Con el ajetreo y el constante vaivén que acompaña nuestra vida diaria, frecuentemente pasamos por alto toda la complejidad, destreza y trabajo conjunto que implica poder tener a la mano diferentes objetos que hoy forman parte de nuestro quehacer cotidiano.
Teléfonos móviles, computadores, televisores, nuestros autos e incluso la revolución que supone la inteligencia artificial, son ejemplos de estos objetos y herramientas que hoy forman parte de nuestro día a día. Esenciales para mantenernos en contacto, necesarios para desempeñar nuestro trabajo, centrales en nuestros hábitos de entretenimiento y consumo de la información, auxiliares para desplazarnos rápidamente de un lugar a otro. Todos ellos tienen algo en común, un elemento indispensable sin el cual no podrían funcionar: microchips.
Los microchips son pequeños conjuntos de circuitos electrónicos o circuitos integrados que pueden usarse para procesar o almacenar información. A su vez, los microchips están conformados por transistores, que son interruptores o amplificadores electrónicos microscópicos, que controlan el flujo de señales eléctricas.
Todo esto nos parece normal o familiar, hasta que entramos en los «pequeños» detalles: un microchip del tamaño de una de nuestras uñas contiene miles de millones de transistores. Para darnos una idea, el tamaño de un glóbulo rojo de nuestra sangre es de 7,000 nanómetros, mientras que el tamaño de un transistor actual va de los 30 a los 7 u 8 nanómetros. Desde el primer transistor fabricado en 1947 con el tamaño de la palma de la mano, se ha pasado a nodos de 10,000 nanómetros en 1971, hasta los números actuales.
Esta reducción en el tamaño de los transistores a una escala nanométrica se puede ver plasmado en el increíble aumento del número de ellos (miles de millones) que se pueden colocar en un mismo lugar hoy en día. Toda esta proeza científica que ha ido empujando los límites del conocimiento humano, se ve reflejada en la Ley de Moore, enunciada por Gordon Moore, cofundador de Intel, quien predecía en los años setenta que la densidad de transistores en un circuito integrado (CI) se duplicaría cada dos años de manera sostenible.
El impacto de este avance tecnológico de manera exponencial en los últimos setenta años se ve reflejado en una mayor cantidad de productos, cada vez más potentes y capaces de lidiar con cantidades ingentes de información, accesibles para un público cada vez más numeroso y a un costo razonablemente accesible.
Aunque este lapso de tiempo pueda sonar breve, pues si bien puede comprender el ciclo vital de una sola generación, la cantidad de recursos e investigaciones dirigidas a desarrollar esta clase de tecnología ha sido enormemente cuantiosa.
La elaboración de un solo microchip requiere un número considerable (de miles de pasos), cada uno planificado con rigor y precisión. El periplo en la fabricación de estos poderosos dispositivos comienza con algo tan familiar como aparentemente inagotable: la arena.
Según el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP, 2022) la arena es, después del agua, el recurso natural más extraído y comercializado por volumen. Hoy en día, la arena es imprescindible para el desarrollo urbano de infraestructuras y para el continuo desarrollo científico de la industria tecnológica.
Esto se debe a que la arena ha acompañado el desarrollo humano prácticamente desde sus inicios: desde su empleo para fabricar cemento y hormigón, presente ya en grandes monumentos antiguos como por ejemplo las pirámides de Giza, hasta la fabricación de vidrios y espejos que igualmente se han fabricado desde la antigüedad (por lo menos desde hace 5,000 años).
Si bien la arena es un recurso sumamente abundante y aparentemente inagotable, aquella que puede emplearse en la fabricación de microchips no lo es en absoluto. Para este proceso se requiere de arena de cuarzo muy fina, con partículas de 0.062 a 0.125 milímetros, lo cual limita las áreas susceptibles de disponibilidad y explotación del recurso.
Adicionalmente, esta arena de cuarzo muy fina se debe someter a diversos y complejos procesos químicos y físicos para obtener lo que se denomina Arena Sílica de Alta Pureza, que hace referencia a su contenido de dióxido de silicio (SiO2). El estándar de pureza dentro del sector para su empleo en la fabricación de microchips es de 99.9999999%, lo que significa que solo existe una parte por billón (ppb) de impurezas no basadas en silicio.
El silicio presente en la arena ha sido clave en el desarrollo científico y tecnológico de nuestra era. Se trata del segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, sólo después del oxígeno, constituyendo aproximadamente el 28% de su masa. El silicio es un material que puede conducir la electricidad en ciertas condiciones. Sus propiedades se encuentran entre las de un material conductor de electricidad (como un metal) y las de un aislante (como el caucho): un semiconductor.
A partir de la purificación del silicio es que se pueden producir los denominados «lingotes» de silicio. Estos «lingotes» se obtienen mediante métodos como el Czochralski (Cz), conocido así por el nombre de su inventor, el químico polaco Jan Czochralski. Este método consiste en sumergir un cristal semilla en silicio fundido y extraerlo lentamente mientras gira, formando una estructura cilíndrica.
Una vez se ha obtenido el silicio en forma de «lingote» mediante diversos procedimientos de alta precisión, se lleva a cabo el corte con discos de diamante y pulido a nivel atómico, dando como resultado pequeñas hojas u obleas. De un «lingote» de silicio pueden llegar a producirse entre cientos y miles de obleas. Es en estas obleas donde se 'graban' los patrones (layout) de los microchips.
Hemos mencionado anteriormente la denominada Ley de Moore, una observación empírica llevada a cabo por uno de los científicos fundadores de Intel. Con ella, Moore intentaba señalar que cada 2 años era posible duplicar la cantidad de transistores por área.
La «ley» sirvió como motor dentro de la industria tecnológica y la comunidad científica, de manera que se fueron logrando importantes avances en la fabricación de chips. Y esta «ley» parecía venir cumpliéndose hasta el año 2015.
Pero en ese momento, se pensó que la observación de Moore llegaría a estancarse, debido a las limitaciones físicas para producir transistores cada vez más pequeños. Entre más diminutos sean los transistores, mayor será la capacidad, potencia y eficiencia energética de los chips.
Es ahí donde hace su aparición la fotolitografía ultravioleta extrema (EUV). Esto representa una revolución en la producción de microchips, permitiendo continuar la tendencia de la Ley de Moore.
Se trata de un modelo que utiliza luz con una longitud de onda de 13.5 nanómetros e imprime patrones con una resolución de 8 nanómetros en las obleas de silicio.
El desarrollo de esta tecnología requirió décadas y miles de millones de dólares. La producción comercial comenzó en 2019.
Esta innovación consiste en disparar un láser de dióxido de carbono que pulveriza una diminuta bola de estaño, generando plasma a 100,000 °C, 40 veces más caliente que la superficie del Sol.
Este plasma emite la luz EUV, que es dirigida por espejos nanométricos de silicio y molibdeno para imprimir los patrones. Sensores de altísima precisión permiten una exactitud extrema.
Uno de los ingenieros, Jason Stewart, encontró similitudes entre este proceso y las supernovas. Señala que «una explosión repentina, una nube expansiva de plasma y una onda de choque…» describen tanto el fenómeno astronómico como el proceso EUV.
Incluso, «las mismas ecuaciones matemáticas» describen ambos fenómenos. Esta analogía fue clave para resolver problemas técnicos en el proceso.
El tipo de supernovas similares son las tipo Ia, utilizadas para estudiar la expansión acelerada del universo.
De lo más pequeño y diminuto que ha podido producir la humanidad hasta la increíble inmensidad del cosmos. De los objetos más comunes en nuestra vida diaria y los materiales más abundantes de nuestro planeta hasta los horizontes del universo conocido y los fenómenos cósmicos más impresionantes. Todo parece ser tan próximo aunque a veces sea tan lejano.
Podemos darnos cuenta que, de la vanguardia de la ingeniería, junto con la física, la química, la astronomía y las matemáticas, es posible el desarrollo de una de las tecnologías más avanzadas de nuestro tiempo: los microchips, pilares del crecimiento y mejora de nuestra sociedad.