Los transistores basados en nanotubos de carbono lograron por primera vez superar en pruebas de laboratorio la capacidad conductiva de los transistores de silicio. Esto significa que, además de utilizarse para fabricar los chips de memoria NRAM (cosa que la empresa Fujitsu ya está a punto de hacer), los nanotubos estarían prácticamente en condiciones de utilizarse para construir CPUs y GPUs.
Existe un consenso general de que los circuitos en los chips de silicio dejarán de empequeñecerse cuando los transistores alcancen 5 nanómetros (nm). Dado que no falta tanto para ese hito, la industria está desde hace tiempo destinando esfuerzos para investigar nuevos materiales con capacidad para escalar por debajo de los 5 nm.
Los nanotubos de carbono prometen tomar la posta y continuar escalando más allá del límite del silicio, pero hasta ahora no han podido salir de los laboratorios debido a barreras económicas y tecnológicas; barreras que los investigadores van superando una a una.
¿QUÉ SON LOS NANOTUBOS DE CARBONO?
Los nanotubos de carbono (CNT, carbon nanotubes) fueron descubiertos en el año 1991, iniciando una nueva era en la ciencia de los materiales. Las estructuras de los CNT presentan propiedades electrónicas, magnéticas y mecánicas sorprendentes. Los CNT son 100 veces más fuertes que el acero con sólo ⅙ de su peso, por lo que las fibras de nanotubos son capaces de endurecer prácticamente cualquier material. Pueden conducir calor y electricidad mucho mejor que el cobre. En la actualidad se utilizan en polímeros para controlar o mejorar la conductividad, y también se emplean en los materiales utilizados en envases anti estática.
Un CNT es básicamente una microscópica lámina de grafeno que se enrolla formando un tubo con diámetro de escala nanométrica. La unión entre los átomos que forman un CNT es tan fuerte que los tubos pueden lograr relaciones de aspecto extremas. Un CNT individual puede tener un grosor de unos pocos nanómetros y una longitud de cientos de micrones. Si un cabello humano tuviera las mismas propiedades, podría alcanzar los 40 metros de largo.
Los CNT presentan diferentes estructuras que varían en longitud, grosor y número de capas. Sus características pueden variar en función de cómo se enrolle la lámina que forma el tubo, provocando que actúe como un metal o como un semiconductor. La capa de grafito que compone el nanotubo tiene el aspecto de un rollo de alambrado de gallinero con entramado hexagonal continuo y moléculas de carbono en las aristas de los hexágonos.
PROCESADORES DE NANOTUBOS
La Universidad de Wisconsin-Madison anunció que pudo crear transistores basados en CNT que superan a los transistores tradicionales de silicio y de arseniuro de galio al transportar casi el doble de corriente. Los investigadores destacaron el hecho de que, por primera vez, los transistores basados en CNT lograron superar al silicio en condiciones operativas reales.
El equipo de investigación, liderado por los profesores Michael Arnold y Padma Gopalan, consiguió que los transistores de CNT soportaran una corriente 1,9 veces superior a la de los transistores de silicio. Los investigadores informaron sus avances en un paper publicado en septiembre pasado en la revista Science Advances.
“Este logro ha sido un sueño de la nanotecnología por los últimos 20 años”, señaló Arnold. “Conseguir transistores de nanotubos de carbono que superaran a los de silicio es un gran hito. Este logro en performance es un avance crítico hacia la explotación de nanotubos de carbono en lógica, comunicaciones de alta velocidad y otras tecnologías basadas en electrónica de semiconductores”.
El avance logrado por los investigadores podría allanar el camino para que los transistores de CNT reemplacen a los de silicio y continúen aportando las mejoras de performance que necesita la industria de la computación y que exigen los consumidores. Los nuevos transistores resultan particularmente prometedores para tecnologías de comunicación inalámbrica que requieren una gran cantidad de corriente fluyendo a lo largo de áreas relativamente pequeñas.
LIMPIANDO LOS NANOTUBOS
Los CNT constituyen el material con mayor conductividad eléctrica conocido hasta ahora, y los investigadores aseguran que un único CNT puede desempeñarse cinco veces más rápido, y con cinco veces menos energía, que un transistor convencional de silicio.
Las mediciones de performance de los nanotubos son impresionantes, pero la pequeña escala a la que se pretende llegar con este material hace difícil (es decir, costoso) cumplir con una parte del proceso que consiste en filtrar impurezas. Una mínima impureza metálica puede limitar seriamente la performance del transistor, por ejemplo, causando un cortocircuito en el nanotubo.
Para filtrar las impurezas metálicas, los investigadores crearon una nueva técnica que emplea polímeros para crear un material base con menos de 0,1 por ciento de contenido metálico.
Otro desafío consiste en disponer los nanotubos uniformemente en hileras cohesivas. Para ello los investigadores aplicaron una técnica que consigue que los nanotubos se alineen al colocarlos sobre una oblea de 1 pulgada cuadrada. Para ser económicamente viable, el proceso deberá ser capaz de aplicarse a obleas de mayor superficie que esa.
Si los investigadores consiguen superar esos desafíos, el hallazgo tendría un impacto sumamente tangible en prácticamente todos los dispositivos que se usan en la actualidad y que se usarán en el futuro. No sólo podrán crearse chips más potentes, sino también equipos con mayor duración de las baterías y comunicaciones inalámbricas más veloces.
NRAM Y EL DEBUT DE LOS NANOTUBOS
Mientras que en el terreno de los procesadores se espera con ansias que los nanotubos salgan de los laboratorios y entren a las líneas de producción, los chips de memoria basados en este material son prácticamente un hecho. Fujitsu anunció recientemente el licenciamiento de la tecnología CMOS de la empresa Nantero para procesar CNT y llevar a sus memorias NRAM a la instancia de producción masiva hacia 2018.
NRAM es una tecnología flexible que los fabricantes pueden usar para producir memorias o productos de almacenamiento. El real atractivo de los CNT empieza con las velocidades de la memoria, sumado al hecho de que el material puede guardar los datos sin necesidad de suministro eléctrico. Los nanotubos pueden cambiar de estado en billonésimas de segundo, aunque las interfaces DRAM limitan la performance, situando la velocidad en un rango superior a los 5 nanosegundos.
La capacidad de persistencia de los nanotubos se asemeja a la de otras tecnologías novedosas, como 3D XPoint, ReRAM y PCM, pero Nantero informa que NRAM ofrece una mayor performance que la competencia. Además brindaría una mayor durabilidad, dado que, según informa la empresa, ha sido testeada durante un billón de ciclos. Los ingenieros de Nantero dejaron de testear en ese punto, por lo que no se conoce un límite para la durabilidad de la nueva memoria.
Al introducir altas temperatura en la ecuación de durabilidad, los testeos indican que la NRAM es capaz de almacenar datos por más de 1.000 años a 85°C y más de 10 años a 300°C.
La tecnología NRAM actualmente almacena un bit por celda. Sin embargo, al variar el voltaje se logra que algunos grupos de nanotubos se toquen entre sí, mientras que otros no establecen contacto. Esto presenta la capacidad de soportar múltiples bits por celda (al igual que la memoria flash NAND MLC y TLC), cosa que incrementa la densidad.
Nantero también considera la posibilidad de apilar varias capas de memoria en chips tridimensionales. Al igual que la NAND, la memoria NRAM puede escalar en términos de densidad a través de reducciones de tamaño del proceso litográfico o de arquitecturas 3D de múltiples capas. También se considera la posibilidad de utilizar TSV (through-silicon vias) para crear paquetes de memoria de alta densidad, semejantes a los diseños de HBM (high-bandwidth memory) o HMC (hybrid memory cube).
LEY DE MOORE PARA SIEMPRE
Durante la conferencia ISC 2016 en Frankfurt, Alemania, Intel presentó los desafíos que la industria de semiconductores enfrenta a medida que la Ley de Moore y el escalamiento Dennard (Dennard Scaling, teoría que indica que la performance por watt de los chips aumenta exponencialmente a medida que éstos aumentan en cantidad de transistores) parecen expirar. Tal como lo mostró la presentación de Intel, los índices de consumo energético, frecuencia de reloj y performance por thread comenzaron a alcanzar un punto de estabilidad en 2010. La densidad de transistores muestra una tendencia semejante.
Se estima que el final de los avances importantes en los mencionados índices ocurrirá alrededor del año 2020, lo cual implica que el silicio está llegando a su límite. Existen otras iniciativas en curso, tales como computación cuántica, pero no se espera que se materialicen en el futuro próximo.
Los CNT bien podrían ser el material que tome la posta y permita continuar la evolución de los chips, pero la demostración llevada a cabo por los investigadores de la Universidad de Winsconsin-Madison está lejos de ser un proyecto terminado. La velocidad de un transistor de nanotubos es cinco veces mayor que la de uno de silicio, pero las estructuras que lo rodean (como por ejemplo las interconexiones), limitan ese potencial. Las interconexiones y los aislantes se están volviendo cada vez más un desafío, a medida que los procesos litográficos se empequeñecen. Es por eso que, si bien los investigadores patentaron la tecnología que permite que los transistores de CNT superen a los de silicio, no hicieron ninguna predicción acerca de cuándo estos transistores verán la luz en productos comerciales.
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