La edad de la informaci¨®n, al fin reconocida

Dos piezas capitales

?Qu¨¦ es m¨¢s importante, hacer o pensar? ?Qu¨¦ viene antes, la ciencia o la t¨¦cnica? Repasando la historia queda claro que la tecnolog¨ªa casi siempre ha precedido a la ciencia. Pero con su salom¨®nica decisi¨®n de la semana pasada, el Comit¨¦ Nobel de F¨ªsica nos ha recordado que en nuestros d¨ªas ambas est¨¢n unidas simbi¨®ticamente, aliment¨¢ndose una a otra y contribuyendo as¨ª a avances cada vez m¨¢s r¨¢pidos. El Comit¨¦ ha elegido este a?o para el premio a Jack Kilby por la invenci¨®n del circuito integrado, y a Zhores Alferov y Herbert Kroemer por el desarrollo de las heteroestructuras de semiconductores que se usan en comunicaciones.Desde el principio, el prop¨®sito de la Fundaci¨®n Nobel fue premiar el conocimiento ¨²til. El primer galardonado, en 1901, fue R?ntgen por su descubrimiento de los rayos X y en 1909 Marconi y Braun fueron reconocidos por su invenci¨®n de la telegraf¨ªa sin hilos, que conducir¨ªa a la radio. Por supuesto, el concepto de lo ¨²til es cambiante, y lo que hoy es impr¨¢ctico puede dejar de serlo en 10 o 20 a?os. Adem¨¢s, un descubrimiento te¨®rico puede ser tan beneficioso para la humanidad como la invenci¨®n m¨¢s pr¨¢ctica, si a trav¨¦s de ¨¦l nos acercamos, casi toc¨¢ndolas, a las leyes b¨¢sicas de la naturaleza. Tal podr¨ªa decirse de la teor¨ªa de la relatividad, que curiosamente nunca fue reconocida con el premio Nobel. (Por si sirve de consuelo, tampoco lo fue la invenci¨®n del tel¨¦fono, la televisi¨®n, o el desarrollo pr¨¢ctico de la electricidad).

El doble cada dos a?os

Basta mirar alrededor o comparar nuestra vida hoy con la de hace treinta a?os para apreciar el impacto de las tecnolog¨ªas de la informaci¨®n. Es dif¨ªcil, si no imposible, encontrar un aspecto de nuestra civilizaci¨®n que no haya sido profundamente afectado por el ordenador y la telecomunicaci¨®n. El papel esencial del transistor en la primera fase de esta revoluci¨®n fue reconocido tan s¨®lo nueve a?os despu¨¦s de su invenci¨®n (Bardeen, Brattain y Shockley recibieron por ello el premio Nobel en 1956.) Pero sin otras dos piezas capitales, el circuito integrado y la heteroestructura de semiconductores, la Edad de la Informaci¨®n nunca habr¨ªa llegado.Situ¨¦mosnos en 1958. Diez a?os despu¨¦s de su presentaci¨®n al p¨²blico, el transistor es ya un ¨¦xito militar y comercial. Se venden 30 millones de ellos al a?o a unas 200 pesetas cada uno, que se usan en circuitos de hasta varios miles de transistores. El futuro pertenece al transistor bipolar de uni¨®n, en el que un flujo de electrones entre los extremos emisor y colector de un trozo de material semiconductor est¨¢ controlado por una peque?a corriente en la zona central (base).

De este modo, la informaci¨®n codificada como una variaci¨®n en la corriente de base aparece amplificada en la corriente del colector. Por la mayor facilidad para difundir en ¨¦l las impurezas que definen las zonas de la uni¨®n, el silicio empieza a sustituir al germanio como semiconductor preferido. Con t¨¦cnicas de fotolitograf¨ªa parecidas a las empleadas para fabricar circuitos impresos se preparan a la vez cientos de transistores individuales en la misma oblea de material.

Sin embargo, la nueva electr¨®nica es v¨ªctima de su propio ¨¦xito y hay problemas para hacer realidad las predicciones de los visionarios, que hablan incluso de ordenadores totalmente transistorizados. El camino hacia una mayor miniaturizaci¨®n se ve bloqueado por la complejidad creciente de los circuitos, en los que el n¨²mero de componentes electr¨®nicos (transistores, diodos, resistores y capacitores) y de las conexiones entre ellos crece enormemente. En este escenario aparecen dos j¨®venes ingenieros, Jack Kilby, un gigant¨®n de dos metros que acaba de llegar a los laboratorios de Texas Instruments en Dallas, y Robert Noyce, un afable optimista que ha fundado con Gordon Moore la compa?¨ªa Fairchild Semiconductors al sur de San Francisco.

En un brote de inspiraci¨®n, Kilby concibi¨® el modo de miniaturizar los circuitos fabricando resistores y capacitores en el mismo trozo de silicio que los transistores. A nadie en su sano juicio "se le habr¨ªa ocurrido preparar entonces todos esos componentes a partir de un semiconductor, que, adem¨¢s de no ser el mejor material para ello, era incre¨ªblemente caro," dir¨ªa Kilby a?os m¨¢s tarde.

Menos de dos meses despu¨¦s de su idea original, Kilby la demostr¨® experimentalmente con un primitivo circuito integrado de germanio, formado por un transistor, un resistor y un diodo que hac¨ªa las veces de capacitor, conectados entre s¨ª con hilos de oro. A los diez d¨ªas ya ten¨ªa un circuito con dos transistores. Los meses siguientes fueron de progreso vertiginoso, mejorando la manera de definir y grabar en la superficie del material los componentes individuales. Mientras tanto, en Fairchild, donde se hab¨ªa empezado a usar el ¨®xido de silicio para proteger del ambiente las uniones de los transistores y as¨ª mejorar su funcionamiento, la carrera hacia la miniaturizaci¨®n se centr¨® en simplificar las conexiones entre los dispositivos.

Noyce ide¨® la manera de usar las t¨¦cnicas de litograf¨ªa para hacer diminutos agujeros en el ¨®xido de silicio y luego depositar sobre ¨¦l delgadas l¨ªneas de aluminio con las que conectar el¨¦ctricamente los componentes del circuito. A partir de ah¨ª no fue dif¨ªcil encontrar el modo de fabricar numerosos dispositivos en el mismo trozo de material. Para entonces las t¨¦cnicas de preparaci¨®n de semiconductores hab¨ªan alcanzado tal madurez que, como dir¨ªa con humildad el mismo Noyce, "si la invenci¨®n no hubiera occurrido en Fairchild, habr¨ªa ocurrido en otro laboratorio poco despu¨¦s". Noyce, uno de los padres del Valle del Silicio, muri¨® en 1990.

En 1961 Texas Instruments anunci¨® un peque?o ordenador con 587 circuitos integrados, cada uno de ellos del tama?o de un grano de arroz y con una docena de componentes. El poder de c¨¢lculo del nuevo ordenador era el mismo que el de uno convencional formado por circuitos impresos, 150 veces mayor y 150 veces m¨¢s pesado. En 1971 se invent¨® en Intel -otra compa?¨ªa fundada por Moore y Noyce- el microprocesador, que albergaba un ordenador completo en un ¨²nico circuito formado por 2.300 transistores.

Desde entonces, el n¨²mero de componentes y la capacidad de procesar informaci¨®n de los circuitos integrados se ha doblado aproximadamente cada dos a?os (ley de Moore) y el precio por transistor ha disminu¨ªdo exponencialmente. Hoy en d¨ªa un microprocesador Pentium III en un ordenador de uso diario contiene unos 20 millones de transistores; un circuito de memoria, hasta diez veces m¨¢s. Con una peseta se podr¨ªan comprar cientos de transistores, que puestos en filas cabr¨ªan en el grueso de un cabello.La ley de Moore probablemente se seguir¨¢ cumpliendo en los pr¨®ximos diez a?os, aunque a costa de f¨¢bricas cada vez m¨¢s caras. Pero no es ¨¦ste el ¨²nico obst¨¢culo en el hasta ahora imparable avance de la electr¨®nica. Problemas en los materiales y en los procesos de miniaturizaci¨®n por debajo de las 0,12 micras y, finalmente, los mismos l¨ªmites f¨ªsicos exigir¨¢n, antes o despu¨¦s, ideas y t¨¦cnicas radicalmente diferentes a las actuales.

Tambi¨¦n muy distinta de las de su ¨¦poca fue la her¨¦tica idea de Herbert Kroemer, al proponer en 1957 un transistor bipolar de heteroestructuras, formado por dos o m¨¢s materiales diferentes, y predecir, tras un an¨¢lisis detallado, que estos nuevos transistores funcionar¨ªan a m¨¢s velocidad que los convencionales de silicio. Kroemer hac¨ªa poco que trabaja-ba en los laboratorios RCA de Princeton; seg¨²n me cont¨® una vez, hab¨ªa salido clandestinamente de Alemania Oriental y por aquel entonces desconoc¨ªa una patente de Shockley en que, de pasada, se mencionaba la misma idea.

Seis a?os despu¨¦s Kroemer hizo otra atrevida propuesta, usar heteroestructuras para construir un l¨¢ser de semiconductores capaz de funcionar a temperatura ambiente. El diodo l¨¢ser basado en el semiconductor arseniuro de galio hab¨ªa sido demonstrado en 1962, pero era tan ineficiente que s¨®lo funcionaba de manera pulsada o a temperaturas por debajo de cien grados bajo cero.

En una doble heteroestructura, razonaba Kroemer, en las regiones donde se unen los dos materiales se crea un campo el¨¦ctrico que en el caso del transistor dar¨ªa lugar a una mayor corriente y facilitar¨ªa una menor resistencia en la base. En el l¨¢ser, el campo confinar¨ªa mejor los electrones y as¨ª ceder¨ªan m¨¢s eficientemente su energ¨ªa en forma de luz, la cual ser¨ªa guiada a lo largo del material central. Con estas propiedades ser¨ªan posibles transistores m¨¢s r¨¢pidos y l¨¢seres con menor consumo de energ¨ªa. Al mismo tiempo que Kroemer, e independiente de ¨¦l, Zhores Alferov, del Instituto Ioffe de St. Petersburgo, propon¨ªa un l¨¢ser de heteroestructuras basado en el mismo principio.

La inexistencia en aquel momento de la tecnolog¨ªa para fabricar heteroestructuras de suficiente calidad hac¨ªa imposible llevar a la pr¨¢ctica las ideas de Kroemer y Alferov. Pasar¨ªan siete a?os hasta que se desarrollaran esas t¨¦cnicas y se hiciera realidad, por primera vez en el Instituto Ioffe y en los Laboratorios Bell, el diodo l¨¢ser de heteroestructuras funcionando a temperatura ambiente. Fue precisamente la magia de la intens¨ªsima luz roja que emanaba de ese dispositivo min¨²sculo la que me atrajo en 1971 al mundo de los semiconductores; mi primer proyecto -que nunca llegu¨¦ a terminar- como aprendiz de cient¨ªfico fue fabricar un l¨¢ser de heteroestructuras usando las ideas de Kroemer y Alferov.

Conoc¨ª a ambos a principios de la d¨¦cada de los ochenta, cuando los transistores y l¨¢seres de heteroestructuras empezaban a usarse comercialmente. Kroemer segu¨ªa predicando con celo misionero las excelencias de las heteroestructuras de semiconductores. Alferov era uno de los pocos cient¨ªficos sovi¨¦ticos que pod¨ªa viajar al extranjero solo. Hoy, adem¨¢s de director del Instituto Ioffe y vicepresidente de la Academia de Ciencias, es miembro del parlamento ruso.

Las ideas pioneras de Kroemer y Alferov son no s¨®lo el fundamento de los transistores que se usan en telefon¨ªa m¨®vil y comunicaciones espaciales, y de los dispositivos optoelectr¨®nicos empleados en las comunicaciones for fibras ¨®pticas. Esas ideas y las tecnolog¨ªas que las plasmaron est¨¢n sirviendo adem¨¢s para explorar nuevos conceptos -entre ellos el de ordenador cu¨¢ntico- con los que superar la barrera a que nos conducir¨¢ el ¨¦xito sin precedentes del circuito integrado de Kilby y Noyce.

Emilio M¨¦ndez es profesor de la Universidad de Nueva York en Stony Brook. Ha recibido recientemente el Premio Internacional de Dispositivos Cu¨¢nticos por sus trabajos pioneros en heteroestructuras de semiconductores.