Nanotubos de carbono: ?el sustituto del silicio?

El silicio ha sido desde los a?os 70 un material imprescindible para la fabricaci¨®n de microprocesadores de ordenadores, m¨®viles y muchos otros dispositivos electr¨®nicos. Mientras que el mercado demanda cada vez procesadores m¨¢s avanzados, los transistores de silicio tienen una capacidad limitada para permitir determinados avances en la electr¨®nica. Este hecho ha impulsado en los ¨²ltimos a?os la investigaci¨®n de nuevos materiales. En este contexto, un equipo de cient¨ªficos ha desarrollado un procesador de 16 bits con unos 14,000 transistores de nanotubos de carbono (CNT), seg¨²n una investigaci¨®n publicada este mi¨¦rcoles la revista Nature.

Los autores probaron su microprocesador, llamado RV16X-NANO, y ejecutaron con ¨¦xito un programa que produce el mensaje: ¡°?Hola, mundo! Soy RV16XNano, hecho de CNT". ¡°Esta investigaci¨®n muestra que la realizaci¨®n de microprocesadores basados en transistores sin silicio es factible, superando importantes limitaciones pr¨¢cticas de los transistores de nanotubos de carbono¡±, explica Cristiano Giuffrida, investigador ajeno al estudio del grupo VUSec en la Universidad VU Amsterdam.

Hasta el momento, los defectos intr¨ªnsecos y la variabilidad han limitado la aplicaci¨®n de estos peque?os cilindros de ¨¢tomos de carbono en sistemas a gran escala. ¡°Las CNT sufren varias imperfecciones sustanciales que han hecho que la construcci¨®n de sistemas reales y de trabajo en el pasado sea inviable¡±, cuenta Max Shulaker, coautor del estudio del Instituto de Tecnolog¨ªa de Massachusetts (MIT).

Pero el equipo de investigaci¨®n del que forma parte ha conseguido dise?ar y construir un microprocesador CNT con m¨¦todos que superan los desaf¨ªos anteriores asociados al uso de nanotubos de carbono. Estos procedimientos incluyen un proceso de exfoliaci¨®n que evita que los nanotubos se agrupen en agregados ¡ªlo que puede evitar que los transistores funcionen correctamente¡ª.

Los autores probaron su microprocesador, llamado RV16X-NANO, y ejecutaron con ¨¦xito un programa que produce el mensaje: ¡°?Hola, mundo! Soy RV16XNano, hecho de CNT"

Adem¨¢s, los autores del estudio utilizaron nanotubos semiconductores con una pureza del 99,99%. Por lo tanto, solo el 0,01% de los nanotubos usados eran met¨¢licos y pod¨ªan haber puesto en peligro los circuitos. ¡°Siempre hay una fracci¨®n de nanotubos met¨¢licos, pero ha habido progreso: inicialmente, un tercio era met¨¢lico, m¨¢s tarde el 99% y ahora el 99,99%¡±, explica Kreupl.

Shulaker considera que ¡°la belleza de este trabajo fue que todo lo realizado ¡ªdise?o, procesamiento, software, etc.¡ª es compatible con lo que ya se ha hecho para los chips de silicio en la actualidad¡±: ¡°Por lo tanto, no tiene que reinventar la rueda, una consideraci¨®n incre¨ªblemente importante al considerar la viabilidad de adoptar nuevas tecnolog¨ªas¡±.

Eficiencia energ¨¦tica

Los microprocesadores desarrollados con esta tecnolog¨ªa pueden reducir notablemente el consumo de energ¨ªa. El coautor del estudio y profesor de la Universidad T¨¦cnica de M¨²nich, Franz Kreupl, explica que si los circuitos se construyeran con CNT en lugar de silicio, solo se necesitar¨ªa una d¨¦cima parte de la energ¨ªa utilizada.

Como los nanotubos son mucho m¨¢s eficientes energ¨¦ticamente, tienen menos necesidad de refrigeraci¨®n. As¨ª lo afirma Ferm¨ªn S¨¢nchez-Carracedo, profesor del departamento de Arquitectura de Computadores de la Universidad Polit¨¦cnica de Catalu?a: ¡°Esto permitir¨ªa ¡°construir chips con encapsulados m¨¢s peque?os y, por lo tanto, dispositivos mucho m¨¢s peque?os. Tambi¨¦n se conseguir¨ªa ¡°m¨¢s potencia de c¨¢lculo en los dispositivos port¨¢tiles como tel¨¦fonos, relojes¡­¡±.

S¨¢nchez-Carracedo destaca el hecho de que los investigadores hayan conseguido un procesador de 16 bits con solo 14.000 transistores. ¡°Hay que pensar que los primeros microprocesadores de 16 bits ten¨ªan m¨¢s del doble de transistores ¡ª29.000 transistores el Intel 8086 en 1978, y 68.000 transistores el Motorola 68000 en 1979¡ª. Esta reducci¨®n ha sido posible porque los autores han usado librer¨ªas comerciales para construir los componentes del microprocesador¡±, afirma. Estas librer¨ªas ¡°no exist¨ªan a finales de los 70 y por eso los microprocesadores de esa ¨¦poca necesitaban m¨¢s transistores¡±.

No obstante, en la actualidad ¡°la tecnolog¨ªa de fabricaci¨®n de nanotubos est¨¢ en sus comienzos, por lo que no puede competir en este momento con la del silicio, que tiene m¨¢s de 50 a?os de vida¡±. ¡°Es un paso necesario, pero a¨²n est¨¢ muy lejos de poder convertirse en un producto comercial¡±, sostiene.

En la misma l¨ªnea se posiciona Giuffrida, que sostiene que se se trata de ¡°un prototipo de investigaci¨®n a peque?a escala y limitado¡±. En comparaci¨®n con el silicio, afirma que se trata de una tecnolog¨ªa menos madura, con problemas de degradaci¨®n y mayores costes de producci¨®n.

Las pr¨®ximas investigaciones de este equipo se centrar¨¢n en abordar estas limitaciones y trabajar con la industria para intentar transferir los avances del laboratorio acad¨¦mico al ¨¢mbito comercial. ¡°Esperamos que alg¨²n d¨ªa, los CNT se utilicen en muchas aplicaciones diferentes. Y no necesitamos desechar lo que ya funciona hoy en d¨ªa: los CNT tambi¨¦n pueden complementar a los transistores de silicio", afirma Shulaker.

Pese a que los nanotubos de carbono se presentan como un posible sustituto del silicio, a¨²n no est¨¢ claro qu¨¦ nanotecnolog¨ªa lo reemplazar¨¢. De hecho, hay diversas investigaciones en marcha. Por ejemplo, un grupo de investigaci¨®n del CSIC trabaja con el procesamiento ¨®ptico o de semiconductores fot¨®nicos. ¡°M¨¢s cerca parece la tecnolog¨ªa de fabricaci¨®n en 3D¡±, seg¨²n S¨¢nchez-Carracedo. Intel ya ha sacado memorias con esa tecnolog¨ªa al mercado, y compa?¨ªas como TSMC han confirmado que estar¨¢n listos para producir chips 3D en masa en 2021. El profesor subraya que no hay que olvidar el grafeno, ¡°un material que tiene un ¨¢tomo de anchura y con ¨¦l tambi¨¦n se podr¨ªan construir nanotubos¡±. La Comisi¨®n Europea impuls¨® hace unos a?os un programa para encontrar aplicaciones comerciales a este material.