Carbono en procesadores ¿Es el futuro de las CPU?

Los chips, especialmente los procesadores, llevan mucho tiempo incluyendo mejoras en cuanto a materiales de fabricación. Sin embargo, la base del silicio ha permanecido inalterable desde los inicios. Actualmente se investigan nuevos materiales como el carbono, y que podrían dar ventajas a los futuros procesadores, tanto usando nanotubos de carbono como también láminas de un átomo de grosor, el conocido como grafeno. Aquí te lo explicamos todo…

Sobre el carbono: propiedades eléctricas

El carbono es un elemento que puede tener propiedades eléctricas muy interesantes. Es barato, lo encontramos en minas, y es utilizado en multitud de cosas que nos rodean, desde la mina de un lápiz en forma de grafito, hasta los diamantes (carbono con estructura cristalina ordenada), pasando por el acero (hierro+carbono), electrodos de las pilas o baterías, etc.

El grafito, por ejemplo, solo conduce la corriente en un sentido de su estructura, pero no en el otro, lo cual también puede ser interesante para ciertas aplicaciones eléctricas. De hecho, según el sentido en el que se le aplique la corriente, puede generar una enorme resistencia y causar temperaturas muy elevadas. Otras formas de carbono, como el diamante, no son conductoras en absoluto, lo cierto es que es curioso…

El hecho por el que el grafito no conduce la electricidad en todos los sentidos se debe a una propiedad anisótropa, es decir, que los electrones fluyen en su interior solo en una dirección. Para comprender esto, es importante tener presente que los átomos de carbono están dispuestos en capas hexagonales. La conductividad eléctrica es mucho mayor paralela a estas capas que perpendicular a ellas:

• Paralelamente a las capas: los electrones libres pueden moverse fácilmente entre los átomos de carbono dentro de la misma capa, debido a la fuerte unión covalente entre ellos. Esto permite que la electricidad fluya con facilidad en esta dirección.
• Perpendicularmente a las capas: la unión entre las capas de grafito es más débil, lo que dificulta el movimiento de los electrones libres entre ellas. Esto hace que la conductividad eléctrica sea mucho menor en esta dirección, incluso llegando a actuar como un dieléctrico y calentándose.

Algunas formas alotrópicas del carbono, como el fullereno C60, pueden ser superconductoras a bajas temperaturas.

Por otro lado, las distintas formas de carbono también tienen propiedades térmicas interesantes, como una alta conductividad térmica, lo que permite una mejor transferencia del calor. No obstante, esto también dependerá de la forma en la que estén dispuestos los átomos, como ocurre con las propiedades eléctricas.

En definitiva, jugando con los átomos de carbono, se pueden conseguir propiedades muy diversas, algo que aplicado a los chips, como los procesadores, puede resultar de gran ayuda.

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Grafeno para procesadores

El grafeno es otra de las formas posibles de carbono. Se puede obtener a partir del grafito, es decir, del material de la mina de un lápiz… Sin embargo, mientras que el grafito son láminas de átomos, el grafeno es un material bidimensional. Esto quiere decir que está formado por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal en una capa de un átomo de espesor.

Esta delgada lámina presenta propiedades excepcionales que lo convierten en un candidato prometedor para revolucionar la tecnología de chips semiconductores. No obstante, se lleva mucho tiempo hablando de ello, como también se presentó a los memristores como la gran revolución, y que no revolucionaron nada. Con el grafeno, lo cierto es que por el momento habrá que esperar, entre otras cosas, porque la producción de forma masiva del grafeno está aún bajo desarrollo.

Producir grafeno no es sencillo. Existen métodos tan rudimentarios como el top-down en el que se usa una cinta adhesiva que se pega y despega del grafito para así obtener una fina capa de carbono en forma de grafeno. Un método muy tosco. También se puede usar un solvente que se intercale entre las capas de grafito y luego se reduce para obtener el grafeno, o incluso se puede hacer mediante un sustrato de carburo de silicio, mediante crecimiento epitaxial. Otros métodos denominados bottom-up implican la deposición química por vapor (CVD) para crear el grafeno en un reactor mediante precursores caseosos como el metano o el etileno, y depositar el carbono sobre un sustrato. También se pueden usar moléculas orgánicas precursoras, como el ciclohexano o el benceno para sintetizar grafeno en una superficie…

Sin tener en cuenta los problemas asociados a esta tecnología, el grafeno podría ayudar a los futuros procesadores de varias maneras:

• Transistores más rápidos y eficientes: el grafeno puede conducir la electricidad hasta 100 veces más rápido que el silicio, lo que permitiría crear transistores más rápidos y eficientes en chips. Esto se traduciría en dispositivos electrónicos con mayores frecuencias de reloj, con mayor capacidad de procesamiento y menor consumo de energía.
• Electrónica flexible y transparente: es un material flexible y transparente, lo que abre la posibilidad de crear dispositivos electrónicos flexibles o enrrollables.
• Reducción del tamaño: también podría utilizarse para aumentar la densidad, lo que permitiría crear dispositivos electrónicos más pequeños y potentes.
• Refrigeración de chips: el grafeno tiene una alta conductividad térmica, lo que lo convierte en un material ideal para la disipación de calor en chips electrónicos. Esto podría ayudar a reducir el sobrecalentamiento.

En la actualidad, grandes centros de investigación como IMEC, universidades de todo el mundo, etc., están investigando sobre el grafeno para aplicaciones en la industria de los semiconductores. Hemos visto algunos ejemplos o experimentos como el de IBM en 2018, que creó un chip funcional de grafeno con nodo de 90nm y capaz de llegar a los 100 Ghz. Samsung, en 2020, también aplicó la tecnología a la memoria RAM, creando celdas más rápidas y eficientes, consiguiendo velocidades 10 veces superiores a una DDR5 actual. Otro ejemplo es el MIT, que consiguió transistores de grafeno con un consumo 100 veces más bajo.

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono (CNT o Carbon NanoTube) son, como su propio nombre indica, estructuras cilíndricas formadas por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal similar al grafeno. Es decir, básicamente es una lámina de grafeno enrrollada.

Producir nanotubos de carbono de forma eficiente y barata es un problema, al igual que ocurre con el grafeno. Existen varios métodos para hacerlo, como:

• Por arco: con una descarga de un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito bajo una atmósfera inerte. Algo que no puede aplicarse a la industria de semiconductores y que produce impurezas en el nanotubo.
• Ablación láser: un pulso láser de alta potencia vaporiza un material de carbono como un polímero de carbono o grafito, y los átomos vaporizados se reordenan para formar CNT.

Métodos complejos aún y de difícil aplicación… Pero, sin tener en cuenta esto, si se consiguen transistores con nanotubos de carbono, se pueden conseguir propiedades de conductividad eléctrica variables, y con aplicaciones en las que harían los actuales transistores más rápidos, eficientes y de menor tamaño. También podrían servir como interconexiones rápidas, o aplicaciones para la disipación de calor.

En definitiva, estos transistores en los que el drenador y fuente están unidos por un nanotubo, pueden alcanzar velocidades hasta 100 veces superiores en conmutación que los actuales, con eficiencias energéticas hasta 10 veces superiores, y tamaños hasta 10 veces inferiores, además de permitir crear sustratos flexibles…

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