Microprocesadores de silicio

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El proceso de fabricación de un microprocesador es muy complejo.Todo comienza con un buen puñado de arena (compuesta básicamente de silicio), con la que se fabrica un mono cristal de unos 20 x 150 centímetros. Para ello, se funde el material en cuestión a alta temperatura (1.370 °C) y muy lentamente (10 a 40 mm por hora) se va formando el cristal.
De este cristal, de cientos de kilos de peso, se cortan los extremos y la superficie exterior, de forma de obtener un cilindro perfecto. Luego, el cilindro se corta en obleas de 10 micras de espesor, la décima parte del espesor de un cabello humano, utilizando una sierra de diamante. De cada cilindro se obtienen miles de obleas, y de cada oblea se fabricarán varios cientos de microprocesadores.

Estas obleas son pulidas hasta obtener una superficie perfectamente plana, pasan por un proceso llamado “annealing”, que consiste en someterlas a un calentamiento extremo para eliminar cualquier defecto o impureza que pueda haber llegado a esta instancia. Después de una supervisión mediante láseres capaz de detectar imperfecciones menores a una milésima de micra, se recubren con una capa aislante formada por óxido de silicio transferido mediante deposición de vapor.
De aquí en adelante, comienza el proceso del «dibujado» de los transistores que conformarán a cada microprocesador. A pesar de ser muy complejo y preciso, básicamente consiste en la “impresión” de sucesivas máscaras sobre la oblea, sucediéndose la deposición y eliminación de capas finísimas de materiales conductores, aislantes y semiconductores, endurecidas mediante luz ultravioleta y atacada por ácidos encargados de eliminar las zonas no cubiertas por la impresión. Salvando las escalas, se trata de un proceso comparable al visto para la fabricación de circuitos impresos. Después de cientos de pasos, entre los que se hallan la creación de sustrato, la oxidación, la litografía, el grabado, la implantación iónica y la deposición de capas; se llega a un complejo «bocadillo» que contiene todos los circuitos interconectados del microprocesador.

Un transistor construido en tecnología de 45 nanómetros tiene un ancho equivalente a unos 200 electrones. Eso da una idea de la precisión absoluta que se necesita al momento de aplicar cada una de las máscaras utilizadas durante la fabricación.

Los detalles de un microprocesador son tan pequeños y precisos que una única mota de polvo puede destruir todo un grupo de circuitos. Las salas empleadas para la fabricación de microprocesadores se denominan salas limpias, porque el aire de las mismas se somete a un filtrado exhaustivo y está prácticamente libre de polvo. Las salas limpias más puras de la actualidad se denominan de clase 1. La cifra indica el número máximo de partículas mayores de 0,12 micras que puede haber en un pie cúbico (0,028 m3) de aire. Como comparación, un hogar normal sería de clase 1 millón. Los trabajadores de estas plantas emplean trajes estériles para evitar que restos de piel, polvo o pelo se desprendan de sus cuerpos.
Una vez que la oblea ha pasado por todo el proceso litográfico, tiene “grabados” en su superficie varios cientos de microprocesadores, cuya integridad es comprobada antes de cortarlos. Se trata de un proceso obviamente automatizado, y que termina con una oblea que tiene grabados algunas marcas en el lugar que se encuentra algún microprocesador defectuoso.

La mayoría de los errores se dan en los bordes de la oblea, dando como resultados chips capaces de funcionar a velocidades menores que los del centro de la oblea o simplemente con características desactivadas, tales como núcleos. Luego la oblea es cortada y cada chip individualizado. En esta etapa del proceso el microprocesador es una pequeña placa de unos pocos milímetros cuadrados, sin pines ni cápsula protectora.
Cada una de estas plaquitas será dotada de una cápsula protectora plástica (en algunos casos pueden ser cerámicas) y conectada a los cientos de pines metálicos que le permitirán interactuar con el mundo exterior. Estas conexiones se realizan utilizando delgadísimos alambres, generalmente de oro. De ser necesario, la cápsula es provista de un pequeño disipador térmico de metal, que servirá para mejorar la transferencia de calor desde el interior del chip hacia el disipador principal. El resultado final es un microprocesador como los que equipan a los computadores.
También se están desarrollando alternativas al silicio puro, tales como el carburo de silicio que mejora la conductividad del material, permitiendo mayores frecuencias de reloj interno; aunque aún se encuentra en investigación.

EL PRIMER PROCESADOR  DE PLÁSTICO PARA ORDENADORES 

 

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Es posible que el silicio sea la base de todos los ordenadores nuestro alrededor, pero la rígida inflexibilidad de este semiconductor implica que no puede abarcarlo todo. El primer procesador de ordenador y los primeros chips de memoria fabricados con semiconductores plásticos sugieren que, en un futuro, no habrá nada fuera del alcance de la potencia de los ordenadores.

Un equipo de investigadores europeos utilizó 4000 transistores de plástico, u orgánicos, para crear el microprocesador de plástico, que mide aproximadamente dos centímetros cuadrados y está construido sobre una lámina de plástico flexible. “En comparación con el uso de silicio, esto tiene la ventaja de un precio más bajo y de poder ser flexible,” señala Jan Genoe del centro de nanotecnología IMEC en Lovaina, Bélgica. Genoe y otros colaboradores del IMEC trabajaron con investigadores de la organización de investigación TNO y la empresa de pantallas Polymer Vision, ambas con sede en los Países Bajos.

Hasta el momento, el procesador puede sólo puede ejecutar un programa simple de 16 instrucciones. Los comandos están grabados sobre un segundo papel con circuitos de plástico que se puede conectar al procesador para “cargar” el programa. Esto permite al procesador calcular un promedio corriente de una señal entrante, algo que un chip que participe en el procesamiento una señal de un sensor podría hacer, indica Genoe. El chip funciona a una velocidad de seis hertz—del orden de un millón de veces más lento que un ordenador de escritorio moderno, y sólo puede procesar la información en bloques de ocho bits como máximo, frente a los 128 bits de los procesadores de ordenador actuales.

Los transistores orgánicos ya se han utilizado en algunos indicadores LED y etiquetas RFID, pero aún no han sido utilizado para fabricar un procesador de ningún tipo. El microprocesador en cuestión fue presentado en la conferencia ISSCC que tuvo lugar en San José, California, el mes pasado.

La fabricación del procesador empieza con una hoja de plástico flexible de 25 micrómetros de ancho, “como lo que podría usar para envolver su almuerzo”, indica Genoe. A continuación, se deposita una capa de electrodos de oro en la parte superior, seguida de una capa aislante de plástico, otra capa de electrodos de oro y los semiconductores de plástico que forman el procesador de 4.000 transistores. Los transistores se fabricaron haciendo girar una película de plástico para extender una gota de líquido orgánico en una capa fina y uniforme. Cuando la película se calienta suavemente el líquido se convierte en pentaceno sólido, un semiconductor orgánico de uso común. Por último, las diferentes capas fueron grabadas usando fotolitografía para obtener el patrón final para los transistores.

En el futuro, los procesadores podrían ser más baratos mediante la impresión de los componentes orgánicos como si fueran tinta, señala Genoe. “Hay varios grupos de investigación que trabajan en la impresión rollo a rollo u hoja a hoja”, comenta Genoe, “pero todavía se requieren algunos avances para producir pequeños transistores orgánicos que no se tambaleen”, es decir, físicamente irregulares. Hasta el momento, los mejores métodos de impresión a escala de laboratorio sólo permiten producir transistores fiables en la escala de las decenas de micrómetros, indica él.

La creación de un procesador a partir de transistores de plástico fue un reto, porque a diferencia de los fabricados de cristales de silicio ordenados, no se puede confiar en que cada uno se comporte como los otros. Cada transistor de plástico se comporta de forma ligeramente diferente, ya que están constituidos por una colección de cristales amorfos de pentaceno entrelazados. “Nunca nos encontraremos con dos iguales”, afirma Geneo. “Tuvimos que estudiar y simular la variabilidad para elaborar el diseño con la mayor probabilidad de comportarse correctamente”.

El equipo tuvo éxito, pero eso no significa que el escenario esté preparado para que los procesadores de plástico desplacen a los de silicio en los ordenadores de los consumidores. “Los materiales orgánicos limitan fundamentalmente la velocidad de operación”, explica Genoe. Se espera que los procesadores de plásticos aparezcan en los lugares donde el silicio se ve impedido por su coste o por su inflexibilidad física. El menor coste de los materiales orgánicos utilizados en comparación con el silicio convencional debe hacer el enfoque de plástico alrededor de 10 veces más barato.

“Se puede imaginar un sensor orgánico de gas envuelto alrededor de un tubo de gas que informe sobre las fugas con un microprocesador flexible para eliminar el ruido de la señal”, indica Genoe. La electrónica de plástico también podría permitir el desarrollo de pantallas interactivas desechables que se integrarían en el embalaje, por ejemplo, de los productos de alimentación, continua Genoe. “Sería posible que pudiéramos pulsar un botón para que se sumaran las calorías de las galletas que hemos comido”, explica Genoe.

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