Los chips informáticos autoensamblados del futuro

Los transistores que alimentan el teléfono en tu bolsillo son inimaginablemente pequeños: puedes poner más de 3000 de ellos en todo el ancho de un cabello humano. Pero para mantenernos al día con las innovaciones en campos como el reconocimiento facial y la realidad aumentada, necesitamos incluir aún más potencia informática en nuestros chips de computadora, y nos estamos quedando sin espacio. En esta charla con visión de futuro, el desarrollador de tecnología Karl Skjonnemand introduce una forma radicalmente nueva de crear chips. "Esto podría ser el comienzo de una nueva era de fabricación molecular", dice Skjonnemand.

Las computadoras solían ser
tan grandes como una habitación.

Pero ahora caben en tu bolsillo,

en tu muñeca

e incluso puede ser implantadas
dentro de tu cuerpo.

Es genial.

Y esto ha sido posible por
la miniaturización de los transistores,

que son los diminutos
interruptores en los circuitos

en el corazón de nuestras computadoras.

Y se ha logrado a través
de décadas de desarrollo

y avances en ciencia e ingeniería

y de miles de millones
de dólares de inversión.

Pero nos ha dado grandes
cantidades de computación,

enormes cantidades de memoria

y la revolución digital que todos
experimentamos y disfrutamos hoy.

Pero la mala noticia es

que estamos a punto de llegar
a un bloqueo digital, a medida que

la velocidad de miniaturización de
los transistores se está desacelerando.

Y esto está sucediendo
exactamente al mismo tiempo.

que nuestra innovación en software
continúa sin tregua

con inteligencia artificial y macrodatos.

Nuestros dispositivos hacen reconocimiento
facial o aumentan nuestra realidad.

o incluso conducen autos por
nuestras traicioneras carreteras caóticas.

Es asombroso.

Pero si seguimos
con el apetito por nuestro software,

podríamos llegar a un punto
en el desarrollo de nuestra tecnología,

en que las cosas que podríamos hacer
con el software podrían, de hecho,

verse limitadas por nuestro hardware.

Todos hemos experimentado la frustración
de un viejo teléfono o tableta

que trabaja lentamente hasta
detenerse con el tiempo bajo el peso

cada vez mayor de las actualizaciones
de software y las nuevas características.

Y funcionaban bien cuando los compramos
no hace mucho tiempo.

Pero los hambrientos
ingenieros de software

se han comido toda la capacidad
del hardware a través del tiempo.

La industria de los semiconductores
es muy consciente de esto.

y está trabajando
en todo tipo de soluciones creativas,

como ir más allá de los transistores
a la computación cuántica

o incluso trabajar con transistores
en arquitecturas alternativas.

tales como redes neuronales

para hacer circuitos
más robustos y eficientes.

Pero estos enfoques
tomarán bastante tiempo,

y realmente estamos buscando una solución
mucho más inmediata a este problema.

La razón por la que la velocidad de
miniaturización de transistores se está

desacelerando se debe a la complejidad
cada vez mayor del proceso de fabricación.

El transistor solía ser
un dispositivo grande y voluminoso,

hasta la invención del circuito integrado

basado en obleas
de silicio cristalino puro.

Y después de 50 años
de continuo desarrollo,

ahora podemos lograr dimensiones
de características de transistores

de hasta 10 nanómetros.

Pueden caber más de
mil millones de transistores.

en un solo milímetro cuadrado de silicio.

Para poner esto en perspectiva,

un cabello humano tiene
100 micras de ancho.

Un glóbulo rojo,
que es esencialmente invisible,

tiene 8 micras de ancho,

y se pueden poner 12 a lo ancho
de un cabello humano.

Pero un transistor, en comparación,
es mucho más pequeño,

una pequeña fracción
de una micra de ancho.

Se podrían poner más de 260 transistores

a través de un solo glóbulo rojo

o más de 3000 a lo ancho
de un cabello humano.

Realmente es increíble la nanotecnología
en tu bolsillo ahora mismo.

Y además del beneficio obvio

de poder poner más, transistores
más pequeños en un chip,

los transistores más pequeños
son interruptores más rápidos,

Y los transistores más pequeños también
son interruptores más eficientes.

Así que esta combinación nos ha dado

un menor costo, un mayor rendimiento
y una mayor eficiencia electrónica

de las que que todos disfrutamos hoy.

Para fabricar estos circuitos integrados,

los transistores se
construyen capa por capa,

sobre una oblea
de silicio cristalino puro.

En un sentido simplificado,

se proyecta cada pequeña
característica del circuito

en la superficie de la oblea de silicio

y se graba en un material
sensible a la luz

y luego grabado a través
del material sensible a la luz

se deja el patrón
en las capas subyacentes.

Este proceso ha sido mejorado
dramáticamente con los años.

para dar el rendimiento de
la electrónica que tenemos hoy.

Pero a medida el transistor
se hace cada vez más pequeño,

estamos realmente acercándonos
a las limitaciones físicas.

de esta técnica de fabricación.

Los últimos sistemas
para hacer este patrón.

se han vuelto tan complejos

que, según informes, cuestan
más de USD 100 millones cada uno.

Y las fábricas de semiconductores tienen
docenas de estas máquinas.

La gente está cuestionando seriamente:
¿es este enfoque viable a largo plazo?

Pero creemos que podemos
hacer este chip de fabricación.

de una forma totalmente diferente
y mucho más rentable

usando ingeniería molecular
e imitando la naturaleza

abajo en las dimensiones a
nanoescala de nuestros transistores.

Como dije, la fabricación usual toma
cada característica pequeña del circuito

y la proyecta sobre el silicio.

Pero si nos fijamos en la estructura
de un circuito integrado,

el conjunto de transistores,

muchas de las características
se repiten millones de veces.

Es una estructura altamente periódica.

Por eso queremos
aprovechar esta periodicidad

en nuestra técnica
de fabricación alternativa.

Queremos utilizar
materiales de autoensamblaje

para formar naturalmente
las estructuras periódicas

que necesitamos
para nuestros transistores.

Hacemos esto con los materiales,

entonces los materiales hacen
el trabajo duro del patrón fino,

en lugar de llevar la tecnología
de proyección a sus límites y más allá.

El autoensamblaje se ve en la
naturaleza en muchos lugares diferentes,

de las membranas lipídicas
a las estructuras celulares.

así que sabemos que puede
ser una solución robusta.

Si es lo suficientemente bueno para la
naturaleza, debería serlo para nosotros.

Queremos aprovechar este autoensamblaje
robusto que se da naturalmente

y usarlo para la fabricación de
nuestra tecnología de semiconductores.

Un tipo de material de autoensamblaje

--se llama un copolímero de bloque--

consiste en 2 cadenas de polímero de solo
pocas decenas de nanómetros de longitud.

Pero estas cadenas se odian.

Se repelen entre sí,

tanto como el aceite y el agua
o mi hijo adolescente y mi hija.

(Risas)

Pero los unimos cruelmente,

creando una frustración
incorporada en el sistema,

ya que tratan de separarse unos de otros.

Y en el material a granel,
hay miles de millones de estos,

y los componentes similares
tratan de permanecer juntos,

y los componentes opuestos tratan
de separarse unos de otros

al mismo tiempo.

Esto tiene una frustración incorporada,
una tensión en el sistema.

Así que se mueve, se retuerce
hasta que se crea una forma.

Y la forma natural autoensamblada que
se forma es a nanoescala,

regular, periódica y de largo alcance,

que es exactamente lo que necesitamos
para nuestros conjuntos de transistores.

Así que podemos usar
la ingeniería molecular

para diseñar diferentes formas
de diferentes tamaños.

y de diferentes periodicidades.

Así, por ejemplo, si tomamos
una molécula simétrica,

donde las dos cadenas de polímero
sean de longitud similar,

la estructura natural
autoensamblada que se forma

es una línea larga y serpenteante,

muy parecida a una huella digital.

Y el ancho de las líneas
de huellas dactilares

y la distancia entre ellas

está determinada por las longitudes
de nuestras cadenas de polímero,

pero también por el nivel de frustración
incorporado en el sistema.

Y hasta podemos crear
estructuras más elaboradas

si usamos moléculas asimétricas,

en las que una cadena de polímero es
significativamente más corta que la otra.

Y la estructura autoensamblada
que se forma en este caso

es con las cadenas más cortas formando
una bola apretada en el medio,

rodeado por las cadenas de
polímeros más largas y opuestas,

formando un cilindro natural.

El tamaño de este cilindro

y la distancia entre los cilindros,
la periodicidad,

se determina de nuevo por cuánto tiempo
hacemos las cadenas de polímero.

y el nivel de frustración incorporado.

Así que en otras palabras,
estamos usando ingeniería molecular

para autoensamblar
estructuras a nanoescala

que pueden ser líneas o cilindros del
tamaño y periodicidad de nuestro diseño.

Estamos usando química,
ingeniería química, para fabricar

las características a nanoescala que
necesitamos para nuestros transistores.

Pero la capacidad de
autoensamblar estas estructuras

solo nos lleva a la mitad del camino.

Porque todavía necesitamos
posicionar estas estructuras

donde queremos los transistores
en el circuito integrado.

Pero podemos hacerlo
con relativa facilidad

utilizando estructuras de guía anchas que
sujetan las estructuras autoensambladas,

anclando en su lugar

y obligando al resto de las
estructuras autoensambladas.

a estar en paralelo,

alineadas con nuestra estructura de guía.

Por ejemplo, si queremos hacer
una línea fina de 40 nanómetros,

que es muy difícil de fabricar con
tecnología de proyección convencional,

podemos fabricar una estructura
de guía de 120 nanómetros.

con tecnología de proyección normal,

y esta estructura alineará tres de las
líneas de 40 nanómetros en medio.

Así que los materiales están haciendo
el patrón fino más difícil.

Y a todo este enfoque lo llamamos
"autoensamblaje dirigido".

El reto con autoensamblaje dirigido.

es que todo el sistema necesita alinearse
casi perfectamente, porque cualquier

pequeño defecto en la estructura
podría causar una falla del transistor.

Y como hay miles de millones de
transistores en nuestro circuito,

necesitamos un sistema
casi molecularmente perfecto.

Pero vamos a medidas extraordinarias.

para lograr esto,

de la limpieza de nuestra química

al cuidadoso procesamiento
de estos materiales

en la fábrica de semiconductores

para eliminar incluso los defectos
nanoscópicos más pequeños.

El autoensamblaje dirigido es una
nueva tecnología disruptiva emocionante,

pero todavía está en
la etapa de desarrollo.

Pero estamos creciendo en confianza
de que podríamos, de hecho, introducirlo

a la industria de semiconductores

como un nuevo proceso
de fabricación revolucionario

en los próximos años.

Y si podemos hacer esto, si tenemos éxito,

podremos continuar

con la miniaturización
rentable de transistores,

continuar con la espectacular
expansión de la informática

y la revolución digital.

Y lo que es más, esto podría ser
incluso el comienzo de una nueva era

de fabricación molecular.

Es genial.

Gracias.

(Aplausos)