El nuevo material que ahorra energía y miniaturiza los chips
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El nuevo material que ahorra energía y miniaturiza los chips

Frente a las promesas de futuro del grafeno y demás, el nitruro de galio, el GaN, se presenta como uno de los candidatos más prometedores. El heredero del silicio, llamado a revolucionar la próxima generación de transistores, con implicaciones desde las comunicaciones 5G hasta los vehículos autónomos, podría tener también las claves para el ahorro energético global.

El GaN puede ser mucho más eficiente que el silicio, y usar menos energía, permitiendo que los dispositivos sean mucho más pequeños que los convencionales. Crédito: Brian Kostiuk.

 

ISABEL RUBIO ARROYO | Tungsteno

Desde móviles, ordenadores y procesadores a coches eléctricos y paneles fotovoltaicos. Casi todos los dispositivos de la electrónica moderna utilizan chips de silicio. Pero la capacidad limitada de este elemento ha provocado que, en los últimos años, científicos de todo el mundo investiguen con otros materiales. Por ejemplo, con arseniuro de galio, grafeno o nanotubos de carbono. Entre todos los aspirantes a sustituir el silicio, uno de los candidatos más prometedores es el nitruro de galio (GaN). Este material ya está aquí, en forma de productos a la venta, y puede ser una buena alternativa a corto plazo.

La ley de Moore establece que el número de transistores que caben dentro de un chip se duplica cada dos años. El silicio no es un conductor perfecto, por lo que cada vez resulta más difícil hacer procesadores más pequeños y, a su vez, más potentes. Ante la esperada ralentización de la ley de Moore, compañías tecnológicas, gobiernos y universidades buscan alternativas a las formas actuales de fabricación de microchips.

A diferencia del silicio cristalino, que lleva medio siglo usándose en los microchips y paneles solares, el nitruro de galio es un material hecho por el hombre que no existe en la naturaleza. “Pero los átomos de los que está hecho sí”, explica Colin Humphreys, investigador del Centro para el Nitruro de Galio en la Universidad de Cambridge. El GaN está compuesto de átomos de galio y nitrógeno. El galio se extrae de la tierra mientras que el nitrógeno “está en la atmósfera que respiramos”.

Gracias a sus propiedades, un uso masivo del GaN en la iluminación supondría un ahorro del 25% de la energía mundial. Crédito: Cambridge Centre for Gallium Nitride.

Eficiencia y resistencia

El GaN destaca porque puede llegar a ser mucho más eficiente que el silicio y usar menos energía. De esta forma, permite por ejemplo que los dispositivos de carga sean mucho más pequeños que los convencionales. Prueba de ello es un adaptador de corriente fabricado en 2019 por la empresa Anker. Se trata de un pequeño cubo con un puerto USB-C que apenas pesa 60 gramos y puede alimentar sin problema un ordenador.

Además, el nitruro de galio se puede utilizar para emitir luz brillante en forma de diodos emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) y diodos láser. Y gana también al silicio a la hora de operar a altas temperaturas. Esta capacidad abre nuevas posibilidades para diseñar los dispositivos del futuro. Es el caso de los vehículos eléctricos, que en la actualidad suelen tener sus componentes electrónicos lejos del motor para evitar que se calienten demasiado.

Tal es la importancia del nitruro de galio que cada vez más equipos de investigación analizan las posibilidades de este material. De hecho, la Universidad de Cambridge y el Instituto Tecnológico de Massachusetts han creado grupos de investigación específicos para explorar sus aplicaciones electrónicas. Ambos grupos tienen como objetivo medir las propiedades físicas del GaN. El equipo de investigadores del MIT analiza en concreto qué dispositivos de nitruro de galio son compatibles con las tecnologías que se utilizan hoy en día para los aparatos de silicio. Incluso el Departamento de Energía de Estados Unidos ha impulsado proyectos para analizar sus propiedades.

La clave del futuro de los transistores

Para Humphreys, el GaN “es posiblemente el material nuevo más relevante desde el silicio”. No le cabe duda de que será un elemento clave para la próxima generación de transistores: “El nitruro de galio puede hacer que los dispositivos electrónicos funcionen a una mayor potencia, mayor frecuencia y mayor temperatura que el silicio. Y gastando menos energía”. Las comunicaciones 5G, según destaca, utilizarán en muchos casos dispositivos electrónicos GaN en lugar de silicio. "El 5G funciona en frecuencias más altas que el 4G. Los chips de nitruro de galio son más potentes y pueden operar en estas frecuencias, pero los chips de silicio no”, explica el investigador.

Además de ser útil para este tipo de equipos, también son relevantes sus propiedades para la iluminación. “Es un material importante porque mezclado con otro elemento, el indio, emite una luz brillante cuando una pequeña corriente eléctrica pasa a través de él”, afirma. Los diodos emisores de luz de nitruro de galio, según sostiene, tienen un futuro muy prometedor, ya que “son muy eficientes y han comenzado a dominar la iluminación del mundo”.

Esta eficiencia se manifiesta en un ahorro considerable. De hecho, según el investigador, un uso masivo del GaN en la iluminación “serviría para ahorrar un 15% de la electricidad utilizada a nivel mundial”. Si además se tienen en cuenta los dispositivos electrónicos que funcionarían con este material, las cifras serían aún más considerables. En total, Humphreys sostiene que el uso de GaN “podría ahorrarle al mundo el 25% de la electricidad utilizada”.

La clave de la próxima generación de transistores está en el GaN, que permite operar a una mayor potencia, mayor frecuencia y mayor temperatura que el silicio. Crédito: Bryce Vickmark / MIT.

Barreras en la implantación

¿Por qué por el momento no se ha reemplazado el silicio por el GaN? Pese a las ventajas que trae consigo este material, aún no se ha implantado de manera masiva. La principal desventaja de los dispositivos GaN es que son más caros que los dispositivos de silicio. A esto se suma que el silicio es un material muy maduro e implantado en la sociedad. Para que el nitruro de galio pueda llegar a triunfar en un futuro, es necesario demostrar de antemano su fiabilidad con múltiples investigaciones.

Aún es pronto para determinar el verdadero impacto que tendrá el nitruro de galio en la sociedad. De hecho, hay diferentes investigaciones en marcha sobre los posibles sustitutos del silicio. Por ejemplo, un equipo de científicos ha desarrollado un procesador de 16 bits con unos 14,000 transistores de nanotubos de carbono (CNT), según una investigación publicada en 2019 en la revista Nature. Mientras tanto, un grupo de investigación del CSIC trabaja con el procesamiento óptico o de semiconductores fotónicos.

Pero a Humphreys no le cabe la menor duda de que el nitruro de galio finalmente acabará desbancando a muchos otros materiales. El investigador explica que este material aún no se utiliza en ordenadores y móviles, aunque “la luz del flash de la cámara de los smartphones es un LED de GaN”. Sin embargo, este elemento ya está comenzando a reemplazar el silicio en las estaciones base de telefonía móvil 4G, que se utilizan para amplificar las señales de nuestros smartphones. Los amplificadores GaN “son más potentes que los de silicio, lo que permite que las estaciones base se puedan separar aún más entre sí”.

El nitruro de galio puede además permitir desde inventar coches eléctricos con mayor autonomía hasta fabricar procesadores más pequeños y potentes sin las limitaciones del silicio. “Los dispositivos de silicio estarán con nosotros durante mucho tiempo, pero los dispositivos GaN los reemplazarán gradualmente”, concluye Humphreys.

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