En busca de los transistores que faciliten el Internet de las cosas

El Internet de las cosas está creciendo rápidamente. Los teléfonos móviles, lavadoras y hasta la botella de leche de la nevera: la idea es que los miniordenadores conectados a ellos serán capaces de procesar información, y de recibir y enviar datos.

Esto requiere energía eléctrica. Los transistores que son capaces de intercambiar información con un solo electrón utilizan mucha menos energía que los transistores de efecto campo utilizados habitualmente en los ordenadores.

Sin embargo, estos innovadores interruptores electrónicos todavía no funcionan a temperatura ambiente. Además, no son compatibles con el proceso de producción establecido en el campo de la microelectrónica.

Los científicos que trabajan en el nuevo proyecto de investigación de la UE Ions4Set tienen la intención de cambiar esta situación. El programa se puso en marcha el lunes, involucra a socios de cinco países europeos y está programado para una duración de cuatro años. Está coordinado por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR, Dresde, Alemania).

"Miles de millones de miniordenadores se comunicarán entre sí a través de Internet o de forma local. Sin embargo, el consumo de energía sigue siendo un gran obstáculo", explica el coordinador del proyecto, Johannes von Borany, del HZDR. "Básicamente, hay dos opciones: o se mejoran las baterías o se desarrollan chips de computadora que requieran mucha menos energía."

Por ejemplo, se sabe desde hace años que los transistores de un solo electrón son una alternativa de ahorro de energía para los transistores de efecto campo (FET, field effect transistor). Hasta el momento, sin embargo, sólo funcionan a temperaturas bajas y, lo que es más, no son compatibles con la denominada tecnología CMOS, que forma la base tecnológica para la integración de un gran número de componentes FET en los chips de ordenador, necesarios para llevar a cabo procesamiento de señales complejas en ordenadores portátiles o teléfonos inteligentes.

El transistor de electrón único (SET, single electron transistor) cambia la electricidad por medio de un solo electrón. SET se basa en un denominado punto cuántico (que consta de varios cientos de átomos de silicio) incrustado en una capa aislante que se intercala entre dos capas conductoras.

Para que un SET funcione a temperatura ambiente, el punto cuántico de silicio debe ser menor que cinco nanómetros (1 nanómetro = 1 millonésima parte de un milímetro). Sin embargo, los electrones no podrían pasar a través del transistor si no se cumpliera otro requisito: la distancia entre el punto cuántico y las capas conductoras no debe ser mayor que dos o tres nanómetros. Hasta ahora, estos requisitos no se podían cumplir en nanoelectrónica.

Nanopilares

"Nuestro transistor se basa en nanopilares. Hemos descubierto un mecanismo que garantiza que el punto cuántico de silicio se forma prácticamente por su cuenta ", dice Karl-Heinz Heinig, iniciador del nuevo proyecto de la UE, en la nota de prensa de HZDR. "Construimos pilares de silicio delgados de unos 20 nanómetros en los que incrustamos una capa delgada de seis nanómetros hecha de dióxido de silicio aislante. Los átomos de silicio son empujados al interior del aislante mediante irradiación de los nanopilares con partículas rápidas y cargadas".

"Cuando las estructuras son sometidas a continuación a fuerte calor, los átomos se agrupan en el centro de la capa aislante para formar un solo punto cuántico de silicio", concluye.

Socios

Las principales instituciones de investigación europeas, así como los principales actores de la industria de los semiconductores -GlobalFoundries, X-Fab y STMicroelectronics-, se han unido en el proyecto para conseguir producir y reproducir de forma fiable miles de millones de componentes SET formados por nanopilares.

CEA-Leti, un reconocido instituto de investigación francés de microelectrónica, producirá los nanopilares con un tamaño tan pequeño que aún no se ha alcanzado hasta el momento, y el Centro Nacional español de Microelectrónica de Barcelona (CNM-CSIC) se encarga de construir el demostrador del proyecto.

Sin embargo, la tarea de los investigadores es más complicada. El demostrador no puede consistir únicamente de los componentes SET que llevan a cabo las operaciones lógicas a temperatura ambiente. Los componentes FET clásicos son un requisito adicional, también en forma de nanopilares.

¿Por qué? Los transistores de un solo electrón tienen muy poca potencia disponible para interactuar con el mundo exterior a su propio chip. Por eso, los chips deberán contener también componentes FET que transmitan los resultados de las operaciones SET a otros dispositivos.

Hoy termina la primera reunión de los socios, entre los que están también el Instituto Fraunhofer de Sistemas Integrados y Tecnología de Dispositivos IISB (Erlangen, Alemania), el Instituto de Microelectrónica y Microsistemas IMM del Consejo Nacional de Investigación de Italia, y la Universidad de Helsinki (Finlandia). La financiación del proyecto es de cuatro millones de euros.

Salud y logística

La Universitat Politècnica de València lidera otro proyecto europeo para el desarrollo de soluciones inteligentes en el internet de las cosas. Reducir los tiempos de las listas de espera en centros de salud, optimizar el gasto hospitalario o mejorar la asistencia remota de pacientes, son algunos de los objetivos que se plantea INTER-IoT, un proyecto financiado por la UE a través del programa Horizonte 2020.

Además del ámbito de la salud, el proyecto también se plantea ambiciosos objetivos para el transporte y logística portuaria. Así, los socios de INTER-IoT, bajo la dirección del Grupo de Sistemas y Aplicaciones de Tiempo Real Distribuido de la UPV, trabajarán en nuevas soluciones que permitirán reducir las emisiones de CO2 en un entorno portuario, aumentar la eficiencia en el tiempo de transporte y mejorar el control de acceso y la seguridad a estos recintos.

"Salud y logística portuaria son los dos campos en los que se centrará inicialmente el proyecto, si bien podría extender a cualquier otro ámbito en el que haya una necesidad de interconectar diferentes arquitecturas del internet de las cosas", apunta Carlos Palau, investigador de la UPV y coordinador general del proyecto, en la nota de prensa de la universidad.

En el proyecto se van a desarrollar mecanismos y software para facilitar el intercambio de información entre plataformas de internet de las cosas heterogéneas y, por lo general, gestionadas por diferentes entidades. La interoperabilidad no sólo se obtendrá a nivel de conexión de dispositivos, redes y servicios sino que también será necesario realizarla a nivel semántico.

Entre los socios del proyecto se encuentran también la Fundación Valencia Port y las empresas especializadas Noatum y Prodevelop. En la primera reunión, celebrada la semana pasada, se acordaron los primeros pasos a seguir y se analizó el impacto del proyecto en el mercado.