Conexiones de cobre para mejorar el hardware de ordenadores

Mejorar esas dos cualidades de las conexiones aumentará la cantidad y velocidad de la información que puede circular por un ordenador. Así lo considera Paul Kohl, profesor en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular del Instituto Tecnológico de Georgia.

Las conexiones verticales entre los chips y las placas se confeccionan en la actualidad derritiendo estaño entre ambas piezas para soldar una con otra, y agregando pegamento para mantenerlo todo unido. La investigación de Kohl muestra que reemplazar las conexiones tradicionales de soldadura con pilares de cobre crea conexiones más fuertes y permite un mayor número de éstas.

Tanto el estañado como el cobre pueden tolerar la desalineación entre las dos piezas que son conectadas, pero el cobre es más conductivo y crea una unión más fuerte.

Kohl y Tyler Osborn han desarrollado un novedoso método de fabricación para crear conexiones completamente de cobre entre los chips y la circuitería externa.

Los investigadores han estado trabajando con las compañías Texas Instruments, Intel y Applied Materials para perfeccionar y comprobar su tecnología. Jim Meindl y Sue Ann Allen, ambos del Tecnológico de Georgia, también han colaborado en el trabajo.

En adición a este nuevo método para hacer conexiones verticales entre los chips y la circuitería externa, Kohl también está desarrollando una línea de transmisión de señal mejorada, con la ayuda de Todd Spencer.

Dentro de un ordenador existen varias rutas de comunicación muy largas que requieren de una línea eléctrica de muy elevada eficiencia que pueda transmitir a altas frecuencias sobre distancias largas.

Esto es especialmente importante en servidores de alto rendimiento y en enrutadores donde las distancias entre los chips pueden ser grandes y la fuerza de la señal puede estar degradada de manera significativa. Kohl y Spencer han desarrollado un nuevo método para conectar señales de alta velocidad entre chips usando un substrato orgánico.

Los investigadores están diseñando un cable coaxial para este enlace de señal chip a chip, el cual debería aumentar grandemente la máxima frecuencia de la señal que puede transmitir la conexión.

Las compañías que fabrican chips y los empaquetan en un dispositivo están muy interesadas en tecnologías capaces de brindar estas optimizaciones.

Si estas conexiones pueden producirse a un costo razonable, podrían ser muy importantes en el futuro porque estaría dando al cliente un mejor producto por el mismo coste.

Candados únicos en los microprocesadores podrian reducir la piratería de los circuitos integrados

Los ingenieros de computación de la Universidad de Michigan y la Universidad Rice han diseñado un método integral para contrarrestar esta infracción costosa. Cada microprocesador tendrá su propio "candado" y llave. Quien sea dueño de la patente será quien tenga las llaves. El microprocesador podría comunicarse por medios seguros con el dueño de la patente, para ponerse en operación, y podrá operar solamente después de que se le quite el candado.

Los ingenieros denominan a su técnica EPIC, por la sigla de Ending Piracy of Integrated Circuits (para terminar con la piratería de los circuitos integrados). La técnica se apoya en métodos establecidos de criptografía e introduce cambios sutiles en el proceso de diseño del microprocesador. Pero esto no afecta ni al desempeño ni al consumo de energía del microprocesador.

Jarrod Roy, ingeniero en computación de Michigan, presentó un artículo sobre EPIC en la conferencia sobre automatización y prueba de diseño en Europa (Design Automation and Test in Europe, DATE) en Alemania el 13 de marzo.

La piratería de circuitos integrados ha aumentado en años recientes desde que las compañías de Estados Unidos empezaron a contratar con proveedores exteriores la producción de microprocesadores nuevos de características avanzadas. La transferencia de los diseños de los microprocesadores a sitios de ultramar abrió nuevas puertas para los aprovechados que han usado los microprocesadores para la fabricación de dispositivos de MP3, teléfonos celulares, computadoras y otros aparatos falsificados.

"Los microprocesadores pirateados a veces se venden por centavos, pero son exactamente iguales a los circuitos integrados normales", dijo Markov. "Han sido diseñados en Estados Unidos y, habitualmente, fabricados en ultramar donde las leyes sobre propiedad intelectual son más laxas. Alguien copia los esquemas o fabrica los microprocesadores sin autorización".

La construcción e instalación de una fábrica con toda la tecnología más avanzada cuesta entre 3.000 y 4.000 millones de dólares en EEUU, dijo Farinaz Koushanfar, profesor de Ingeniería Eléctrica y de Computadoras en Rice, coautor del artículo.

"Por lo tanto, un número creciente de compañías de semiconductores, incluidas Texas Instruments y Freescale (antes una división de la Motorola) han anunciado recientemente que cesarían la manufactura de microprocesadores con las características más refinadas, y que contratarán la producción en Asia Oriental. Sin embargo, aún dentro de Estados Unidos, a veces ha ocurrido que algunos empleados dicen que circuitos integrados que funcionan tienen defectos, y luego esos se venden en mercados turbios".

Con la protección EPIC incorporada, cada circuito integrado se fabricará con unos pocos conmutadores adicionales que funcionan como un candado de combinación. Cada uno tendrá asimismo la capacidad de producir su propio número de identificación, al azar, de 64 bits que no puede modificarse. Los semiconductores no se fabricarán con un número de identificación, sino en cambio con las herramientas necesarias para la producción del número durante su activación.

En el contexto de EPIC los semiconductores no funcionarán correctamente hasta que sean activados. Para la activación de un microprocesador, el fabricante deberá instalarlo y dejar que el semiconductor contacte al dueño de la patente por medio de una línea telefónica común o una conexión de Internet.

"Todos los microprocesadores se producen a partir del mismo esquema de diseño, pero se diferencian cuando se ponen en funcionamiento la primera vez y generan su número de identificación", dijo Roy. "Antes de la activación nada se sabe sobre el número".

El microprocesador transmitirá su número de identidad de manera segura al dueño de la patente. Éste registra el número, busca la combinación que le quita el candado a ese microprocesador en particular, y responde también de manera segura con la llave que lo activa.

La peculiaridad de la clave de activación elimina la posibilidad de que alguien pueda observarla y vuelva a usarla sin quebrarla. Dado que la clave se genera en el proceso, no tendría sentido copiarla como uno copiaría las claves de activación de un programa de computadora, que están impresas en los sobres de los discos compactos.

En teoría hay formas de copiar ilegalmente los microprocesadores protegidos por EPIC, dijo Markov. Pero EPIC hace que esto sea muy difícil.

"Si alguien está resuelto, realmente, a intentarlo y tuviese cien millones de dólares pagara gastar en el esfuerzo, podría hacer la ingeniería revertida de todo el microprocesador separando todas sus partes. Pero el objetivo de la piratería es evitar tales costos", dijo. "La meta de un sistema práctico como el nuestro no es hacer que algo sea imposible sino asegurar que la compra de una licencia y la producción legal del semiconductor sea más barata que la falsificación".

Nuevo microchip con una eficiencia energética de hasta 10 veces más que la normal

Joyce Kwong dirigió el proyecto junto a sus colaboradores del MIT Anantha Chandrakasan, Yogesh Ramadass y Naveen Verma. Los colaboradores de la Texas Instruments fueron Markus Koesler, Korbinian Huber y Hans Moormann.

La clave de la mejora en la eficiencia energética era encontrar formas de hacer que los circuitos en el chip funcionaran con un nivel de voltaje mucho más bajo que lo usual. Mientras la mayoría de los chips actuales opera a alrededor de un voltio, el nuevo diseño opera con sólo 0,3 voltios.

Sin embargo, reducir el voltaje de operación no es tan simple como podría parecer, ya que los microchips existentes se han perfeccionado durante muchos años para operar al voltaje estándar más alto. Las memorias y los circuitos lógicos tienen que ser rediseñados para poder operar con suministros de energía que sean de bajos voltajes.

Uno de los problemas más grandes que el equipo tenía que superar era la variabilidad que se da en la fabricación típica de los chips. Al utilizar niveles de voltaje más bajos, las variaciones e imperfecciones en los chips de silicio se hacen más problemáticas. Diseñar los chips para minimizar su vulnerabilidad a tales variaciones era una parte importante de la estrategia.

Hasta ahora, el nuevo chip es sólo una prueba del concepto. Las aplicaciones comerciales podrían estar disponibles en cinco años, y quizá antes, en muchas áreas. Por ejemplo, los aparatos médicos portátiles o implantables, los teléfonos móviles, y los dispositivos de conexión a redes de ordenadores, podrían estar basados en tales chips y aumentar así considerablemente sus tiempos de funcionamiento sin recarga. También puede haber una amplia variedad de aplicaciones para el ámbito militar, en la producción de redes autónomas de sensores diminutos que podrían dispersarse en un campo de batalla.

En algunas aplicaciones, como en los dispositivos médicos para ser implantados en pacientes, la meta es hacer los requerimientos de energía tan bajos que tales dispositivos puedan energizarse por medio de la "energía ambiental" (empleando el propio calor del cuerpo o su movimiento para proporcionar toda la energía necesaria).

Nuevo récord de alta frecuencia en un circuito

Ken O, profesor de ingeniería electrónica y computación de la Universidad de Florida, además de investigador principal del proyecto, ha demostrado con su equipo de colaboradores un circuito de 410 gigahercios que usa la tecnología CMOS, con la que se construyen muchos de los componentes de los ordenadores personales, los teléfonos móviles y los dispositivos electrónicos portátiles.

Esta frecuencia de 410 gigahercios eclipsa el récord anterior para circuitos CMOS impuesto en Febrero del 2006 y que alcanzó 200 gigahercios. Más importante aún, es aproximadamente 60 gigahercios superior que el anterior récord impuesto utilizando una tecnología alternativa aunque más cara, basada en el fosfuro de indio. La tecnología industrial avanzada de la compañía Texas Instruments, conocida como el proceso CMOS de 45-nanómetros, sirve como base para el nuevo circuito.

"Probablemente ésta es la primera vez en 30 años que se ha demostrado que un circuito basado en el silicio tiene una frecuencia superior de operación que uno basado en el fosfuro de indio y compuestos similares", subraya O. "Esto es fascinante porque si estos circuitos pueden construirse de manera eficaz, entonces se podrán fabricar sistemas baratos de detección y de imágenes para una amplia gama de aplicaciones. El resultado podría reducir el costo para estos sistemas en un factor de 100 o más".

En el pasado, se han fabricado circuitos de frecuencias extremadamente altas pero sólo con materiales exóticos cuya fabricación es costosa. Por el contrario, la tecnología CMOS es la normalmente utilizada en la mayoría de los circuitos en la industria de los circuitos integrados. Esto abre las puertas a la fabricación y distribución generalizadas de los circuitos de altas frecuencias.

Estas aplicaciones nuevas y viables incluyen, por ejemplo, la supervisión medioambiental por medio de equipos de funcionamiento continuo y de alta sensibilidad a productos contaminantes, gases nocivos o agentes de bioterrorismo. En el campo de las imágenes, los circuitos de alta frecuencia hacen posibles técnicas que pueden penetrar a través de la ropa para "ver" armas o explosivos ocultos.

Los circuitos de alta frecuencia también pueden usarse en equipamientos médicos diseñados para facilitar la detección temprana de los cánceres de piel y otros, y en sistemas industriales que supervisan las capas de las píldoras para asegurarse de que tienen el espesor y la uniformidad apropiados.

Reemplazo de silicio por carbono

La industria de la electrónica ha llevado a su límite las capacidades del silicio, el material que forma el corazón de todo ordenador, y el carbono ha sido considerado como un reemplazo prometedor. En particular, un material denominado grafeno (una única capa de átomos de carbono colocados en una red plana) podría permitir a la electrónica procesar información y sostener transmisiones de radio 10 veces mejor que los dispositivos basados en el silicio.

Sin embargo, hasta ahora, cambiar del silicio al carbono no ha sido posible porque los expertos creían que necesitaban manejar el grafeno en la misma forma que el silicio para los chips: una oblea monocristalina de 20 ó 30 centímetros de diámetro. Las mayores hojas de grafeno monocristalino fabricadas hasta ahora han tenido un diámetro de un par de milímetros, por lo que no serían lo bastante grandes ni para un solo chip.

Stephen Chou, Xiaogan Liang y Zengli Fu comprendieron en el laboratorio que no se necesitaría una oblea grande siempre que pudieran colocar los pequeños cristales de grafeno sólo en las áreas activas del chip. Ellos desarrollaron un nuevo método para lograr este objetivo y lo han demostrado fabricando transistores de grafeno funcionales y de alto rendimiento.

A modo de ejemplo, han construido transistores sobre cristales de grafeno impresos. Estos transistores han demostrado un alto rendimiento: son 10 veces más rápidos que los transistores de silicio en el movimiento de los "huecos electrónicos", una medida importante de la velocidad.

La nueva tecnología podría encontrar una utilización casi inmediata en los teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos que requieren un alto rendimiento de energía. Dependiendo del nivel de interés de la industria, la técnica podría aplicarse dentro de unos pocos años a diversos tipos de dispositivos de comunicación inalámbrica