Investigadores chinos de la Universidad de Pekín han anunciado un posible avance en el diseño de transistores, desarrollando un transistor sin silicio basado en un material bidimensional que podría cambiar drásticamente el desarrollo de microprocesadores. La innovación utiliza una arquitectura de puerta alrededor (GAAFET), que ofrece una cobertura completa de la puerta alrededor de la fuente del transistor, una mejora significativa con respecto a la cobertura parcial en los diseños FinFET tradicionales utilizados en los procesadores actuales basados en silicio.

Investigadores chinos de la Universidad de Pekín aparentemente han logrado un avance significativo en el diseño de transistores, lo que podría revolucionar el desarrollo de microprocesadores. Esta innovación se centra en un transistor sin silicio construido con un material bidimensional, el oxiselenido de bismuto.

El núcleo de este avance reside en la arquitectura gate-all-around (GAAFET). A diferencia de los diseños FinFET tradicionales, que ofrecen solo una cobertura parcial de la compuerta, el diseño GAAFET permite que la compuerta del transistor envuelva completamente la fuente. Esta estructura de envoltura completa es crucial, ya que mejora significativamente el área de contacto entre la compuerta y el canal. En consecuencia, este diseño mejora el rendimiento al minimizar la fuga de energía y proporcionar un control de corriente superior.

Este diseño innovador tiene el potencial de alterar el dominio actual de los chips de silicio. La investigación, publicada en Nature Materials, sugiere que este nuevo GAAFET 2D podría rivalizar o incluso superar a los transistores de silicio tanto en velocidad como en eficiencia energética.

Las afirmaciones de los investigadores son bastante ambiciosas. Afirman que su transistor 2D logra velocidades un 40% más rápidas que los últimos chips de 3 nm de Intel, consumiendo un 10% menos de energía. Este nivel de rendimiento lo colocaría por delante de los procesadores actuales de líderes de la industria como TSMC y Samsung.

Las ventajas de la arquitectura GAAFET son sustanciales. La cobertura parcial de la compuerta en los diseños tradicionales limita el control de la corriente y aumenta la pérdida de energía. La nueva estructura de compuerta completa aborda directamente estos problemas, lo que conduce a una alta ganancia de voltaje y un consumo de energía ultrabajo. El equipo ya ha construido con éxito pequeñas unidades lógicas utilizando el nuevo diseño, lo que demuestra la aplicación práctica de su innovación.

Según la Universidad de Pekín, este nuevo transistor es “el transistor más rápido y eficiente de la historia”. Estas afirmaciones están respaldadas por pruebas rigurosas. Las pruebas se realizaron meticulosamente en condiciones idénticas a las utilizadas para los chips comerciales líderes, lo que da credibilidad a los hallazgos.

El científico principal del proyecto, el profesor Peng Hailin, ofrece una analogía convincente. Afirma que, si bien las innovaciones en chips basadas en materiales existentes son como tomar un “atajo”, su desarrollo de transistores basados en materiales 2D es similar a “cambiar de carril”. Esto resalta el cambio fundamental de enfoque y el potencial de ventajas a largo plazo.

El cambio arquitectónico de las estructuras verticales de los FinFET al diseño entrelazado en forma de puente del nuevo transistor puede superar los límites de miniaturización que enfrenta actualmente la tecnología de silicio. Esto es particularmente significativo a medida que la industria empuja por debajo del umbral de 3 nm, un desafío que podría aliviarse con este nuevo enfoque. Este avance también podría ser particularmente beneficioso para aplicaciones de alto rendimiento, como las computadoras portátiles más rápidas, que requieren chips compactos y eficientes.

El éxito del equipo también se atribuye al desarrollo de dos nuevos materiales a base de bismuto: Bi₂O₂Se como semiconductor y Bi₂SeO₅ como dieléctrico de compuerta. Estos materiales poseen propiedades ventajosas.

Estos materiales se caracterizan por una baja energía de interfaz, lo que reduce los defectos y la dispersión de electrones. Como explicó el profesor Peng, “Esto permite que los electrones fluyan casi sin resistencia, como el agua a través de una tubería lisa”. Este flujo eficiente de electrones es un factor clave en el rendimiento superior del transistor.

Los resultados de rendimiento no son solo teóricos; están respaldados por sólida evidencia científica. Los investigadores utilizaron cálculos de la teoría de funcionales de la densidad (DFT) y validaron sus hallazgos a través de pruebas físicas realizadas utilizando una plataforma de fabricación de alta precisión en la Universidad de Pekín. Esta combinación de modelado teórico y validación experimental fortalece la credibilidad de sus afirmaciones.

Además, los investigadores enfatizan el potencial de fácil integración. Afirman que los transistores se pueden fabricar utilizando la infraestructura de semiconductores actual, lo que simplificaría la transición a la producción comercial y reduciría las barreras a la adopción.

Investigadores chinos de la Universidad de Pekín han creado un transistor GAAFET 2D sin silicio, utilizando oxiselenuro de bismuto, que afirman es el más rápido y eficiente hasta la fecha, superando potencialmente a Intel, TSMC y Samsung. La estructura de puerta completa ofrece un 40% más de velocidad y un 10% menos de consumo de energía, superando los límites de miniaturización y utilizando la infraestructura de semiconductores existente. Aunque significativo, la comercialización está por verse, pero esta innovación podría representar un cambio importante en el desarrollo de microprocesadores.