Un equipo de investigadores de la Universidad de Pekín ha anunciado un posible avance en la tecnología de chips, desarrollando un transistor bidimensional que supera a los chips de silicio líderes de empresas como Intel y TSMC tanto en velocidad como en eficiencia energética. Esta innovación podría ofrecer a China un camino para evitar los desafíos en la fabricación tradicional de chips de silicio, potencialmente remodelando el panorama mundial de los semiconductores.
Un avance significativo en la tecnología de chips ha surgido de un equipo de investigadores de la Universidad de Pekín (PKU), con el potencial de remodelar la carrera global de los semiconductores. Su nuevo transistor 2D demuestra un rendimiento notable, afirmando ser un 40% más rápido que los últimos chips de silicio de 3 nanómetros de los gigantes de la industria Intel y TSMC, al tiempo que consume un 10% menos de energía. Esta innovación promete permitir a China sortear los complejos desafíos asociados con la fabricación tradicional de chips basada en silicio, una perspectiva con implicaciones de gran alcance para el panorama tecnológico. Como se indica en una publicación del sitio web oficial de PKU, “es el transistor más rápido y eficiente jamás creado”.
El núcleo de este avance radica en un diseño de transistor basado en bismuto, que representa un cambio fundamental en la tecnología de semiconductores. Liderado por el profesor de química física Peng Hailin, el equipo de investigación considera su enfoque como una desviación de las mejoras incrementales en los materiales existentes. Peng describió el cambio con elocuencia, afirmando: “Si las innovaciones de chips basadas en materiales existentes se consideran un ‘atajo’, entonces nuestro desarrollo de transistores basados en materiales 2D es similar a ‘cambiar de carril’”. Esta analogía destaca la naturaleza radical de su innovación, que va más allá de los refinamientos de las técnicas establecidas hacia un enfoque arquitectónico completamente nuevo. El trabajo del equipo ha sido publicado en la prestigiosa revista *Nature Materials*, lo que valida aún más su importancia dentro de la comunidad científica.
El desarrollo es particularmente notable considerando el contexto geopolítico actual y el impacto de las sanciones lideradas por EE. UU. sobre el acceso de China a la tecnología de semiconductores avanzada. Si bien estas sanciones inicialmente presentaron un obstáculo significativo, Peng argumenta que también han impulsado la innovación. Explicó que las limitaciones “también fuerza a los investigadores a encontrar soluciones desde perspectivas frescas”. Esta perspectiva subraya el papel de la necesidad como catalizador del avance tecnológico, impulsando al equipo de PKU a explorar materiales y diseños alternativos.
El innovador diseño de transistores se centra en un transistor de efecto de campo alrededor de la puerta (GAAFET) que utiliza materiales basados en bismuto. Esto representa una desviación significativa de la estructura estándar de la industria, el Transistor de Efecto de Campo de Aleta (FinFET), que ha sido la arquitectura dominante desde que Intel la comercializó en 2011. La clave de la diferencia radica en la eliminación de la “aleta” utilizada en los diseños FinFET, lo que aumenta el área de contacto entre la puerta y el canal. Los investigadores han trazado una analogía convincente para ilustrar este cambio, comparándolo con “cambiar edificios altos por puentes conectados, facilitando el movimiento de los electrones”. Esta mejorada área de contacto facilita un flujo de electrones más eficiente, contribuyendo al rendimiento mejorado.
Las limitaciones de los chips basados en silicio se han vuelto cada vez más evidentes a medida que la industria se esfuerza por impulsar la densidad de integración más allá de la escala de 3 nanómetros. La estructura GAAFET aborda directamente estos desafíos. Para optimizar aún más el rendimiento, los investigadores recurrieron a materiales semiconductores 2D, reconocidos por su uniformidad de espesor atómico y mayor movilidad en comparación con el silicio. Si bien los intentos anteriores de incorporar materiales 2D en los transistores enfrentaron obstáculos estructurales, el equipo de PKU superó estos obstáculos mediante la ingeniería de sus propios materiales basados en bismuto: Bi2O2Se y Bi2SeO5. Bi2O2Se funciona como el semiconductor, mientras que Bi2SeO5 sirve como el material de óxido de alta constante dieléctrica. La alta constante dieléctrica de Bi2SeO5 es crucial, reduciendo la pérdida de energía, minimizando los requisitos de voltaje y, en última instancia, mejorando la potencia de cómputo y reduciendo el consumo de energía.
La fabricación de estos transistores experimentales se llevó a cabo utilizando la plataforma de procesamiento de alta precisión de PKU, lo que demuestra el compromiso de la institución con las capacidades de fabricación avanzadas. Para validar su diseño, los investigadores emplearon cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT). Estos cálculos confirmaron que la interfaz Bi2O2Se/Bi2SeO5 exhibía menos defectos y un flujo de electrones más suave en comparación con las interfaces semiconductor-óxido existentes. Esta reducción de la dispersión de electrones y la pérdida de corriente permite que los electrones fluyan con una resistencia mínima, un efecto similar a “el agua moviéndose a través de una tubería lisa”.
Los resultados son impactantes: los transistores basados en esta tecnología pueden funcionar 1,4 veces más rápido que los chips basados en silicio más avanzados, consumiendo solo el 90% de su energía. El equipo de PKU ya ha progresado más allá de la etapa experimental, construyendo con éxito pequeñas unidades lógicas utilizando los nuevos transistores, demostrando una alta ganancia de voltaje a voltajes de funcionamiento ultra bajos. Peng resumió el potencial en su artículo de investigación, afirmando: “Este trabajo demuestra que los GAAFET 2D sí exhiben un rendimiento y una eficiencia energética comparables a los transistores basados en silicio comerciales, lo que los convierte en un candidato prometedor para el siguiente nodo tecnológico”. Esto indica un paso significativo hacia la viabilidad comercial y la adopción generalizada.
Investigadores de la Universidad de Pekín han desarrollado un transistor bidimensional a base de bismuto que supera a los chips de silicio líderes en velocidad y eficiencia energética. Este avance, logrado mediante un innovador diseño GAAFET que utiliza materiales 2D de ingeniería, podría permitir a China sortear las limitaciones actuales de los semiconductores y representa un cambio fundamental en la tecnología de chips, destacando el potencial de materiales alternativos.