Los componentes electrónicos suelen medir apenas unos pocos nanómetros (milmillonésimas de metro). Según la ley de Moore, por ejemplo, un transistor reduce su tamaño a la mitad cada dos años, lo que permite incluir dos mil millones de transistores en formato nano en el chip de un smartphone. Estos diminutos dispositivos garantizan que el smartphone pueda responder a demandas que cambian constantemente: ser teléfono y cámara, además de cámara de vídeo de alta calidad, motor de búsqueda, monitor personal de salud y entretenimiento. Y, para ello, los componentes deben funcionar con eficiencia energética y poder producirse a bajo coste.
Sin embargo, cuanto más pequeños son los componentes electrónicos, más difícil resulta fabricarlos. A modo de comparación: un glóbulo rojo tiene 7.000 nanómetros de diámetro y un cabello humano, 80.000. Por consiguiente, fabricar un transistor de 20 nanómetros o menos a partir de semiconductores como el silicio no es solo un desafío técnico. Los efectos físicos, los llamados fenómenos de la mecánica cuántica, alteran las propiedades de los materiales a escala nanométrica, lo que complica el trabajo de diseñadores e ingenieros durante el desarrollo y la construcción de nanodispositivos. El profesor de ETH Zurich Mathieu Luisier, del Laboratorio de Sistemas Integrados, ha acudido ahora al rescate.
Predicciones informáticas
Luisier lleva más de diez años perfeccionando un programa informático que simula los transistores del futuro, de apenas unos pocos nanómetros. Cuenta con el apoyo de la supercomputadora de CSCS «Piz Daint», que ayuda a predecir qué ocurre cuando cambian la composición, la forma y el tamaño de los materiales en el nanomundo. Para Luisier, «Piz Daint» es actualmente la máquina de simulación mejor y más eficiente en la búsqueda de nuevas combinaciones ideales de materiales. El trabajo del profesor de ETH Zurich ha despertado gran interés en la industria, ya que las simulaciones ahorran tiempo y costes de experimentación durante el desarrollo de componentes electrónicos nuevos y eficientes.
Uno de los problemas de colocar miles de millones de transistores convencionales en un solo chip es que generan una enorme cantidad de calor y se sobrecalientan con facilidad. Esto se debe a que los electrones liberan energía al atravesar el transistor. Luisier y su equipo utilizan OMEN, su software —un llamado simulador cuántico—, para simular el transporte de electrones a escala atómica y estudiar exactamente qué ocurre. El transistor simulado está formado por un nanocable de cristales de silicio. «Cuando los electrones fluyen por el cable, al principio tienen una cantidad constante y elevada de energía, que disminuye gradualmente y es absorbida por la red cristalina del silicio en forma de los llamados fonones», explica Luisier. La interacción entre electrones y fonones calienta el cristal, mientras que la energía total se conserva; para los investigadores, esto demuestra que su modelo reproduce correctamente el proceso. El objetivo ahora es construir el transistor basándose en los resultados obtenidos mediante las simulaciones, de modo que los electrones pierdan la menor cantidad de energía posible en su recorrido.
Experimentar con cristales
Por un lado, los investigadores pueden «jugar» con el orden de los distintos niveles cristalinos del cristal y modificar su estructura, o sustituir el silicio por otro material semiconductor en sus simulaciones. Por otro, pueden comprobar las funcionalidades y las distintas propiedades de los cristales simulados. Por ejemplo, los investigadores simularon un nanocable cuyo canal está rodeado por un óxido y un contacto metálico (puerta). Los fonones emitidos por los electrones quedan «atrapados» eficazmente en el canal y solo pueden salir de la estructura por ciertos puntos: el principio y el final del nanocable. «Si se sustituye la envoltura alrededor del cable por una estructura que se asemeje a la letra omega, se obtiene una zona mayor por la que pueden escapar los fonones», afirma Luisier. Si, además, esa zona está en contacto directo con un segmento de refrigeración, el transistor se calienta menos. Los semiconductores también generarían menos calor si estuvieran hechos de materiales como arseniuro de indio y galio o germanio, porque estos permiten que los electrones se desplacen más rápido. Sin embargo, son mucho más caros que el silicio.
Durante las simulaciones, los investigadores producen las estructuras diseñadas átomo por átomo. Al igual que en el método convencional llamado «ab initio», que se utiliza ampliamente para analizar las propiedades de los materiales, en las simulaciones del equipo de Luisier también se resuelve la ecuación de Schrödinger. Esto les permite estudiar cómo interactúan los electrones y los fonones.
Sin embargo, hay dos diferencias principales: mientras que el método ab initio resuelve el movimiento ondulatorio de los electrones en un sistema cerrado o periódicamente repetitivo, el grupo de Luisier complementa el método con condiciones de contorno abiertas, lo que permite simular el transporte. Así, los científicos pueden observar tanto los flujos de electrones como las corrientes térmicas, y describir la conexión con el entorno: la interacción del flujo de electrones con las corrientes térmicas. Otra diferencia es que actualmente los cálculos con OMEN se realizan sobre la base de modelos empíricos, ya que los modelos «ab initio» siguen siendo demasiado complejos y requieren demasiados recursos computacionales.
Computación de alto rendimiento
Sin embargo, se están desarrollando nuevos algoritmos en un proyecto colaborativo de PASC con científicos de la Università della Svizzera italiana y EPF Lausanne para hacer más eficientes los cálculos. «A medio plazo, queremos sustituir todos los modelos empíricos por modelos ab initio para poder calcular con mayor facilidad y precisión estructuras hechas de distintos materiales», afirma Luisier. «Por eso necesitamos algoritmos optimizados y máquinas como Piz Daint».
No obstante, Luisier subraya que, hasta donde él sabe, el enfoque empírico de su equipo está más a la vanguardia que nunca en el desarrollo de nanocomponentes electrónicos. Otro de los focos de investigación de su grupo es la simulación de baterías de iones de litio. «Si comprendemos con mayor precisión cómo se genera el calor en los transistores o las baterías, podremos proponer mejores diseños», afirma Luisier. «OMEN es un simulador de componentes de nueva generación, en el que los ingenieros utilizan conceptos que nunca antes se habían empleado en la ciencia de los materiales, la química o la física».
Este artículo se publica en colaboración con ETH Zurich. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde estas opiniones.
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Autor: Simone Ulmer es colaboradora de ETH Zurich.
Imagen: El 9 de enero de 2007 se exhibe una oblea de 12 pulgadas en Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), en Xinchu. REUTERS/Richard Chung.
