Investigadores del MIT han desarrollado un innovador método de fabricación que promete revolucionar la eficiencia energética de la electrónica al permitir apilar múltiples componentes funcionales sobre un circuito existente. Este enfoque busca reducir el desperdicio energético durante los procesos computacionales, una problemática común en los circuitos tradicionales.
En los circuitos convencionales, los dispositivos lógicos, como los transistores, y los dispositivos de memoria se construyen como componentes separados. Esto obliga a que los datos viajen constantemente entre ellos, lo que resulta en un considerable consumo energético. Sin embargo, con esta nueva plataforma de integración electrónica, los científicos pueden fabricar transistores y dispositivos de memoria en una única pila compacta sobre un chip semiconductor. Esta innovación no solo elimina gran parte de la energía desperdiciada, sino que también incrementa la velocidad de procesamiento.
Nuevos materiales para una era más eficiente
El avance radica en un material recientemente desarrollado que presenta propiedades únicas y un método de fabricación más preciso, lo que reduce el número de defectos en el material. Gracias a esto, los investigadores han logrado crear transistores extremadamente pequeños con memoria integrada que operan más rápido y consumen menos electricidad que los dispositivos actuales.
La mejora en la eficiencia energética de estos dispositivos electrónicos podría ser crucial para mitigar el creciente consumo eléctrico asociado a aplicaciones exigentes como la inteligencia artificial generativa, el aprendizaje profundo y las tareas de visión por computadora. Según Yanjie Shao, investigador postdoctoral en el MIT y autor principal de dos estudios sobre estos nuevos transistores: “Debemos minimizar la cantidad de energía utilizada para la IA y otros cálculos centrados en datos en el futuro porque simplemente no es sostenible”.
Revolucionando la estructura del chip
Los chips CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) tradicionales cuentan con una parte frontal donde se fabrican componentes activos como transistores y capacitores, y una parte trasera compuesta por interconexiones metálicas que conectan diferentes elementos del chip. Sin embargo, este diseño implica pérdidas energéticas cuando los datos se trasladan entre estas conexiones.
Los investigadores del MIT han invertido este problema al desarrollar una técnica de integración que permite apilar componentes activos en la parte trasera del chip. “Si podemos utilizar esta plataforma trasera para incluir capas activas adicionales de transistores, no solo interconexiones, eso aumentaría significativamente la densidad de integración del chip y mejoraría su eficiencia energética”, explica Shao.
Optimización del proceso de fabricación
Utilizando un nuevo material llamado óxido indio amorfo, los investigadores han creado una capa activa para sus transistores traseros. Este material permite “cultivar” una capa extremadamente delgada a aproximadamente 150 grados Celsius sin dañar el dispositivo en la parte frontal. Además, han optimizado el proceso de fabricación para minimizar defectos en esta capa delgada.
A través de este proceso perfeccionado, han conseguido producir transistores diminutos que operan rápidamente y requieren menos energía para alternar entre estados encendido y apagado. Asimismo, han fabricado transistores traseros con memoria integrada que miden apenas 20 nanómetros. Para ello, incorporaron un material llamado hafnio-zirconio-ferroelectric, logrando velocidades de conmutación impresionantes.
Perspectivas futuras en electrónica avanzada
A medida que avanzan en esta investigación, los científicos también colaboraron con un equipo de la Universidad de Waterloo para desarrollar un modelo del rendimiento de estos transistores traseros. Este paso es fundamental antes de integrar dichos dispositivos en circuitos electrónicos más grandes.
De cara al futuro, su objetivo es combinar estos transistores con memoria trasera dentro de un único circuito e investigar cómo controlar más finamente las propiedades del hafnio-zirconio-ferroelectric. “Ahora podemos construir una plataforma versátil de electrónica en la parte posterior del chip que nos permita lograr alta eficiencia energética y diversas funcionalidades en dispositivos muy pequeños”, concluye Shao.
Este trabajo cuenta con apoyo parcial de Semiconductor Research Corporation (SRC) e Intel, siendo realizado en las instalaciones del MIT Microsystems Technology Laboratories y MIT.nano.
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