Un xip a vista d'ocell s'assembla a Manhattan: així funciona

Si ho sobrevolem, un xip sembla una ciutat en miniatura d'esbalaïdora regularitat en forma de quadrícules de diferents colors. De fet, eixa manera de dissenyar-los es coneix com a Manhattan, i és que un xip no deixa de ser una ciutat per als electrons.

Els xips solen estar encapsulats per a la seua manipulació i protecció. La millor opció per a veure un xip és tirar mà d'una targeta bancària amb ‘xip’ caducada. Estes targetes tenen una zona daurada de, més o menys, un centímetre quadrat. Això no és el xip en si, sinó els contactes a través dels quals el lector de targetes accedix al xip.

Doblegant lleugerament la targeta i fent alçaprem amb l'ungla pot desprendre's eixa zona daurada, i sota ella descobrirem el xip: un cuadradito d'entre un i dos mil·límetres de costat. El seu aspecte és d'allò més anodí, però conté una gran màgia que només pot apreciar-se sota el microscopi (i no qualsevol microscopi).

Per què funciona?

Demos diversos passos #arrere… quasi fins al Big bang. En la naturalesa es donen cita quatre forces fonamentals, i una d'elles és igualment fonamental per a esta història. No és la gravetat, ni les dos forces nuclears (forta i feble) que possibiliten l'existència dels nuclis dels àtoms (permeten a la matèria ‘ser’). Es tracta de la força electromagnètica que s'origina entre càrregues elèctriques i que “funciona” tant en les distàncies curtes com en les llargues.

En les tales, completa els àtoms amb els electrons que envolten als seus nuclis. En les llargues, ens permet comunicar-nos amb ones electromagnètiques.

Els electrons, la capa més externa dels àtoms, són els responsables de les interaccions entre ells, creant molècules i agregacions de les mateixes (permetent a la matèria “estar” i relacionar-se).

Eixes interaccions, de naturalesa electromagnètica, donen origen a bona part dels fenòmens físics que ens envolten, també als químics i, per extensió, als biològics… Som pols d'estreles i electromagnetisme. I d'electromagnetisme es valen els xips.

En el món inorgànic

Quan els àtoms s'agreguen per a formar un material, els electrons més externs dels mateixos es col·lectivitzen, i eixos electrons podran moure's amb major o menor llibertat en resposta a estímuls elèctrics. Si ho fan amb facilitat, el material és conductor; si no poden fer-ho, ho considerem aïllant. Si no és ni una cosa ni l'altra, estem enfront d'un semiconductor.

Eixe punt mitjà, i sobretot la possibilitat de modular la seua conductivitat (normalment a l'alça, dopant-ho, literalment, amb altres àtoms que li xuten un plus d'electrons), el convertixen en un material instrumental per a la micro i nanoelectrónica. On hi ha possibilitat de canvi, hi ha sempre joc.

Materials semiconductors hi ha varis, però el que ha donat lloc a la tecnologia que hi ha darrere de més del 90 % dels productes micro i nanoelectrónicos és el silici.

La ciutat

Electrònica ve d'electró, per descomptat. Dona nom a la disciplina que permet controlar l'electricitat (ja siga com a vector energètic o d'informació) usant la pròpia electricitat mitjançant components (resistències, condensadors, díodes, transistors…) fets a partir d'eixos materials de distinta conductivitat i que de l'una o l'altra forma influïxen sobre un corrent elèctric. Els circuits electrònics originals es componien d'eixos elements discrets que es muntaven un a un, soldant els seus dos o tres aneguetes, en plaques de circuit imprés.

Eixes plaques, de major o menor grandària, seguixen presents en qualsevol aparell electrònic. Hui dia, podem veure en elles xicotets daus negres amb múltiples potes, a més d'alguns d'eixos components discrets. Eixe alt nombre de potes (entrades i eixides de senyals) dona pistes que en el seu interior s'amaga no un component sinó una cosa més complexa.

El circuit i els seus daus

I el que eixe interior amaga és un xip, un dau semiconductor en el qual s'ha fabricat l'equivalent a un circuit imprés amb els seus corresponents elements individuals i les seues connexions internes, però miniaturitzat i integrat. Un circuit dins d'un circuit, un poc com les nines russes.

“Donat” és una paraula enganyosa en este context. El “dau” semiconductor d'un circuit integrat és un quadrat amb una grandària de costat que oscil·la entre algun mil·límetre o algun centímetre i un gruix de no més d'un mil·límetre.

A la vista queda que l'apel·latiu micro o nano no ve de la grandària del xip, sinó que té a veure amb la dimensió lateral mínima que s'és capaç de definir en el seu interior durant la fabricació del circuit integrat.

Cal tindre en compte que un xip “gran” pot contindre de l'orde de mil milions d'elements (alguna cosa semblança a la població de la Xina) en el seu interior.

El límit de lo xicotet

Amb el pas del temps, la dimensió mínima s'ha anat reduint regular i progressivament. En els anys 70 era d'unes 10 micres i ara està entorn dels 5 nanòmetres. Per a fixar idees, un cabell humà té unes 60 micres de gruix, una micra és la grandària d'un bacteri mitjà i l'espai entre els dos brins helicoidals de l'ADN és d'uns tres o quatre nanòmetres.

Cada nova generació tecnològica (o node, en argot microelectrònic) ve definida pel valor d'eixa dimensió mínima. I aproximadament cada dos anys es reduïx perquè el nombre d'elements que es poden integrar en un xip, i per tant la complexitat del que pot fer, es duplique: és el que es coneix com Llei de Moore, que sembla estar arribant al seu límit.

L'aparició d'un nou node tecnològic no implica la desaparició dels anteriors. De fet, més del 80 % dels xips es fabriquen amb tecnologies d'eixos nodes madurs, però la fabricació del 100 % dels productes capdavanters sí que migra als nodes avançats.

El resultat: el nostre Manhattan en miniatura és cada vegada és més avançat, més diminut i més eficient. I això només acaba de començar.

Luis Antonio Fonseca Chácharo, Research Professor in the field of Microelecronics, Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation.