El primer programa de investigación está destinado a la llamada tecnología de silicio “7 nanómetros y más allá”, que abordará los graves desafíos físicos que amenazan las técnicas de escalabilidad de los semiconductores actuales y se consideran un obstáculo para la fabricación de estos chips. El segundo programa se dedica al desarrollo de tecnologías alternativas para chips de la era post-silicio al emplear enfoques diferentes, considerados necesarios por los científicos de IBM y otros expertos en vista de las limitaciones físicas de los semiconductores de silicio. 

Las aplicaciones de Cloud (Nube) y Big Data (grandes volúmenes de datos) están planteando  nuevos desafíos para los sistemas, justo cuando la tecnología de chip enfrenta numerosos e importantes límites a nivel físico. Es así como el ancho de banda para la memoria, la comunicación de alta velocidad y el consumo de energía de los dispositivos, son cuestiones cada vez más críticas. 

Científicos de IBM Research e ingenieros de Albany y Yorktown (Nueva York), Almaden (California) y Zurich (Suiza) serán parte de los equipos que trabajarán en estos proyectos. En particular, IBM invertirá activamente en áreas emergentes de investigación que ya se encuentran en marcha, como nanoelectrónica de carbono, fotónica de silicio, nuevas tecnologías de memoria y arquitecturas que dan soporte a la computación cuántica y cognitiva. 

Estos equipos de trabajo se enfocarán en proveer inmensas mejoras en el desempeño de los sistemas y en computación energética eficiente. Además, IBM seguirá invirtiendo en las ciencias ‘nano’ y la computación cuántica: dos áreas de la ciencia fundamental en las que IBM es compañía pionera desde hace más de tres décadas. 

Tecnología de 7 nanómetros y más allá

Los investigadores de IBM y otros expertos en semiconductores predicen que, si bien presentan desafíos, los semiconductores muestran la promesa de progresar desde la escala de 22 nanómetros (nm) de hoy a los 14 nm y luego 10 nm en los próximos años. Sin embargo, para llevar su escala a los 7 nm y tal vez a menores dimensiones para fines de la década se requerirán inversiones e innovaciones significativas en arquitecturas de semiconductores, además de la invención de nuevas herramientas y técnicas de fabricación. 

“La cuestión no es si introduciremos la tecnología de 7 nanómetros en la fabricación de chips, sino cómo, cuándo y a qué costo lo haremos”, señaló John Kelly, vicepresidente senior de IBM Research. “Los ingenieros y científicos de IBM, junto con nuestros asociados, están muy bien preparados para este desafío y ya están trabajando en la ciencia de materiales e ingeniería de dispositivos necesarias para satisfacer los exigentes requisitos de sistemas emergentes para entornos cloud, big data y sistemas cognitivos. Con esta nueva inversión, nos aseguraremos de producir las innovaciones necesarias para enfrentar esos desafíos”. 

“Llevar la escala a 7 nm y más allá plantea un desafío difícil. Requiere una profunda especialización en física y materiales a nanoescala. IBM se encuentra entre el reducido grupo de empresas en el mundo que han demostrado repetidamente ser capaces de alcanzar este nivel de ciencia e ingeniería”, dijo Richard Doherty, director de tecnología de Envisioneering Group. 

El puente hacia una era “Post-Silicio”

Los transistores de silicio, diminutos conmutadores que transmiten información en un chip, se han vuelto año tras año cada vez más pequeños, pero están llegando a un punto de limitación física. Sus dimensiones cada vez menores, que ahora llegan a la nanoescala, impedirán mejoras de desempeño debido a la naturaleza del silicio y las leyes de la física. Dentro de unas pocas generaciones más, la escalabilidad y reducción clásicas ya no generarán beneficios en la misma  magnitud en términos de procesador relacionados con menor energía, menor costo y mayor velocidad a los que la industria está acostumbrada. 

Debido a que casi todos los equipos electrónicos hoy están construidos sobre tecnología de semiconductor complementario de óxido metálico (complementary-symmetry metal–oxide–semiconductor, CMOS), existe una necesidad urgente de nuevos materiales y diseños de arquitectura de circuitos compatibles con este proceso de ingeniería, conforme la industria de tecnología se acerca a los límites de la escalabilidad física del transistor de silicio. 

Más allá de los 7 nanómetros, los desafíos aumentan drásticamente, y se requiere un nuevo tipo de material para alimentar los sistemas del futuro, así como nuevas plataformas de cómputo para resolver problemas difíciles de resolver hoy. Las alternativas potenciales incluyen nuevos materiales, tales como nanotubos de carbono, y enfoques del tipo computación neuromórfica y computación cuántica.

Como líder en esquemas avanzados que apuntan más allá de la computación tradicional basada en silicio, IBM posee más de 500 patentes y solicitudes de patentes para tecnologías que impulsarán avances en silicio de 7 nm y más allá  - más del doble que el competidor más cercano. Estas inversiones continuas acelerarán la invención e introducción en el desarrollo de productos para los sistemas de cómputo muy diferenciados de IBM para Cloud, Big Data y Analytics. 

Diversas innovaciones en investigación exploratoria que podrían llevar a grandes avances en la creación de chips de computadora mucho más pequeños, veloces y potentes, incluyen entre otros a la computación cuántica, la computación neurosináptica, la fotónica de silicio, los nanotubos de carbono, los transistores de baja energía y el grafeno. 

Computación cuántica 

La partícula de información más básica que una computadora típica puede comprender es un bit. Así como una luz puede encenderse o apagarse, un bit puede tener sólo uno de dos valores: “1” ó “0”. En el caso del bit cuántico o “qubit”, puede tener un valor de “1” ó “0”, además de ambos valores al mismo tiempo. Esta propiedad, conocida como superposición, es lo que permite a las computadoras cuánticas realizar millones de cálculos al mismo tiempo. 

Las propiedades especiales de los qubits permitirán a las computadoras cuánticas filtrar millones de soluciones al mismo tiempo, mientras que las PCs de escritorio tendrán que considerarlas de una a la vez. 

IBM es líder mundial en la ciencia de computación cuántica basada en qubits superconductores, pionera en los campos de la información cuántica experimental y teórica, los cuales todavía están en la categoría de ciencia fundamental, pero en el largo plazo pueden permitir la solución de problemas que hoy son imposibles o imprácticos de resolver utilizando las máquinas convencionales. El equipo recientemente demostró la primera realización experimental de la verificación de paridad con tres qubits superconductores, lo cual constituye un bloque de construcción esencial para un tipo de computadora cuántica. 

Computación neurosináptica 

Reuniendo la nanociencia, neurociencia y supercomputación, IBM y universidades asociadas desarrollaron un ecosistema de principio a fin que incluye una arquitectura novedosa, distinta del paradigma de Von Neumann, un nuevo lenguaje de programación, así como aplicaciones. Esta novedosa tecnología permite sistemas de cómputo que emulan la eficiencia computacional del cerebro, su tamaño y consumo de energía. El objetivo de largo plazo de IBM es construir un sistema neurosináptico con 10 mil millones de neuronas y cien mil millones de sinapsis, todo con un consumo de tan sólo un kilowatt de energía y en un espacio de menos de dos litros de volumen. 

Fotónica de silicio 

IBM es pionero desde hace más de 12 años en el área de fotónica de silicio integral CMOS, una tecnología que integra funciones para comunicaciones ópticas en un chip de silicio, y el equipo IBM recientemente diseñó y fabricó el primer transductor del mundo basado en fotónica de silicio monolítico, con multiplexión de división de longitud de onda. Dichos transductores utilizarán la luz para transmitir datos entre distintos componentes en un sistema de computación a altas velocidades de datos, bajo costo y con eficiencia de energía. 

La nanofotónica de silicio aprovecha los pulsos de luz para la comunicación en lugar del cableado de cobre tradicional, y ofrece una superautopista para grandes volúmenes de datos, a fin de lograr altas velocidades entre los chips en servidores, grandes centros de cómputo y supercomputadoras, lo cual contrarresta las limitaciones causadas por las congestiones del tráfico de datos y las interconexiones tradicionales de alto costo. 

Las empresas están ingresando a una nueva era de la computación que requiere que los sistemas procesen y analicen, en tiempo real, enormes volúmenes de información, lo que se conoce como Big Data. La tecnología nanofotónica de silicio ofrece respuestas a los desafíos Big Data, mediante la conexión transparente de diversas partes de grandes sistemas, ya sean que se encuentren a centímetros o a algunos kilómetros de distancia entre sí, y traslada terabytes de datos a través de pulsos de luz por fibra óptica. 

Nanotubos de carbono 

Los investigadores de IBM están trabajando en el área de electrónica de nanotubos de carbono (CNT) y explorando si los CNT pueden reemplazar al silicio, más allá del nodo de 7 nm. Como parte de sus actividades para desarrollar circuitos CMOS VLSI basado sobre nanotubos de carbono, IBM demostró recientemente –por primera vez en el mundo- compuertas CMOS NAND de dos vías que utilizan transistores de nanotubos de carbono de longitud de compuerta de 50 nm. 

IBM también demostró la capacidad de purificar los nanotubos de carbono a 99.99%, las purezas más altas (verificadas) demostradas a la fecha, y transistores a una longitud de canal de 10 nm que muestran que no hay degradación debido a escalamiento; esto es inigualable por cualquier otro sistema de material a la fecha. 

Los nanotubos de carbono son láminas atómicas simples de carbono enrolladas en un tubo. El nanotubo de carbono forma el núcleo de un dispositivo transistor que funcionará en forma similar al transistor de silicio actual, pero con mejor desempeño. Podría utilizarse para reemplazar a los transistores en chips que alimentan servidores de procesamiento de datos, computadoras de alto desempeño y teléfonos inteligentes ultrarrápidos. 

Los transistores de nanotubos de carbono pueden operar como conmutadores a dimensiones moleculares de menos de 10 nm, lo cual equivale a dimensiones 10,000 veces más finas que un cabello humano, con menos de la mitad del tamaño que la tecnología líder de silicio. El modelado integral de los circuitos electrónicos sugiere que es posible obtener una mejora aproximada de cinco a diez veces en el desempeño, frente a circuitos de silicio. 

Grafeno

El grafeno es una sustancia formada de carbono puro en forma de una lámina de un átomo de espesor. Es un conductor excelente del calor y la electricidad, y también es notablemente fuerte y flexible. Los electrones pueden moverse en el grafeno hasta 10 veces más rápido que en los materiales semiconductores utilizados generalmente, como silicio y silicio germanio. Por sus características, ofrece la posibilidad de construir transistores de conmutación más veloz de lo que era posible obtener con semiconductores convencionales, particularmente para aplicaciones en el negocio de terminales de comunicaciones inalámbricas, donde será un conmutador más eficiente que los que se usan en la actualidad. 

Recientemente, en 2013, IBM demostró el primer frente de receptor de circuito integrado basado en grafeno para comunicaciones inalámbricas. El circuito constaba de un amplificador de dos etapas y un conversor hacia abajo que funciona a 4.3 GHz.

Invenciones históricas 

Las contribuciones históricas de IBM a la innovación en silicio y semiconductores incluyen la invención y/o la primera implementación de DRAM de única celda, la “teoría de escalamiento de Dennard” que sustenta la “ley de Moore”, fotorresistores químicamente amplificados, el cableado de interconexión de cobre, el silicio sobre aislante, la ingeniería forzada, los microprocesadores de múltiples núcleos, la litografía de inmersión, el silicio germanio de alta velocidad (SiGe), la dieléctrica de compuerta Alta-K, DRAM incorporada, stacking de chips 3D y los aislantes de brecha de aire. 

Los investigadores de IBM también son conocidos por haber iniciado la era de los nano-dispositivos, después de la invención, merecedora de un premio Nobel, del microscopio de túnel de barrido, que habilitó la invención y la innovación a escala nano y atómica.

“En los próximos 10 años los sistemas de computación serán fundamentalmente diferentes en cuanto nuestros ingenieros y científicos logren sobrepasar los límites de las innovaciones del semiconductor para explorar el futuro del post-silicio”, dijo Tom Rosamilia, Vicepresidente Senior de Systems and Technology Group de IBM. “Los equipos de Investigación y Desarrollo de IBM están creando innovaciones revolucionarias que alimentarán la próxima era de los sistemas de computación”.

IBM también seguirá financiando y colaborando con investigadores universitarios para explorar y desarrollar las tecnologías futuras para la industria de semiconductores. En particular, IBM seguirá apoyando y financiando la investigación universitaria a través de alianzas público-privadas tales como NanoElectronics Research Initiative (NRI) y Semiconductor Advanced Research Network (STARnet), y Global Research Consortium (GRC) de Semiconductor Research Corporation.  Redacción C21