Si te arrancas un cabello de la cabeza y lo divides en dos, el área de la sección transversal que verás (o tal vez no la verás porque es muy pequeña) esta área puede albergar miles de transistores electrónicos que pueden conectarse inteligentemente entre sí para construir un circuito complejo. Esta escala de fabricación es tan sensible que incluso una mota de polvo o una entidad microscópica como una bacteria puede corromper todo el circuito. Verdaderamente increíbles son los avances en la ciencia y el arte de la integración de circuitos, pero también son una actividad diaria para cientos de empresas de semiconductores en todo el mundo, donde cientos de miles de ingenieros trabajan e intercambian ideas.
Fig. 1: Imagen del ordenador anterior
Lo que hoy es una cuestión cotidiana, hace medio siglo sólo era una posibilidad teórica. Recuerde, hubo una época en la que las computadoras tenían el tamaño de una habitación grande. Cuanto más compleja era una computadora, más espacio necesitaba para albergar su circuito de tubos de vacío y menor era la confiabilidad del circuito. Estos eran los problemas diarios irresolubles de la industria electrónica. La forma de salir del complejo laberinto de gruesos y pesados tubos de vacío y entrar en la integración a nanoescala actual es un viaje que depende de una única invención definitoria: la invención de los circuitos integrados; y guiados por un único y antiguo dicho: la necesidad es la madre de la invención.
Lo que necesita esta invención es el infame problema de la "tiranía de los números".
La tiranía de los números
Ya a principios de la década de 1950, el laboratorio Bell desarrolló transistores pequeños y fiables. Se pensaba que si se redujera el tamaño de los componentes electrónicos se solucionarían todos los problemas relacionados con el volumen y sería fácil crear circuitos complejos. Sin embargo, hubo problemas imprevistos que acompañaron a la miniaturización.
Un circuito no se trata sólo de sus componentes, sino también de sus conexiones. Y para que cualquier circuito funcione, las conexiones deben ser estables: es a través de ellas que los electrones (corrientes) fluyen de un componente a otro. Las conexiones son el canal de interacción. Y un canal propenso a errores haría que todo el circuito desapareciera.
En aquella época, los circuitos se hacían a mano: los trabajadores soldaban los diferentes componentes a tubos de vacío con cables metálicos. A medida que los tamaños de los componentes disminuyeron, se hizo evidente que ensamblar manualmente los diminutos componentes semiconductores provocaría conexiones defectuosas. Los errores eran inevitables y no había forma de mantener un control de calidad.
En 1958, TI tenía un nuevo empleado que aún no había tomado sus vacaciones. Jack Kilby debería estar trabajando. Entonces, para aprovechar al máximo su tiempo, se sumergió de cabeza en el problema central del día y encontró una solución brillante.
El segundo problema fue el tamaño. Un circuito complejo dependía de la velocidad. Si los cables metálicos fueran demasiado largos, las señales eléctricas no se transmitirían con la suficiente rapidez. Esto haría que los circuitos fueran ineficientes.
Estos dos problemas juntos eran problemas de números; infamemente llamada La tiranía de los números. En pocas palabras, el problema planteaba que cualquier circuito avanzado tendría tantas piezas y conexiones que no sería práctico hacerlo.
La profecía de una solución: sin cables de conexión
El ingeniero de radio británico Geoffrey Dummer abordó estos problemas con optimismo en 1942. Dijo: “Con la llegada del transistor y el trabajo con semiconductores en general, ahora parece posible imaginar equipos electrónicos en un bloque sólido sin cables de conexión. . El bloque podrá estar formado por capas de materiales aislantes, conductores, rectificadores y amplificadores, estando conectadas las funciones eléctricas mediante áreas de corte de las distintas capas”.
Él era "el profeta de los circuitos integrados", el que podía predecir su llegada en un futuro próximo. Había profetizado una solución teórica al problema obvio: los circuitos sin conexión. Pero fue en manos de dos ingenieros, que trabajaban por separado en diferentes laboratorios al mismo tiempo y en el mismo país, que la profecía comenzó a tomar forma física.
La obra maestra de Jack Kilby: el circuito integrado monolítico
En el verano de 1958, Texas Instruments cerró por vacaciones de dos semanas para toda la empresa. Esto era algo que hacían todos los años. En 1958, sin embargo, tenían un nuevo empleado que aún no se había ganado sus vacaciones. Jack Kilby debería estar trabajando. Entonces, para aprovechar al máximo su tiempo, se sumergió de cabeza en el problema central del día y comenzó a buscar un reemplazo para los métodos prácticos de miniaturización de circuitos. Debido a su experiencia previa en Centralab en Milwaukee, Kilby estaba familiarizado con el problema de la “tiranía de los números”. Se dio cuenta de que el único producto que una empresa podía fabricar a bajo precio era un semiconductor. Por lo tanto, concluyó, todos los componentes del circuito deben estar hechos del mismo material con el que se fabrican los semiconductores. Nadie había pensado en esto antes.
Fig. 2: Imagen del primer circuito integrado (IC) del mundo
Kilby creó algunos bocetos para este proceso. Cuando terminaron las vacaciones, le mostró los bocetos a su manager Willis Adcock. Adcock pensó que eran brillantes pero no estaba seguro de ellos. Le pidió a Kilby que siguiera adelante de todos modos y construyera un circuito de silicio que funcionara. Esta resultó ser una decisión administrativa importante, ya que el 28 de agosto de 1958, Kilby mostró un circuito que funcionaba exitosamente a Adcock e inmediatamente recibió una bandera verde para su proyecto. En su siguiente circuito, integró todos los componentes electrónicos y eléctricos en una sola varilla de germanio.
Este dispositivo fue probado y funcionó exactamente como Kilby había predicho. Resolvió así uno de los problemas más desconcertantes asociados con la miniaturización. Una vez que su invento fue aceptado por la gente de la industria, todo estaba listo para revolucionar la tecnología electrónica.
“Esta idea me llevó a la conclusión de que lo único que realmente se necesitaba eran semiconductores, que las resistencias y los condensadores (dispositivos pasivos), en particular, podían fabricarse del mismo material que los dispositivos activos (transistores). También me di cuenta de que como todos los componentes podían fabricarse a partir de un solo material, también podían fabricarse in situ e interconectarse para formar un circuito completo”, recordó Kilby en un artículo titulado “Invención del CI” en 1976.
Y añade: “Lo que no sabíamos en aquel momento era que el circuito integrado reduciría el coste de las funciones electrónicas en un factor de un millón a uno. Nunca antes nadie había hecho esto”.
Los tres problemas de la microelectrónica
Por cierto, las conexiones no fueron el único motivo de preocupación. De hecho, había tres cuestiones distintas y fundamentales para la miniaturización de los componentes electrónicos. En 1958, Torrek Wallmark los describió como:
1. Problema de integración: En 1958, los distintos componentes electrónicos no podían integrarse en un cristal semiconductor porque la aleación no era adecuada para circuitos integrados. ¿Cómo los integras?
2. Problema de aislamiento: a nivel atómico, ¿cómo podemos garantizar que los diferentes componentes no se superpongan? ¿Cómo se mantienen eléctricamente aislados en un cristal semiconductor?
3. Problema de conexión: ¿Cómo conectar componentes microelectrónicos de manera confiable? El único método disponible en ese momento era extremadamente costoso y requería mucho tiempo: utilizaba alambre de oro.
“Si la industria del automóvil avanzara tan rápido como la industria de los semiconductores, un Rolls Royce recorrería medio millón de millas por galón y sería más barato tirarlo que estacionarlo”.
Pronto se encontraron soluciones. Tres empresas los inventaron por separado y poseían las patentes principales para cada uno de los tres problemas. Aunque Sprague Electric Company decidió no desarrollar circuitos integrados, Texas Instruments, donde trabajaba Kilby, pareció contenerse. Fairchild Semiconductor, sin embargo, combinó las diferentes técnicas necesarias para la fabricación comercial de circuitos integrados monolíticos y siguió adelante. En Fairchild residía otra mente genial, sin cuyos esfuerzos pioneros los circuitos integrados habrían seguido siendo un concepto teórico, una posibilidad, durante mucho tiempo. El genio fue el cofundador de Fairchild, quien luego cofundó el gigante de la electrónica Intel.
Los esfuerzos pioneros de Robert Noyce
A Robert Noyce, individualmente y sólo seis meses después de Kilby, se le ocurrió la idea del circuito integrado en Fairchild. Noyce había resuelto muchos problemas prácticos que existían en el circuito de Kilby, especialmente el problema de la interconexión de componentes. Añadió metal como capa final y luego quitó un poco para formar cables. Al deshacerse de las conexiones de "cables voladores", Noyce introdujo un método práctico de fabricación en masa de los circuitos sólidos de Jack Kilby.
En julio de 1959, Noyce presentó su patente de “conductor y estructura de dispositivo semiconductor”, y luego un grupo de ingenieros expertos en Fairchild fabricó los primeros circuitos integrados monolíticos en funcionamiento en mayo de 1960.
Así comenzaron las mejoras que hicieron que el CI fuera adecuado para la producción comercial.
El éxito inicial de Micro Chip
Como ocurre con todas las tecnologías de vanguardia, el circuito integrado encontró comprador por primera vez en el ejército. Ya en 1961, se fabricó la primera computadora que utilizaba chips de silicio para la Fuerza Aérea y se aplicó al misil Minuteman en 1962. Como existía la necesidad de un producto que pudiera hacer que todos vieran la importancia de la tecnología IC (y ayudara a hacerla popular), ). ), Kilby diseñó una calculadora que era tan poderosa como las enormes calculadoras electromecánicas de escritorio de la época, pero lo suficientemente pequeña como para sostenerla en la palma de la mano. Esta reducción de tamaño condujo al enorme éxito de su calculadora (una de las primeras aplicaciones comerciales de la tecnología IC) y allanó el camino para la integración de la tecnología en el espacio de producción.
Patentes para el Circuito Integrado
Tanto Kilby como Noyce son considerados inventores del CI. Si a uno de ellos se le ocurría una nueva idea revolucionaria para la integración, el otro se aseguraba de que los problemas prácticos asociados con ella no impidieran que la idea alcanzara su potencial. Pero las cosas no eran exactamente perfectas en las dos empresas para las que trabajaban estos genios ingenieros. Fairchild y TI presentaron las patentes en 1959. Jack Kilby y Texas Instruments recibieron la patente estadounidense n.º 3.138.743 para circuitos electrónicos miniaturizados y Robert Noyce y Fairchild Semiconductor Corporation recibieron la patente estadounidense n.º 2.981.877 para un circuito integrado basado en silicio. A esto le siguió un litigio sobre patentes durante una década.
Antes de que las cosas empeoraran, las dos partes llegaron a una solución comercial. Y los dos inventores recibieron lo que les correspondía. Kilby y Noyce recibieron la Medalla Nacional de Ciencias en 1979. Noyce dijo con mucha humildad: “No tengo ninguna duda de que si este invento no hubiera aparecido en Fairchild, habría aparecido en otro lugar en un futuro muy cercano. Era una idea cuyo momento había llegado y la tecnología se había desarrollado hasta el punto de ser viable”.
Fig. 3: Imagen del flip-flop tipo F de Fairchild Semiconductor
La evolución del circuito integrado
Hemos recorrido un largo camino desde que Jack Kilby desarrolló el primer prototipo de circuito integrado. Los transistores de los chips ahora miden alrededor de 90 nm: para dar otra medida del logro, se pueden insertar cientos de estos transistores en un solo glóbulo rojo. Gordon Moore, pionero de los circuitos integrados y fundador de Intel, dijo una vez: “Si la industria del automóvil avanzara tan rápido como la industria de los semiconductores, un Rolls Royce recorrería medio millón de millas por galón y sería más barato tirarlo a la basura”. . mucho más que aparcarlo. Este rápido crecimiento de las técnicas de miniaturización fue posible gracias a la visión de Kilby del primer prototipo y a las interesantes mejoras prácticas de Noyce.
Reconociendo lo mismo, el comité Nobel otorgó a Jack Kilby el Premio Nobel de Física en el año 2000, el honor más alto que cualquier ser humano puede recibir. Robert Noyce ya había fallecido y no pudo compartir el premio. Sus contribuciones, sin embargo, nunca fueron cuestionadas. El mérito de haber inventado el circuito integrado es de ambos ingenieros conjuntamente.
Gracias al desarrollo exponencial de la tecnología de semiconductores, estamos avanzando rápidamente como civilización. Cada seis meses, nuestras computadoras se vuelven más potentes y más baratas, y cada día se producen cientos de innovaciones en el espacio informático. La invención del CI sin duda cambió el curso de la historia de la humanidad, ya que el CI está en el corazón de todos los productos electrónicos modernos del planeta.
