuto y más eficiente. Y esto solo acaba de comenzar.

Luis Antonio Fonseca Chácharo, Research Professor in the field of Microelecronics, Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.

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