Un chip de computadora típico incluye millones de transistores conectados con una extensa red de cables de cobre. Aunque los cables de viruta son inimaginablemente cortos y delgados en comparación con los cables domésticos, ambos tienen una cosa en común:en cada caso, el cobre está envuelto dentro de una funda protectora.

Durante años, un material llamado nitruro de tantalio ha formado una capa protectora en los alambres de viruta.

Ahora, los experimentos dirigidos por Stanford demuestran que un material de revestimiento diferente, grafeno puede ayudar a que los electrones pasen a través de pequeños cables de cobre en chips más rápidamente.

El grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos en una red fuerte pero delgada. El ingeniero eléctrico de Stanford H.-S. Philip Wong dice que esta modesta solución, usando grafeno para envolver cables, podría permitir que los transistores intercambien datos más rápido de lo que es posible actualmente. Y las ventajas de usar grafeno serían mayores en el futuro a medida que los transistores sigan encogiéndose.

"Los investigadores han logrado enormes avances en todos los demás componentes de los chips, pero recientemente, no ha habido mucho progreso en la mejora del rendimiento de los cables, " él dijo.

Wong dirigió un equipo de seis investigadores, incluidos dos de la Universidad de Wisconsin-Madison, quienes presentarán sus hallazgos en los Simposios de Tecnología y Circuitos VLSI en Kioto, un lugar líder para la industria electrónica.

Ling Li, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica en Stanford y primer autor del artículo de investigación, explicó por qué cambiar la envoltura exterior en los cables de conexión puede tener un impacto tan grande en el rendimiento del chip.

Comienza entendiendo el doble papel de esta capa protectora:aísla el cobre del silicio en el chip y también sirve para conducir la electricidad.

En chips de silicio, los transistores actúan como pequeñas puertas para encender o apagar electrones. Esa función de conmutación es la forma en que los transistores procesan los datos.

Los cables de cobre entre los transistores transportan estos datos una vez que se procesan.

El material aislante, actualmente nitruro de tantalio, evita que el cobre migre a los transistores de silicio y los vuelva no funcionales.

¿Por qué cambiar al grafeno?

Dos razones, empezando por el deseo incesante de seguir haciendo más pequeños los componentes electrónicos.

Cuando el equipo de Stanford usó la capa más delgada posible de nitruro de tantalio necesaria para realizar esta función de aislamiento, descubrieron que el estándar de la industria era ocho veces más grueso que la capa de grafeno que hacía el mismo trabajo.

El grafeno tenía una segunda ventaja como revestimiento protector y aquí es importante diferenciar cómo funciona esta capa exterior en los cables de chip frente a los cables domésticos.

En los cables de las casas, la capa exterior aísla el cobre para evitar electrocuciones o incendios.

En un chip, la capa alrededor de los cables es una barrera para evitar que los átomos de cobre se infiltran en el silicio. Si eso sucediera, los transistores dejarían de funcionar. Entonces la capa protectora aísla el cobre del silicio

El experimento de Stanford demostró que el grafeno podría realizar este papel aislante al mismo tiempo que sirve como conductor auxiliar de electrones. Su estructura de celosía permite que los electrones salten de un átomo de carbono a otro directamente por el cable, mientras contiene efectivamente los átomos de cobre dentro del alambre de cobre.

Estos beneficios, la delgadez de la capa de grafeno y su doble función como aislante y conductor auxiliar, permiten que esta nueva tecnología de cables lleve más datos entre transistores. acelerando el rendimiento general del chip en el proceso.

En los chips de hoy, los beneficios son modestos; un aislador de grafeno aumentaría la velocidad de los cables del cuatro al 17 por ciento, dependiendo de la longitud del cable.

Pero a medida que los transistores y los cables continúan reduciéndose de tamaño, los beneficios del aislador de grafeno ultrafino pero conductor son mayores. Los ingenieros de Stanford estiman que su tecnología podría aumentar la velocidad del cable en un 30 por ciento en las próximas dos generaciones.

Los investigadores de Stanford creen que la promesa de una informática más rápida inducirá a otros investigadores a interesarse por los cables, y ayudar a superar algunos de los obstáculos necesarios para llevar esta prueba de principio a una práctica común.

Esto incluiría técnicas para cultivar grafeno, especialmente cultivándolo directamente sobre cables mientras se producen chips en masa. Además de su colaborador de la Universidad de Wisconsin, el profesor Michael Arnold, Wong citó al profesor de la Universidad de Purdue, Zhihong Chen. Wong señaló que la idea de usar grafeno como aislante fue inspirada por el profesor Paul McEuen de la Universidad de Cornell y su investigación pionera sobre las propiedades básicas de este maravilloso material. Alexander Balandin de la Universidad de California-Riverside también ha hecho contribuciones al uso de grafeno en chips.

"Se ha prometido que el grafeno beneficiará a la industria electrónica durante mucho tiempo, y usarlo como barrera de cobre es quizás la primera realización de esta promesa, "Dijo Wong.