El circuito integrado: la tecnología que cambió nuestra vida

15 Abr 2016
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

1. Antecedentes: el cuello de botella del transistor
Al poco tiempo de aparecer en el mercado el transistor, cuya historia he descrito en un reciente artículo publicado en este mismo blog, este dispositivo se reveló como el sustituto fiable y seguro de la válvula de vacío, tanto tiempo añorado y buscado, y se convirtió rápidamente en la clave para el funcionamiento de productos comerciales de electrónica de consumo, centralitas telefónicas, los primeros ordenadores, etc. Al incorporarse a estos últimos, pronto se vio que se necesitaban fabricar cada vez más reducidos de tamaño. En efecto, cuando se empezaron a diseñar ordenadores de gran complejidad, enseguida se vio que se necesitaba cada vez un mayor número de transistores, por lo que reducir su tamaño se convirtió en una prioridad. Y ahí es donde el transistor estuvo a punto de morir de éxito, al poco de nacer, puesto que había un límite en cómo de pequeño se podía hacer cada uno, debido a que después había que conectarlos entre sí para que funcionaran y miles de transistores juntos necesitaban cientos de miles de cables de interconexión. Imposible e inviable prácticamente, ya que los transistores tenían un tamaño que estaba en el límite de lo que las manos y las pinzas con las que se manipulaban podían manejar.

Algunos científicos empezaron a pensar que la solución pasaba por hacer todo el circuito y sus componentes (transistores, resistencias, condensadores e interconexiones entre ellos) en una única pieza de semiconductor. Pensaron acertadamente que si todos los elementos del circuito se pudieran hacer en un solo bloque, todas las partes se podrían hacer mucho más pequeñas, con lo que se podrían realizar equipos electrónicos de gran complejidad, de tamaños compactos y fiables en su funcionamiento. Esa solución es lo que hoy día conocemos como Circuito Integrado (en lo que sigue, CI). Describo a continuación la historia de la invención y su posterior desarrollo [1].

2. 1958: el año en que nació en Circuito Integrado
La idea del CI la tuvieron, de manera independiente y casi simultánea, dos científicos de dos empresas rivales: Jack Kilby (Texas Instrument) y Robert Noyce (Fairchild Semiconductors). En julio de 1958, a poco de entrar a trabajar en Texas Instruments, Jack Kilby imaginó que todas las partes de un circuito electrónico y no sólo el transistor, podrían ser fabricadas sobre una misma pieza de silicio, con lo que todo el circuito en su conjunto sería más pequeño y más fácil de realizar. El 12 de septiembre, Kilby ya había construido un prototipo y en febrero del año siguiente, Texas Instruments presentó una patente del mismo, al que denominó “Circuito Sólido”.

En enero de 1959, Robert Noyce, uno de los fundadores de Fairchild Semiconductors, tenía ideas parecidas a las de Kilby, también se dio cuenta de que todo un circuito electrónico podría hacerse en una pieza única de semiconductor. Además, Noyce incidió especialmente en cómo conectar los elementos entre sí, aspecto que Kilby había dejado de lado en su invención. A la idea de Noyce la denominaron “Circuitos Unitarios” y también solicitaron una patente. Como estaban al corriente de la patente de Texas Instrument, escribieron una muy detallada, con la esperanza de no infringir la de Texas Instrument. La imagen muestra los dispositivos ideados por Kilby y por Noyce:

Primeros CI

Izquierda: Circuito Sólido, el invento de Kilby; contenía un transistor, una resistencia y un condensador. La esquina inferior derecha muestra el dispositivo a tamaño real (~1,5 cm). Derecha: Circuito Unitario de Noyce; incorporaba 4 transistores y 5 resistencias. Las líneas que surcan la superficie son finas pistas metálicas de aluminio depositadas en la superficie que permiten conectar los componentes del circuito entre sí. El diámetro es similar al de una moneda de 2 euros (~2,5 cm)

El 25 de abril de 1961, la oficina de patentes de EEUU concedió la primera patente para un CI a la invención de Robert Noyce mientras que todavía mantuvo bajo análisis la solicitud de Kilby, aunque fue la que se presentó en primer lugar. La historia posterior fue un litigio por la autoría original de la invención que duró años, hasta que ambas compañías decidieron compartir sus tecnologías y durante un breve tiempo, fueron los líderes del mercado de los CIs. La fundación en 1968 de Intel Corporation propició un cambio de liderazgo, liderazgo que dicha empresa mantiene en la actualidad.

Hoy en día toda la comunidad científica reconoce a Kilby y Noyce la autoría del CI, que es como los denominamos desde entonces. Kilby recibió el Premio Nobel de física del año 2000, galardón que no pudo obtener también Noyce al haber fallecido en 1990.

3. Desarrollo del Circuito Integrado: la ley de Moore
El CI experimentó un desarrollo sin precedentes en los siguientes años, impulsado principalmente por el programa espacial y la industria militar de los EEUU. En efecto, en 1961 Fairchild Semiconductors comercializó su primer CI, que se instaló en las calculadoras del ejército de los EEUU y en 1962, Texas Instrument comercializó el suyo, que se instaló en aviones de la fuerza aérea del mismo país y en el sistema de guía de los misiles Minuteman, uno de los programas de armamento más costosos de la historia militar.

Fruto de estos avances motivados por la Guerra Fría, se fabricaban CIs cada vez más complejos y con mayor número de transistores. Si los primeros CIs integraban unas pocas decenas de transistores, muy pocos años después ya se comercializaban CIs con miles y decenas de miles y hoy día, hay CIs con miles de millones de transistores. El aumento del número de transistores por CI sigue desde entonces una tendencia conocida como Ley de Moore, debida al científico Gordon Moore que la enunció en fecha tan temprana como 1965. Dicha ley constata que el número de transistores que tiene un CI se duplica cada dos años. La figura muestra dicha evolución:

ley-de-moore1
Ley de Moore. Se muestran procesadores de la marca Intel para ilustrar como la cumplen los CI de mayor implantación en el mercado de los ordenadores. La escala vertical es logarítmica.

4. Los Circuitos Integrados en la actualidad
Aumentar de manera tan descomunal en número de transistores en un CI ha sido posible gracias al gran desarrollo que ha experimentado su proceso de fabricación; la tecnología microelectrónica ha incorporado procedimientos que recuerdan parcialmente a la fabricación en cadena de los automóviles, de manera que sobre una única oblea semiconductora de silicio, se replican simultáneamente un gran número del mismo circuito completo. Este procedimiento consiste en esencia en la impresión de múltiples patrones geométricos en la superficie del silicio, que permiten definir cada uno de los dispositivos que lo integran, seguido de un depósito selectivo de diversos materiales aislantes y conductores, para interconectar adecuadamente entre sí los distintos componentes del CI, pasos que se repiten sucesivamente gran número de veces hasta completar el CI [2].

La incorporación de cada vez mayor número de transistores en un chip de un tamaño de muy pocos centímetros cuadrados, lleva aparejado reducir las dimensiones de cada transistor a unos valores asombrosamente reducidos. La figura muestra una oblea semiconductora con los CIs fabricados en ella, así como imágenes obtenidas por microscopía electrónica de dos transistores como los que incorpora cada uno de los CI:

Imagen1 (4)

Izquierda: Oblea de silicio de 30 cm. de diámetro, con 118 CI. Derecha: imágenes de los dos tipos de transistores que componen un CI moderno (Bipolar y MOSFET)
1 nm = 0,000000001m.

La reducción del tamaño de los transistores en los CIs, así como el desarrollo de la tecnología de su fabricación, tiene consecuencias de toda índole, tanto en el coste como en sus prestaciones. Si los CI se fabricaran de forma individual, su precio sería prohibitivo, pero el procedimiento de fabricación descrito permite abaratar los costes unitarios drásticamente, de forma que si un transistor costaba a finales de los años 50 del orden de 100 € (a precios actuales), hoy día los CIs más complejos, con miles de millones de transistores en su interior, tienen unos precios del orden de 1000 €, con lo que el coste de cada transistor es insignificante.

Para hacerse una idea de lo que supone la reducción del tamaño de los transistores, tanto en su precio como en alguna de sus prestaciones, se puede establecer una comparación con lo que habría sucedido si los automóviles hubieran experimentado una evolución similar en su tamaño y características a la de los CIs. La tabla lo muestra:

Imagen1

Valores de velocidad, peso y precio que tendría un automóvil en la actualidad si hubieran evolucionado de manera similar a como lo han hecho los CIs. Fuente: Elaboración propia; el Seat 600 se empezó a fabricar en 1957, un año antes que el CI; su precio esta actualizado al día de hoy.

Todo indica que la ley de Moore está llegando a su final, debido a la imposibilidad física de construir transistores más pequeños que los actuales; pero esto no significa que el progreso en los CI se vaya a detener, basta con pensar en la industria aeronáutica y en lo que ha sucedido con los aviones militares en los últimos 50 años. El F-22 Raptor, el avión de combate más avanzado de la fuerza aérea de los EEUU, alcanza una velocidad máxima similar a la del F-104 Starfigther, caza que se incorporó al arsenal de ese país en 1958, pero son aviones radicalmente diferentes: aviónica, materiales de construcción, prestaciones en vuelo, etc. Con los CI pasará algo parecido, la innovación continuará sin ninguna duda, pero será más matizada y compleja.

En la actualidad, los circuitos integrados se utilizan en toda clase de equipos electrónicos y han revolucionado campos tales como las comunicaciones, proceso de datos, imagen, medicina, etc. Encontramos CIs en ordenadores (de mesa o portátiles), tablets, teléfonos móviles, Televisores, CD, DVD, Blu-ray, equipos de diagnóstico médicos (TAC, RMN), automóviles, control de tráfico aéreo (Radar), etc. Toda esta revolución ha sido posible gracias al enorme desarrollo y los bajos costes de los CI. La sinergia entre CI y algunas aplicaciones específicas, principalmente ordenadores personales y telefonía móvil ha propiciado un desarrollo simultáneo, de manera que unos y otras son inconcebibles e inseparables entre sí.

La industria microelectrónica mueve cientos de miles de millones de dólares al año y los principales fabricantes del mudo se localizan principalmente en EEUU y Asia:

Imagen2

Ranking y ventas de los diez primeros fabricantes del mundo de CIs, en miles de millones de dólares. Fuente: IC insigths. La facturación de los diez es similar al PIB de Portugal.

Para finalizar, una comparación que ilustra la “población” de transistores que tiene un CI: el país más densamente poblado de la Tierra es Mónaco, con 2 km² de extensión y 36.000 habitantes, lo que supone 18.000 personas/km². El Intel Core i7, chip que está incorporado a los ordenadores más recientes, es un cuadrado de 3,75 cm de lado (poco más de 14 cm² de superficie) y contiene 1.170 millones de transistores, es decir, unos 85 millones de transistores/cm² [3]. ¿Realmente Mónaco está muy poblado?
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[1] Al Circuito Integrado también se le conoce con el nombre de “chip”. En este artículo, mantendré la denominación original.

[2] La clave para replicar el mismo CI gran número de veces sobre la superficie de una oblea de silicio es una técnica denominada fotolitografía. El lector interesado puede consultar este artículo para conocer los detalles de la misma.

[3] Datos del Intel Core i7 980x, con 6 núcleos.


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