Circuito Integrado

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Circuito Integrado

Un circuito integrado es un circuito eléctrico que realiza una función particular y que se produce, en la medida de lo posible, como un conjunto singular más que como un ensamblaje de partes discretas. Desde finales de la década de 1950, un tipo particular de circuito integrado, el circuito integrado de silicio, el microchip de silicio, ha alcanzado una prominencia sin precedentes en la electrónica. El desarrollo de los microchips de silicio por la industria mundial (o global) de los semiconductores durante el último medio siglo ha dado lugar a una caída drástica del costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de la electrónica, y en particular de la electrónica digital. Esta caída en el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de la electrónica, y, como resultado directo, el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de la computación digital, también se ha asociado (véase qué es, su concepto jurídico; y también su definición como “associate” en derecho anglo-sajón, en inglés) con una tremenda expansión del mercado y la aplicación de la electrónica y la computación digital.

El circuito de un microchip de silicio está formado abrumadoramente por un tipo de componente: el transistor, que actúa principalmente como un interruptor de encendido y apagado, el 0 y 1 de la computación digital binaria.Entre las Líneas En el momento de escribir este artículo, no es raro que un solo microchip de silicio del tamaño de un sello de correos contenga varios miles de millones de transistores. Con la profusión de microchips de silicio y el creciente número de transistores que contienen, el transistor de silicio en los microchips se ha convertido en el objeto más fabricado por la humanidad. Por ejemplo, la producción anual de transistores en microchips de silicio fue de más de 100 quintillones en 2011.

Durante el decenio de 1950, los investigadores en electrónica de los Estados Unidos y, en menor medida, de Europa, aplicaron diversos enfoques a los circuitos integrados en un intento de hacer circuitos electrónicos más pequeños, más fiables y con menor consumo de energía que sus homólogos convencionales.Entre las Líneas En la electrónica entonces convencional, un conjunto de componentes discretos se interconectaban por medio de cables para formar el circuito terminado. El interés de los investigadores en electrónica por los circuitos integrados tuvo varias motivaciones, principalmente la Guerra Fría y el coste. La fiabilidad, el tamaño y los requisitos de menor potencia en la electrónica eran de suma importancia en la industria aeroespacial y otras aplicaciones militares en el corazón del enfrentamiento termonuclear entre los Estados Unidos y la Unión Soviética. Para muchas de estas aplicaciones militares, el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de los circuitos integrados no era un problema.

Puntualización

Sin embargo, los costos (o costes, como se emplea mayoritariamente en España) de los sistemas electrónicos, tanto militares como civiles, fueron motivo de creciente preocupación durante el decenio de 1950. Los investigadores creían que los circuitos integrados, si bien eran más caros de fabricar que los circuitos convencionales, podían, no obstante, reducir los costos (o costes, como se emplea mayoritariamente en España) totales de los sistemas electrónicos si se tenían en cuenta los costos (o costes, como se emplea mayoritariamente en España) de funcionamiento y reparación.

A lo largo del decenio de 1950 los investigadores en materia de electrónica exploraron diversas alternativas para los circuitos integrados, esfuerzo que muchos expertos comenzaron a denominar “microminiaturización”. Gran parte de este trabajo en los Estados Unidos se basó, extendió o se inspiró en el éxito de los “circuitos impresos” y, en particular, en el “cableado impreso” para un importante desarrollo militar estadounidense durante la Segunda Guerra Mundial: el fusible de proximidad. Un disparador basado en la detección por radio para proyectiles de artillería, morteros y bombas, la mecha de proximidad fue aclamada como un éxito característico del ejército de los Estados Unidos. La mecha requería una electrónica altamente miniaturizada. La clave de esta miniaturización fue el uso de técnicas de serigrafía para imprimir el cableado de un circuito en un sustrato aislante, en el que se incrustaron componentes miniaturizados como tubos de vacío, resistencias y condensadores. A mediados de la década, el uso de fotograbado y nuevos materiales permitió el desarrollo de los actuales tableros de circuitos impresos.Entre las Líneas En la primera mitad de la década de 1950, el ejército de EE.UU. financió grandes programas multimillonarios para elaborar el trabajo de circuitos impresos para crear circuitos modulares miniaturizados.Entre las Líneas En estos proyectos, el cableado impreso y los componentes discretos se combinaron en un conjunto de módulos de circuitos simples que, a su vez, podían ser ensamblados de diferentes maneras para formar circuitos más complejos.

Además, los investigadores en electrónica, tanto ingenieros como científicos, exploraron una variedad de métodos de evaporación, grabado, formación de materiales y otros enfoques para crear circuitos integrados a partir de una variedad de materiales. Por ejemplo, una comunidad de investigadores intentó desarrollar circuitos integrados electrónicos utilizando componentes totalmente magnéticos, mientras que otro grupo de investigadores intentó crear circuitos integrados digitales utilizando interruptores superconductores. Ambos esfuerzos se basaron en el depósito y la formación de películas delgadas de materiales, al igual que en los circuitos impresos.

El interés y los esfuerzos hacia los circuitos integrados y microcircuitos en los años 50 fue co-extensivo con el auge de los componentes semiconductores para la electrónica: diodos y, más famosos, transistores. Estos componentes activos se formaron por la manipulación química de materiales semiconductores, especialmente los elementos químicos germanio y silicio. Al tratar el material semiconductor con otros químicos, los investigadores de la electrónica encontraron que podían alterar el semiconductor para que fuera tan conductor como un metal (véase definición, y una descripción de metal) o tan aislante como el vidrio. Con el tratamiento químico adecuado en diferentes secciones de una pieza de semiconductor, podría actuar como un interruptor electrónico, una válvula o un amplificador.Entre las Líneas En los Laboratorios Telefónicos Bell, donde se inventó el transistor, los investigadores inmediatamente pensaron, crearon y patentaron la creación de múltiples transistores y diodos en una sola pieza de semiconductor químicamente tratado. Al conocer el transistor, varios investigadores en Europa tuvieron ideas muy similares. Uno de los principales investigadores electrónicos del Reino Unido, Geoffrey Dummer (1909-2002), debatió públicamente la idea de un “circuito sólido” en 1952, en el que todos los componentes de un circuito electrónico, y sus interconexiones, se formarían de silicio tratado químicamente, y se conformarían mediante técnicas de fotograbado a partir de circuitos impresos.

En la segunda mitad de la década de 1950, varios investigadores y grupos de investigación se dedicaron activamente a lo que más tarde se conoció como “circuito híbrido”.Entre las Líneas En estos esfuerzos, se emplearon técnicas de serigrafía para crear el cableado impreso, así como para formar componentes de circuitos pasivos (véase más en esta plataforma general) como resistencias y condensadores. Los componentes activos -transistores y diodos- se unieron de varias maneras a estos conjuntos para completar los circuitos.Entre las Líneas En el Reino Unido, el laboratorio de Dummer tenía un gran programa de circuitos híbridos.Entre las Líneas En los Estados Unidos, Centralab era el principal contratista militar estadounidense de circuitos impresos y modulares. Allí, el ingeniero eléctrico estadounidense Jack Kilby (1923-2005) trabajó en circuitos híbridos combinando transistores con técnicas de circuitos impresos.Entre las Líneas En el laboratorio de fusibles de proximidad del ejército de los EE.UU., el Laboratorio de Espoleta de la Ordenanza del Diamante, el físico Jay Lathrop (1927-) y el químico James Nall utilizaron enfoques de fotograbado para hacer tanto transistores especializados como circuitos impresos para circuitos híbridos altamente miniaturizados. Todos estos esfuerzos fueron el resultado de la financiación (o financiamiento) del gobierno, en particular del ejército.

En 1958 Kilby dejó Centralab para ir a Texas Instruments con el fin de acceder a la considerable experiencia de la empresa en la fabricación de transistores. Texas Instruments era el principal productor comercial de transistores y un contratista de defensa militar de EE.UU. Ese verano, Kilby previó la posibilidad de hacer un circuito electrónico completo a partir de una sola pieza de silicio. Tal circuito integrado de silicio requería la solución de tres cuestiones: ¿Cómo se pueden formar todos los componentes en silicio? ¿Cómo pueden los componentes estar aislados eléctricamente el uno del otro? ¿Cómo pueden interconectarse los componentes para completar el circuito deseado? Para formar los componentes, Kilby propuso utilizar el enfoque de tratamiento químico más prometedor conocido como difusión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Para aislar los componentes entre sí, para que funcionaran correctamente, Kilby imaginó usar enfoques de fotograbado de su fondo de circuitos impresos para crear ranuras y fosos llenos de aire en el silicio. Para interconectar los componentes en el circuito final, Kilby sugirió usar cables impresos sobre el silicio o cables “volando” sobre la superficie que conectaran un punto con otro.Entre las Líneas En este concepto, Kilby estaba haciendo un estrecho paralelismo con el trabajo de un conjunto de investigadores de los laboratorios de la RCA en Nueva Jersey. Allí, el ingeniero estadounidense Harwick Johnson (1913-2001) y el ingeniero nacido en Suecia Torkel Wallmark (1919-2007) patentaron y fabricaron circuitos integrados de silicio sencillos muy parecidos a los que Kilby imaginó entre 1953 y 1958. De hecho, en los Laboratorios Telefónicos Bell, el físico americano L. Arthur D’Asaro (1927-2013) creó un circuito integrado de silicio utilizando tanto difusión como fotograbado para 1956.Entre las Líneas En Texas Instruments, Kilby creó rápidamente varios prototipos de dispositivos y presentó solicitudes de patente para su circuito integrado de silicio en febrero de 1959.

En el norte de California, el físico estadounidense Robert Noyce (1927-1990) previó otra toma del circuito integrado de silicio en enero de 1959. Noyce, junto con otros siete ingenieros y científicos, entre ellos el químico estadounidense Gordon Moore (1929-), había cofundado la empresa Fairchild Semiconductor en la península de San Francisco en 1957. Allí, los cofundadores habían sido pioneros en el desarrollo de transistores de silicio avanzados, en particular para aplicaciones militares estadounidenses como ordenadores aéreos y misiles balísticos intercontinentales (ICBM).Entre las Líneas En Fairchild, el físico nacido en Suiza Jean Hoerni (1924-1997), uno de los cofundadores, había desarrollado un nuevo enfoque para utilizar el proceso químico de difusión para crear transistores de silicio. El “proceso planar” de Hoerni se basaba en la formación de una capa protectora de dióxido de silicio-cuarzo en el silicio.Entre las Líneas En el proceso de fabricación de transistores de Fairchild, muchos transistores se formaron por este proceso químico de impresión en una sola lámina de silicio -una “oblea”- antes de ser cortados en “dados” individuales y puestos en paquetes para hacer los transistores finales.Entre las Líneas En enero de 1959 el ingeniero armenio-americano Edward Keonjian (1909-1999), que en ese momento trabajaba en una computadora para un ICBM, visitó a los cofundadores de Fairchild para conseguir un suministro de transistores de silicio para un circuito híbrido que estaba creando sobre el modelo de los que se fabricaban en el Laboratorio de Espoleta de Ordenación de Diamantes. Poco después, Noyce describió una forma alternativa de circuito integrado de silicio en su cuaderno de laboratorio.

El núcleo del circuito integrado de silicio de Noyce era el proceso planar de Hoerni, y la capa aislante de cuarzo que dejaba encima de la oblea de silicio. Durante algún tiempo Noyce se había preguntado sobre la ineficiencia de crear muchos transistores juntos en una oblea y luego cortarlos en transistores individuales sólo entonces para cablear estos transistores individuales de nuevo juntos en los circuitos electrónicos. Noyce se imaginaba ahora dejando los transistores en su lugar.Entre las Líneas En su cuaderno, Noyce contempló la creación de todos los elementos del circuito, desde los transistores hasta las resistencias, en una sola pieza de silicio utilizando la difusión en el proceso planar de Hoerni. Para aislar los dispositivos entre sí, Noyce tuvo la idea de utilizar de nuevo la difusión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Con ello, Noyce sugirió crear regiones de silicio tratadas químicamente de forma diferente entre los componentes. Los límites entre estas regiones, conocidos como “uniones”, aislarían eléctricamente los componentes entre sí.

Detalles

Por último, Noyce imaginó interconectar los componentes juntos en el circuito final poniendo el cableado impreso directamente sobre el revestimiento de cuarzo dejado por el proceso planar de Hoerni en la parte superior de la oblea. El cuarzo aislaría el cableado de los componentes de abajo. Reflejando la importancia del proceso de Hoerni en su concepción, la versión de Noyce del circuito integrado fue pronto conocida como el “circuito integrado planar”. Así como algunas de las ideas de Kilby habían sido anticipadas por otros en la comunidad de investigación electrónica, también lo habían sido algunas de las de Noyce. Específicamente, el físico checo-americano Kurt Lehovec (1918-2002), que entonces trabajaba en Sprague Electric en Massachusetts, había golpeado y patentado la idea de utilizar “uniones” para proporcionar aislamiento eléctrico en los circuitos integrados antes que Noyce.

Fue el anuncio público del circuito sólido de Kilby por parte de Texas Instruments en marzo de 1959 lo que impulsó a Fairchild Semiconductor a comenzar sus esfuerzos en materia de circuitos integrados en serio. Esta decisión abrió la principal rivalidad en los microchips de silicio que se extendería hasta los años 70. Moore, como director del laboratorio de investigación y desarrollo de Fairchild Semiconductor, formó un importante equipo de “micrología” bajo la dirección del físico americano y cofundador Jay Last (1929-) para desarrollar el circuito integrado planar. El equipo de Last tuvo éxito en el otoño de 1960, y Fairchild introdujo su microchip planar en 1961. Texas Instruments vendía sus microchips de silicio de circuito sólido comercialmente en 1960.

En ese momento, la principal diferencia entre el microchip de silicio de Texas Instruments y el dispositivo de Fairchild Semiconductor era el enfoque de interconexión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Texas Instruments utilizaba cables de punto a punto que volaban sobre el silicio, mientras que Fairchild utilizaba cables de aluminio grabados que se depositaban directamente en la capa de cuarzo del microchip plano. El enfoque de Fairchild resultó ser mucho más fácil de fabricar, y Texas Instruments se convirtió rápidamente en el microchip planar con la ayuda de la financiación (o financiamiento) militar de EE.UU. A principios de los años 60 el principal cliente de los microchips de silicio fabricados por Texas Instruments y Fairchild Semiconductor fue el ejército de EE.UU., en particular para los ICBM. La exitosa miniaturización, el aumento de la fiabilidad, el funcionamiento de baja potencia y el éxito en el mercado del circuito integrado planar llevó a su amplia búsqueda.

Detalles

Las empresas de electrónica establecidas comenzaron sus propios programas en microchips de silicio, y muchas nuevas empresas, particularmente en la península de San Francisco, se formaron para crearlos, lo que resultó en la formación de un área que se conoció como Silicon Valley.

A principios de los años 60, Moore tenía un punto de vista privilegiado para entender las realidades del microchip de silicio. Había ayudado a establecer los procesos básicos para la fabricación de transistores de silicio avanzados a finales de los 50, y había dirigido el laboratorio en el que el equipo de micrología creó el circuito integrado plano siguiendo la concepción inicial de Noyce.Entre las Líneas En ese momento, los representantes de Fair-child, Texas Instruments y otros fabricantes de microchips destacaron la capacidad de los microchips de silicio para satisfacer las demandas militares y reducir el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) global de los sistemas electrónicos a pesar de su mayor costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) que los circuitos convencionales. Al examinar los finos detalles de los microchips de silicio y su fabricación, Moore desarrolló una perspectiva diferente de estos representantes. Razonó que la tecnología de impresión química utilizada para fabricar microchips de silicio estaba abierta a un importante desarrollo futuro y que en este desarrollo los microchips de silicio tenían el potencial de hacerse más baratos de producir que sus homólogos convencionales, particularmente para los circuitos digitales.

Otros Elementos

Además, Moore vio que los microchips de silicio tendrían una creciente ventaja de costos (o costes, como se emplea mayoritariamente en España) sobre los circuitos convencionales, ya que la tecnología de impresión química permitía fabricar más y más pequeños transistores en los microchips de silicio. A medida que los transistores en los microchips se hacían más pequeños, y los microchips de silicio contenían un mayor número de ellos, estos microchips representarían cada vez más la forma más barata de la electrónica. No sólo eso, Moore razonó que si la tecnología de impresión química se mejoraba significativamente, entonces los microchips de silicio harían que la electrónica digital fuera profundamente menos costosa.

Moore desarrolló estas ideas, y sus fundamentos subyacentes, en una serie de publicaciones técnicas y charlas a mediados de la década de 1960.Entre las Líneas En 1965 las expuso a la amplia comunidad electrónica en un artículo titulado “Colocación de más componentes en circuitos integrados” publicado en la revista especializada Electronics.Entre las Líneas En este artículo, Moore resumió su argumento. Dado el estado de la tecnología de impresión química, hay un número de transistores – una “complejidad” específica – para un microchip que tiene el menor costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de fabricación por transistor. Existe una complejidad óptima del microchip para minimizar el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de la funcionalidad electrónica. A medida que pasa el tiempo, y la tecnología de impresión química es avanzada por los investigadores, esta complejidad óptima aumenta, y el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) mínimo disminuye. Para ilustrar su punto, Moore proporcionó un gráfico de la complejidad del microchip a lo largo del tiempo para 1960-1965. El gráfico mostraba una curva exponencial, con la complejidad por el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) mínimo duplicándose cada año. Moore sugirió que no había ninguna limitación física que impidiera el desarrollo continuo de la tecnología de impresión química, y que por lo tanto esta duplicación anual de la complejidad por el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) mínimo continuaría durante el próximo decenio hasta 1975. Así fue.Entre las Líneas En 1975 Moore predijo que el ritmo de desarrollo se reduciría a una duplicación de la complejidad cada dos años aproximadamente. Así ha sido. Por esta época, la observación y predicción de Moore comenzó a conocerse como “la ley de Moore”.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

En la década de 1960 los fabricantes de computadoras digitales -militares y comerciales- se convirtieron en los mayores usuarios de microchips de silicio. Los productores de equipos de telecomunicaciones también los emplearon.Entre las Líneas En estos sistemas de computación y comunicación, los microchips de silicio se utilizaron para crear lógica digital, como en el procesamiento y control central. A principios de los años 70, los microchips de silicio dominaban en la lógica informática. A principios de los 70, los microchips de memoria desplazaron rápidamente los núcleos magnéticos de la memoria principal de las computadoras digitales.

En 1968 Noyce y Moore crearon su segunda empresa de arranque, la Corporación Intel.Entre las Líneas En 1970 Intel introdujo el microchip DRAM 1103 que abrió el mercado comercial de microchips de memoria.Entre las Líneas En 1971 la empresa introdujo el 4004, el primer microprocesador comercial. El microprocesador es una unidad central de procesamiento de una computadora en un solo microchip. Un microprocesador como el 4004 sólo requería otros tres microchips para formar la “placa madre” de una computadora digital completa. Poco después, empresas como Intel y Texas Instruments comenzaron a producir microcontroladores, que colocaron los circuitos del microprocesador junto con la memoria y otros circuitos en un único circuito integrado. Los microprocesadores fueron un desarrollo característico de los circuitos integrados, que permitió a los diseñadores utilizar cada vez más la informática digital para funciones de control en una enorme gama de bienes de consumo e industriales.

Desde el decenio de 1960 hasta la actualidad, la industria mundial (o global) de microchips y sus proveedores de materiales y equipo de producción han invertido cientos de miles de millones de dólares en el desarrollo de la tecnología de impresión química. Con ella, la industria ha desarrollado la capacidad de reducir el tamaño de los transistores en los microchips de aproximadamente medio milímetro a 50 nanómetros y más pequeños, y así aumentar el número de transistores en los microchips de unos 50 a más de 4.000 millones. El costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) promedio de un transistor en un microchip ha bajado de un dólar a finales de los años 60 a varias billonésimas de dólar en el momento de escribir este artículo. El ritmo de este cambio también ha sido notablemente consistente, generalmente en línea con la predicción de Moore de duplicar la complejidad para minimizar el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) cada dos años más o menos. De hecho, desde principios de la década de 1990 el mantenimiento de este ritmo constante ha sido un proyecto explícito de la industria mundial (o global) del microchip y su Hoja de Ruta Internacional de Tecnología para Semiconductores, un esfuerzo de gestión tecnológica en colaboración.

La enorme caída del costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de la electrónica en forma de microchips cada vez más complejos ha ido acompañada de un drástico crecimiento del mercado y del consumo de los mismos. Desde la década de 1970 hasta la actualidad, los microchips de silicio han sido adoptados por los productores de la mayoría de los productos, servicios y sistemas. Los microchips de silicio proporcionan computación digital para el transporte, especialmente de automóviles, comunicaciones, armas militares y vigilancia, así como para innumerables bienes domésticos, industriales y personales. Las computadoras personales, hechas de microprocesadores y microchips de memoria, ahora cuentan con sistemas de almacenamiento, unidades de estado sólido hechas también de microchips de silicio. Cada vez más, los dispositivos informáticos están hechos sólo de microchips de silicio. Los microchips de silicio son los componentes críticos de las máquinas de computación y la infraestructura de comunicaciones que subyacen a la moderna computación personal, la World Wide Web y la telefonía móvil.

En el momento de escribir este artículo, los productores de circuitos integrados de silicio están fabricando microchips con características tan diminutas como 14 nanómetros, y el costo (o coste, como se emplea mayoritariamente en España) de las instalaciones de producción de microchips se ha elevado a varios miles de millones de dólares. Muchos analistas no están seguros de que la comunidad electrónica pueda continuar el ritmo y el camino del desarrollo de los microchips de silicio. Cada vez más, los investigadores están buscando nuevos materiales y estructuras para aumentar los microchips de silicio o como formas alternativas de circuitos integrados. Otros investigadores están investigando paradigmas de diseño alternativos para microchips de silicio o incluso formas alternativas de computación.

Datos verificados por: Marck

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Circuito Integrado: Integrated circuit

Véase También

Computadoras, Historia de; Circuitos eléctricos y resistencia; Internet; Computadoras personales; Mecánica cuántica; Radio; Supercomputadoras; Televisión; Transistores

Bibliografía

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