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La solución high-k

Por: Mark T. Bohr, Robert S. Chau, Tahir Ghani y Kaizad Mistry

Publicado: Viernes, 4/4/2008 - 9:36  | 4146 visitas.

Imagen: Agencias / Internet
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Los chips de Intel basados en la tecnología de proceso CMOS de 45 nanometros más reciente, tendrán más transistores y operarán a mayor velocidad y a menor temperatura que los microprocesadores fabricados con la generación de proceso anterior, de 65 nm.
Éste es un adelanto bienvenido pero no necesariamente es una “gran” noticia, ¿cierto? Después de todo, la densidad de transistores en los chips se ha venido duplicando periódicamente, como lo anticipa la Ley de Moore, por más de 40 años. Los primeros chips Penryn serán procesadores dual-core con más de 400 millones de transistores o bien procesadores quad-core con más de 800 millones de transistores. Usted podría pensar que estos chips no representan nada más que otro punto de referencia en la inexorable marcha de la Ley de Moore.

Pero estaría equivocado; los chips no habrían sido posibles sin un adelanto trascendental en la forma en que construimos un componente clave de los transistores infinitesimales contenidos en esos chips, llamado “pila de compuerta”. El problema básico que tuvimos que superar fue que hace unos años se nos acabaron los átomos. Literalmente.

Para aferrarnos a la curva de la Ley de Moore, necesitamos reducir a la mitad el tamaño de los transistores, más o menos cada 24 meses. La física determina que las partes más pequeñas de esos transistores deberían disminuir en un factor de 0.7. Pero existe una parte crítica del transistor que notamos no se puede reducir más. Es la delgada capa de aislante de dióxido de silicio (SiO2) que aísla eléctricamente la compuerta del transistor del canal a través del cual circula corriente cuando el transistor está encendido. Esa capa aislante se ha hecho más delgada y se ha reducido de tamaño con cada nueva generación, más o menos 10 veces tan sólo desde mediados de la década de 1990. Dos generaciones antes de Penryn, esa capa aislante se había reducido a escasos cinco átomos de espesor.

No podríamos reducirla ni siquiera una décima de nanómetro más (un átomo de silicio tiene 0.26 nm de diámetro). Más importante aún, con un espesor de cinco átomos, la capa aislante era ya un problema, ya que desperdiciaba energía permitiendo el paso de electrones. Sin una innovación significativa, la industria de los semiconductores estaba en peligro de toparse con el temido “aguafiestas”, el problema insuperable por tanto tiempo esperado que pondría fin a la era de aumentos exponenciales periódicos de desempeño de la Ley de Moore en memorias, microprocesadores y otros chips (y los buenos tiempos se habrían ido con él).

La solución a esta crisis implicaba engrosar la capa aislante con más átomos, pero de un tipo diferente, para conferirle mejores propiedades eléctricas. Esta nueva capa aislante funciona lo suficientemente bien para detener la lluvia de electrones que consumen energía y que ha plagado los chips avanzados en los últimos cuatro años. Si la Ley de Moore se desintegra en el futuro previsible, no será debido a una capa aislante de compuerta inadecuada. Gordon Moore, cofundador de Intel y creador de la Ley de Moore, llamó a las alteraciones que hicimos para lanzar al mercado esta generación más reciente de chips “el cambio más grande en la tecnología del transistor” desde finales de la década de 1960

Hallar el nuevo aislante fue difícil, sin embargo ésa fue sólo la mitad de la batalla. El objetivo del aislante es separar la compuerta de silicio del transistor del resto del dispositivo. El problema es que una compuerta de silicio no funcionaba con el nuevo material aislante. Los primeros transistores producidos con ellas tenían peor desempeño que los transistores anteriores. La respuesta era agregar otro nuevo material a la mezcla, reemplazando la compuerta de silicio por una metálica.

Quizá no parezca gran cosa cambiar los materiales que se usan en un transistor, pero en realidad sí lo fue. La industria sufrió un cataclismo importante hace varios años cuando cambió de interconexiones de aluminio a las de cobre y (al mismo tiempo) de revestimiento de SiO2 para esas interconexiones a dieléctricos “low-k” químicamente similares. Y esos cambios no tuvieron nada que ver con el transistor mismo. No se ha escuchado mucho acerca de un cambio fundamental en la composición del transistor. La combinación de la compuerta y el aislante, la pila de la compuerta, no ha cambiado de forma significativa desde que Moore, Andrew S. Grove y otros la describieron en octubre de 1969.

Así que cuando vuelva a encender su computadora y se sorprenda por la velocidad con la que procesa codificación de video, recuerde esto: hay más cosas nuevas en su equipo que en cualquier otra computadora que haya tenido.

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