De los Bits a los Cubits. La industria de los semiconductores está viviendo una transformación

 

De los Bits a los Cubits. La industria de los semiconductores está viviendo una transformación

 

El transistor como unidad base de microprocesadores

 

Conceptos básicos

El calor en un transistor durante los estados de corte y saturación se origina por la disipación de potencia, debido a que los componentes reales no son interruptores perfectos y presentan pequeñas corrientes o voltajes residuales.

En el corte, el transistor está apagado y funciona como un interruptor abierto.

En este caso la corriente que pasa de colector a emisor es casi cero (solo una pequeña corriente de fuga). El voltaje entre el colector y el emisor es alto.

En este estado, al multiplicar un voltaje alto por una corriente casi nula, la potencia disipada es mínima. El calor en este estado es casi imperceptible.

 

En la saturación, el transistor está completamente encendido y funciona como un interruptor cerrado.  El circuito deja pasar la máxima corriente permitida por la carga.

El voltaje entre colector y emisor cae a un valor muy pequeño (conocido como Vce(sat)), a veces unas décimas de voltio). En este estado  se multiplica la corriente alta por ese pequeño voltaje residual. Esto produce una disipación de potencia baja, lo que genera una cantidad moderada de calor por el efecto Joule en la unión del semiconductor.

La unidad básica de todo microprocesador es el transistor, cada micro posee millones de este dispositivo. El mismo funciona como un interruptor, cerrado – abierto, es decir 0 – 1 en lenguaje binario. Un ejemplo teórico es:

 

En la práctica, en esa transición de cerrado a abierto (0-1), y viceversa,  hay un consumo de energía que se disipa al medio ambiente en forma de calor. El calor disipado será mayor en la medida que transistor conmute, cambie de estado, mayor cantidad de veces por unidad de tiempo (frecuencia). La frecuencia en un microprocesador es la velocidad a la que la unidad ejecuta ciclos u operaciones básicas. En una PC, por ejemplo,  la frecuencia del micro está limitada por la imposibilidad de evacuar del equipo solo por ventilación,  el calor generado. Lo expresado queda en evidencia en forma de fórmula, referida al circuito anterior:

 

 El problema se vuelve muy complejo cuando se necesita mucha más velocidad de procesamiento sobre sistemas que contienen millones de transistores, como es el caso de los microprocesadores.

 

La industria de los semiconductores está viviendo una transformación

La industria de los semiconductores está viviendo una revolución para reemplazar o complementar al silicio tradicional. El objetivo principal es encontrar materiales con mayor movilidad de electrones y menor resistencia interna en conducción.

Menor resistencia significa que el transistor disipa menos energía en forma de calor por el efecto Joule, logrando circuitos mucho más eficientes, fríos y rápidos.

 Por ejemplo:

1. Materiales comerciales de "Banda Prohibida Ancha" (WBG)

Ya no son solo experimentos d elaboratorio, están transformando la electrónica de potencia actual. Tienen una resistencia interna drásticamente menor que el silicio a voltajes altos.

Nitruro de Galio (GaN): Es el rey de la eficiencia en fuentes de alimentación y cargadores rápidos (como los de laptops y teléfonos modernos). Su altísima movilidad de electrones permite canales mucho más delgados con una resistencia interna mínima, lo que reduce las pérdidas por conducción.

Carburo de Silicio (SiC): Utilizado masivamente en inversores para vehículos eléctricos y paneles solares. Soporta voltajes extremos y temperaturas muy altas con una resistencia en estado de encendido bajísima en comparación con el silicio clásico.

 

2. Materiales ultra finos y bidimensionales (2D)

Para microprocesadores de computadoras y servidores (donde los transistores miden pocos nanómetros), se investigan materiales que mantienen una resistencia ultra baja a escala atómica, superando los límites físicos del silicio.

 Disulfuro de Molibdeno (MoS2): Es un material semiconductor de solo un átomo de espesor. En investigaciones recientes de la Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung y TSMC, se ha logrado rediseñar las interfaces a nivel atómico (de apenas 0.42 nanómetros) para derribar la resistencia de contacto y mantener un flujo de electrones óptimo.

Grafeno y Nanotubos de Carbono: Aunque el grafeno por sí mismo no tiene una "banda prohibida" natural para apagarse por completo, se utiliza combinado con otros materiales o en forma de nanotubos para crear canales de conductividad balística, donde la resistencia interna es prácticamente despreciable.

Disulfuro de Tungsteno (WS2): Otro semiconductor 2D bajo intensa experimentación (por ejemplo, en investigaciones de la Universidad de Stanford) que ha demostrado multiplicar por más de 100 la densidad de corriente gracias a la drástica reducción de la resistencia en sus contactos metálicos.

 3. Semiconductores del Grupo III-V

Arseniuro de Indio y Galio (InGaAs): Estos compuestos ofrecen una movilidad electrónica muy superior a la del silicio. Se están optimizando para transistores de frecuencias extremadamente altas (como telecomunicaciones 6G y terahercios) buscando reducir al mínimo los efectos resistivos parásitos que degradan la señal.

 Al usar estos materiales, la caída de voltaje interna disminuye cuando el transistor está saturado. Como la potencia disipada es (P = I^2 * R), reducir la resistencia interna (R) a una fracción de lo que exige el silicio permite que los dispositivos modernos procesen mucha más energía sin requerir disipadores de calor gigantescos.

 

Estas nuevas composiciones se aplican a microprocesadores

Con una distinción muy importante, los microprocesadores (las "CPU" y "GPU" de computadoras, servidores e inteligencia artificial) siguen un camino tecnológico completamente diferente al de los cargadores o autos eléctricos. El silicio tradicional llegó a su límite físico.

 Por ello, gigantes de la industria como TSMC, Intel, Samsung y centros de investigación como Imec han estructurado la hoja de ruta de los microprocesadores de la siguiente manera:

 1. El gran salto: Materiales bidimensionales (2D) para 2030

En los microprocesadores, el problema no es manejar altos voltajes, sino meter miles de millones de transistores en un espacio microscópico sin que la resistencia eléctrica de contacto destruya el chip.

 El silicio ya no funciona bien a escalas inferiores a 1 nanómetro. Existe una  solución en desarrollo: Los materiales 2D, específicamente los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) como el Disulfuro de Molibdeno (MoS₂) y el Disulfuro de Tungsteno (WS₂).

 TSMC, junto con ASML (fabricante de las máquinas de litografía más avanzadas del mundo) e Imec, firmaron una alianza para llevar los chips de materiales 2D a la producción en masa para el año 2031. Estos materiales sustituirán los canales de silicio actuales, disminuyendo drásticamente la resistencia interna a escala atómica.

 2. El cambio inmediato en microprocesadores actuales (2025-2026)

Antes de cambiar el semiconductor completo (el silicio), la industria está cambiando los metales de los contactos internos de los microprocesadores porque se han vuelto el principal cuello de botella de resistencia.  Compañías como Applied Material han introducido sistemas para reemplazar los contactos de tungsteno tradicionales por metales como el molibdeno. Esto reduce de golpe la resistencia eléctrica en el enlace crítico entre el transistor y los cables de cobre del chip, bajando el calor en los nodos avanzados de 2 nanómetros.

 3. ¿Qué pasa con el GaN y el SiC? (No van dentro del procesador, sino al lado)

Materiales como el Nitruro de Galio (GaN) y el Carburo de Silicio (SiC) no se usan para fabricar la CPU en sí. Son físicamente imposibles de miniaturizar al nivel de los nanómetros que requiere la lógica computacional compleja.

Sin embargo, ayudan a los procesadores desde fuera de la siguiente manera:

Alimentación en 3D: Investigaciones recientes del MIT han logrado fabricar micro-transistores de GaN colocados directamente encima de un chip de silicio convencional utilizando soldaduras de cobre ultrafinas. El GaN maneja la energía de forma ultraeficiente a nivel microscópico, regulando el voltaje justo antes de que entre a la CPU de silicio, eliminando pérdidas de energía.

 Servidores de Inteligencia Artificial (IA): Los centros de datos de IA actuales consumen megavatios de energía. El GaN y el SiC se aplican de forma masiva en las fuentes de poder que alimentan a los servidores de GPUs, garantizando que llegue energía limpia con una resistencia interna mínima.

 Los microprocesadores actuales (como los de Apple, AMD o Intel de 2nm y 3nm) siguen usando silicio en sus canales, pero modificados con nuevos metales de contacto para bajar la resistencia. El verdadero cambio químico de la CPU ocurrirá hacia 2030-2035, cuando los materiales atómicos 2D (MoS₂) reemplacen por completo al silicio.

 

Qué es un transistor de nanohas   o    Gate-All-Around (GAA)

Un transistor de nanohas o Gate-All-Around (GAA) es la arquitectura de transistores más avanzada del mundo en la fabricación de microprocesadores. Representa la evolución directa de los transistores FinFET que se usaron en la última década.

Su nombre técnico en español suele ser "transistor de nanocintas" o "nanohojas", y su diseño consiste en que la compuerta del transistor rodea por completo al canal por los cuatro lados, logrando un control absoluto sobre el flujo de electrones.

 Para entender su importancia, imagina el transistor como una manguera (el canal por donde pasan los electrones) y una mano que la aprieta (la compuerta que enciende o apaga el flujo de electrones).

1.      El problema del silicio tradicional: A escalas de 3 y 2 nanómetros, las mangueras son tan microscópicas que la "mano" ya no tiene suficiente fuerza para cerrarlas bien. Esto provoca que los electrones se escapen (corrientes de fuga), generando muchísimo calor inútil incluso cuando el procesador debería estar en reposo (modo de corte).

2.      La solución GAA: En lugar de una sola vía, el transistor GAA divide el canal en múltiples nanocintas superpuestas verticalmente. La compuerta envuelve individualmente a cada una de estas cintas por arriba, por abajo y por ambos lados.

Al rodear el canal por completo, la capacidad de detener el paso de corriente es máxima, eliminando las fugas de energía de forma drástica.

 

 Esta tecnología ya no es de laboratorio; es el motor de los procesadores comerciales más potentes del mercado actual:

Samsung (MBCFET): Fue el pionero absoluto al introducir su propia versión de GAA en sus fábricas comerciales para chips de 3 nanómetros.

Intel (RibbonFET): Implementó esta estructura en sus nodos avanzados (como el Intel 18A y 20A) para competir en rendimiento de servidores y computadoras de escritorio.

TSMC (Nanosheet): Adoptó la arquitectura GAA de nanohojas en su producción en masa de 2 nanómetros, utilizándose en los procesadores de última generación para teléfonos de gama alta y aceleradores de Inteligencia Artificial.

  En resumen, el transistor de nanohojas (GAA) es la estructura que ha permitido a la humanidad seguir miniaturizando los microprocesadores y mantener viva la Ley de Moore, reduciendo el calor generado por fugas eléctricas a niveles microscópicos.

(La ley de Moore es una observación empírica formulada por Gordon Moore, cofundador de Intel, que establece que el número de transistores en un microprocesador se duplica aproximadamente cada dos años)

 

La computación cuántica y sus materiales.

La computación cuántica es un campo emergente de la informática y la ingeniería que aprovecha las cualidades únicas de la mecánica cuántica para resolver problemas que van más allá de la capacidad incluso de las computadoras clásicas más potentes.

Las computadoras cuánticas aprovechan específicamente estos fenómenos para acceder a métodos matemáticos que permiten resolver problemas que no están disponibles con la computación clásica por sí sola. La mecánica cuántica es similar al sistema operativo del universo. Una computadora que utiliza principios de la mecánica cuántica para procesar información presenta ciertas ventajas en la modelización de sistemas físicos. Por lo tanto, la computación cuántica es de particular interés para aplicaciones en química y ciencia de los materiales.  La computación cuántica utiliza cúbits basados en materiales avanzados como superconductores y metales de alta pureza para procesar información mediante la física cuántica.

 

 Conceptos claves

Cúbits  ó Bit cuántico): Unidades básicas que pueden ser 0 y 1 al mismo tiempo gracias a la superposición.

Entrelazamiento: Conexión entre cúbits donde el estado de uno afecta al instante al de otro.

Velocidad: Capacidad de realizar múltiples operaciones a la vez de forma masiva.

 

Materiales que se utilizan

Superconductores: Materiales que conducen electricidad sin resistencia a temperaturas cercanas al cero absoluto, usados para construir cúbits estables.

Metales de alta pureza: Elementos como el oro y el cobre con purezas extremas (estándar 5N o 99,999%) para reducir el ruido eléctrico.

Estándar criogénico: Requieren refrigeradores especiales para mantener el hardware operativo frente al calor ambiental.

 Los cúbits superconductores funcionan como circuitos eléctricos a microescala sin resistencia que imitan el comportamiento de un átomo artificial. Al enfriarse a casi -273 °C, la corriente fluye eternamente y permite manipular los estados cuánticos.

 

La unión Josephson

Consiste en dos capas de superconductor separadas por una barrera aislante ultradelgada la misma actúa como un túnel para los electrones emparejados (pares de Cooper). Esta disposición rompe la linealidad del circuito y crea niveles de energía separados y bien definidos.   (Un par de Par de Cooper es una pareja de electrones que se unen a temperaturas muy bajas para permitir el flujo de electricidad sin resistencia)

 Los estados cuánticos (0 y 1):

Estado 0: Es el nivel de menor energía, donde la corriente fluye con un ritmo base.

Estado 1: Es el siguiente nivel de energía superior, activado mediante un pulso de microondas específico.

Superposición: Al enviar un pulso de microondas intermedio, el cúbit se sitúa en los dos estados a la vez.

 

Control y lectura

 Se usan pulsos de microondas de alta precisión para cambiar el estado del cúbit.

Para la lectura, un resonador acoplado mide la frecuencia del circuito para saber si es 0 o 1 sin destruir el estado antes de tiempo. El ecosistema de la computación cuántica basada en cúbits superconductores está liderado principalmente por IBM y Google Quantum AI, acompañados de un sólido grupo de empresas y plataformas en la nube. Estas son las principales corporaciones que utilizan y desarrollan esta tecnología de manera comercial y científica:

 IBM Quantum: Es el jugador más consolidado en la industria. Cuenta con procesadores masivos como Condor (de 1,121 cúbits) y arquitecturas avanzadas como Heron (156 cúbits).

 Google Quantum AI: Enfocados agresivamente en la corrección de errores, operan de forma integrada desde su laboratorio en Santa Bárbara. Su procesador de última generación, Willow (105 cúbits), demostró una asombrosa reducción de errores cuánticos al realizar cálculos ultracomplejos en solo cinco minutos. 

Otras Empresas de Hardware Superconductor

Rigetti Computing: Pioneros en arquitectura híbrida cuántica-clásica, comercializan procesadores basados en cúbits superconductores y ofrecen sus sistemas integrados en las mayores nubes del mercado.

 IQM Quantum Computers: Empresa europea con sede en Finlandia que lidera el desarrollo de hardware superconductor en Europa, diseñando procesadores cuánticos dedicados y personalizados para centros de supercomputación nacionales.

 Alice & Bob: Empresa francesa que utiliza una variante superconductora avanzada conocida como "cúbits de gato" (bosonic cat-qubits), diseñados con resistencia nativa incorporada a ciertos tipos de errores físicos.

 QuantWare y Anyon Systems: Proveedores que se especializan en vender chips y componentes superconductores a terceros para que otras organizaciones puedan ensamblar sus propios sistemas cuánticos.

 

Ricardo Berizzo

Ingeniero Electricista                                                                         2026.-