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Imprime tu próxima PC
Como le gusta señalar a Joseph Jacobson, a pesar de todas las ganancias en el rendimiento de los chips semiconductores durante las últimas décadas, un circuito integrado típico (el cerebro detrás de su computadora) sigue siendo demasiado caro para la mayoría de las personas en el planeta. Mire cómo se hace [un chip], dice, golpeando el aire con una mano mientras dirige una presentación de PowerPoint con la otra. Fabricar un chip lógico de alta calidad como el procesador Pentium de Intel, señala, lleva dos semanas, siete días a la semana, 24 horas al día. Las instalaciones de fabricación de chips como las que tiene Intel son una herramienta de $ 1.6 mil millones. Y hay muy pocas personas en el mundo que puedan tocar esa herramienta.
La solución de Jacobson: una fábrica de escritorio capaz de imprimir circuitos directamente sobre un sustrato, como plástico, sin el gasto y la molestia de una instalación de fabricación multimillonaria. Jacobson, director del Printed PC Group en el Media Lab del MIT, ya ha logrado imprimir transistores rudimentarios pero funcionales utilizando una tinta que consta de partículas semiconductoras de tamaño nanométrico. Nuestro objetivo es seguir la trayectoria que tomó el silicio y comenzar a imprimir procesadores con quizás varios cientos de transistores, pasando a miles y luego más, dice Jacobson. Deberíamos poder demostrar un procesador muy simple en los próximos 12 a 18 meses. Y predice que los chips lógicos impresos con la velocidad y la potencia de un Pentium podrían eventualmente ser posibles, haciendo que los microchips estén disponibles por una fracción del tiempo y los gastos asociados con la fabricación convencional.
Si la visión de Jacobson se hace realidad, podría cambiar todo en el hardware de la computadora. La electrónica impresa podría ser lo suficientemente barata como para encontrar su camino en todo, desde papel tapiz capaz de mostrar imágenes cambiantes hasta circuitos lógicos diseñados a medida. Una fábrica de chips en cada computadora de escritorio podría traer el día en que las personas descarguen la arquitectura de los circuitos integrados de la forma en que descargan el software hoy en día. En resumen, podría transformar la fabricación de hardware de la misma forma en que el movimiento del código abierto ha cambiado la forma en que se escribe el software. De hecho, en su forma más visionaria, Jacobson sostiene que la lógica impresa podría dar lugar a un movimiento de hardware de código abierto en el que los chips se diseñan a medida a través de Internet y el consumidor los imprime aproximadamente en el mismo tiempo que se tarda en imprimir una página web. Podría, dice Jacobson, descargar el diseño del chip de la Web, agregar algunas modificaciones de algún tipo en la India, y el dispositivo se dispara.
Es la hora del almuerzo en el laboratorio de Jacobson, una habitación sin ventanas con marañas de cables de colores colgando de las paredes y el techo y una fila de campanas químicas colocadas a lo largo de una pared. El entusiasmo de Jacobson es contagioso, y el laboratorio abarrotado es obviamente donde él y su puñado de estudiantes pasan la mayor parte del tiempo, incluso cuando están comiendo. Lo que nos interesa es darme un trozo de plástico y en unos segundos te devuelvo un Pentium ', o algo de esa complejidad, dice entre bocados. Lo digo en serio. No más lento que un Pentium; indistinguible de un Pentium.
Viniendo de casi cualquier otra persona, tal afirmación sería difícil de aceptar. Pero el profesor asociado de 35 años tiene las credenciales para entregar los productos. Después de todo, cuando Jacobson se unió al Media Lab en 1996, su ambición inmediata sonaba casi igual de extravagante. Quería tener una [pantalla] de visualización que pudiera imprimirse, recuerda Jacobson. Quería algo que fuera increíblemente económico, algo que pareciera tinta sobre papel. Algo, en otras palabras, como papel electrónico.
Su solución fue un riff de la investigación realizada en Xerox Palo Alto Research Center (PARC) en la década de 1970, donde los investigadores habían creado bolas microscópicas que eran negras en la parte superior y blancas en la parte inferior. Una carga eléctrica determinó qué lado de las bolas giraba hacia arriba. Con un cableado inteligente, las bolas se podrían hacer para formar letras y palabras. Jacobson y un puñado de estudiantes universitarios del MIT llevaron la idea en nuevas direcciones. En lugar de hacer bolas de dos colores, fabricaron millones de microcápsulas diminutas, cada una de las cuales contenía una mezcla líquida de aceite, tinte oscuro y fragmentos diminutos de pigmento blanco. Luego colocaron el material en capas sobre plástico flexible y lo intercalaron entre electrodos transparentes en la parte superior e inferior. Dependiendo de la carga aplicada, los fragmentos blancos migran hacia la parte superior o inferior de la esfera y, cuando se activan en conjunto, los electrodos pueden forzar la tinta en patrones reconocibles.
El resto es materia de leyendas de empresas emergentes. E Ink se formó en 1997 con varios estudiantes de Jacobson a la cabeza, y desde entonces ha recaudado casi $ 55 millones en financiamiento privado, formando acuerdos con empresas como Motorola y Hearst Publishing. Tanto los medios como los expertos han proclamado que la tecnología es el fin del papel tal como lo conocemos. Pero lo que se perdió en todo el revuelo sobre el papel electrónico es que todavía se necesitan dispositivos electrónicos para controlar los píxeles (la tinta) de las pantallas. Los prototipos construidos hasta ahora por E Ink continúan confiando en chips de silicio tradicionales (léase: no baratos) para controlar la pantalla. Para aprovechar todos los beneficios de la tecnología, necesita circuitos electrónicos baratos y flexibles. E Ink se ha asociado recientemente con Lucent Technologies, cuyos investigadores han estado trabajando en formas de imprimir transistores orgánicos en sustratos plásticos flexibles. (Las dos empresas esperan presentar un prototipo funcional de la tecnología este otoño).
Jacobson, sin embargo, tiene ambiciones aún mayores. No solo quiere imprimir los circuitos electrónicos relativamente simples necesarios para controlar una pantalla de visualización, sino que quiere dar el siguiente paso y encontrar una manera de fabricar una lógica de alta calidad del orden de un Pentium utilizando métodos de impresión similares. No solo podrá imprimir su pantalla; podría, en cierto sentido, imprimir la propia PC, o al menos sus circuitos esenciales.
Solución inorgánica
Hacer un chip tan poderoso como un Pentium por medios tradicionales no es tarea fácil. Si bien los fabricantes de semiconductores como Intel han aprendido a hacer transistores cada vez más pequeños durante las últimas décadas, exprimiendo mucho más rendimiento en los microprocesadores, la mecánica básica de la fabricación de chips no ha cambiado mucho. El material base sigue siendo silicio, cortado en finas obleas. Una capa aislante de dióxido de silicio va encima de la oblea; se deposita una fina capa de fotorresistente (un material sensible a la luz) sobre el dióxido de silicio. Los rayos de luz proyectan el patrón del circuito sobre el fotorresistente a través de una plantilla; luego, el patrón es grabado por ácidos o gases reactivos. Se agregan capas adicionales de silicio, se agregan dopantes como boro o arsénico a la mezcla y, finalmente, los transistores se conectan mediante diminutos cables de aluminio.
Los microchips resultantes son una maravilla de la ingeniería y son en gran parte responsables de impulsar la Revolución de la Información. Utilizando plantas de fabricación multimillonarias, Intel y otros ahora pueden fabricar transistores tan pequeños como unos pocos cientos de nanómetros de diámetro (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro), empaquetando decenas de millones de ellos en un solo chip. La desventaja es que los varios cientos de pasos de fabricación toman más de dos semanas y requieren salas limpias cientos o miles de veces más prístinas que un laboratorio promedio.
El otoño pasado, Jacobson y su alumno Brent Ridley describieron en la revista Science los primeros transistores inorgánicos impresos. Varios otros grupos de investigación, sobre todo en los Bell Labs de Lucent y la Universidad de Cambridge en Gran Bretaña, también han impreso transistores. Sin embargo, estos grupos utilizan polímeros orgánicos; tales materiales podrían ser muy prometedores en la electrónica necesaria para fabricar pantallas baratas y flexibles. Pero los transistores orgánicos parecen estar inherentemente limitados en velocidad de computación. El gran avance de Jacobson es que él y sus colegas del Media Lab han creado suspensiones líquidas de semiconductores inorgánicos, la misma clase de materiales que se usa en su chip Pentium, para que puedan usarse en un proceso de impresión. En otras palabras, en lugar de tallar la lógica en una pieza sólida de silicio, Jacobson simplemente la imprime en un sustrato.
El optimismo de Jacobson está justificado por los rápidos avances de su grupo en la síntesis de tinta semiconductora. En condiciones normales, los materiales semiconductores como el silicio, el seleniuro de cadmio y el arseniuro de galio forman cristales a granel con puntos de fusión muy por encima de los 1000 C. Sin embargo, Jacobson y su equipo han encontrado una manera de sintetizar una solución de diminutos nanocristales de 100 átomos o menos. Esta tinta semiconductora se puede modelar o imprimir en una variedad de sustratos, incluidas láminas delgadas de plástico, a temperaturas inferiores a 300 C. Las partículas, señala Jacobson, son lo suficientemente pequeñas como para formar estructuras de 200 nanómetros, aproximadamente de la escala de circuitos integrados complejos como Chip Pentium de Intel.
La suspensión de nanopartículas es tan similar a las tintas convencionales que Jacobson y sus compañeros de trabajo pueden usar una impresora de inyección de tinta fabricada por Hitachi para fabricar pequeñas máquinas llamadas MEMS o sistemas microelectromecánicos. MEMS, que son una de las áreas nuevas de más rápido crecimiento en tecnología de materiales ( ver Que la Micro Fuerza te acompañe , TR septiembre / octubre de 1999 ), se fabrican típicamente utilizando muchas de las mismas técnicas arduas que se utilizan para fabricar microchips de silicio convencionales. Con la impresora de inyección de tinta, Jacobson y sus estudiantes han logrado crear un actuador térmico funcional y un motor de accionamiento lineal con características del orden de 100 micrómetros simplemente depositando cientos de capas de tinta. Y son capaces de formar pequeñas máquinas sin una sala limpia y a temperaturas muy por debajo de los 300 C.
El grupo también ha utilizado la impresora de inyección de tinta para producir etiquetas de identificación por radiofrecuencia mucho más inteligentes. Otros también están trabajando en este tipo de etiquetas, pero se basan en la lógica que utiliza transistores orgánicos. Jacobson cree que la lógica más rápida posible con los inorgánicos puede hacer que su versión de las etiquetas sea mucho más inteligente, lo que permite a las empresas rastrear todo, desde productos costosos hasta paquetes en un supermercado. Un detector de señales de radio podría leer los dispositivos, actualizarlos e integrarlos en los sistemas de inventario. Una persona podría entrar a un supermercado, recoger algunos artículos y salir, y el dinero se contabilizaría y deduciría automáticamente de su cuenta bancaria y del sistema de inventario del supermercado.
Usar circuitos impresos como ese es solo el comienzo. Debido a que la lógica de la computadora está impresa, se puede poner en la superficie de casi cualquier cosa: etiquetas de latas de sopa, textiles, latas de refrescos. Puede agregar inteligencia a casi cualquier cosa que desee, afirma Colin Bulthaup, uno de los estudiantes de Jacobson. Una cosa que queremos hacer es construir una cámara digital en una tarjeta de presentación: todo lo que está incrustado en la propia tarjeta. No hay ninguna razón para tener todos estos chips de silicio torpes. Puede modelar su semiconductor, su fotodetector, todos los materiales juntos, e integrarlos en un solo dispositivo, que es increíblemente pequeño, increíblemente barato e increíblemente rápido de producir.
Sin embargo, fabricar estos dispositivos con una impresora de inyección de tinta está muy lejos de imprimir circuitos lógicos de alta calidad. Eso requiere fabricar transistores y otros componentes electrónicos a una escala de unos pocos cientos de nanómetros, el nivel de precisión de un chip Pentium. Para eso, Jacobson ha hecho uso de sellos de polímero que no se ven tan diferentes de los sellos utilizados para certificar documentos. En una versión, el sello tiene la arquitectura del circuito en relieve positivo y se sumerge en la tinta de nanopartículas; el circuito se transfiere a mano sobre un sustrato. También es prometedor un sello negativo que estampa una fina capa de tinta previamente depositada sobre una superficie de plástico. Las características del sello empujan la tinta a un lado en ciertos puntos, formando cualquier característica que esté grabada en el sello con resoluciones de 200 nanómetros.
Desafío Pentium
Todo esto es una visión muy atractiva. Pero, ¿puede la electrónica impresa competir con las fábricas multimillonarias en la fabricación de los circuitos exactos necesarios para una lógica de alta calidad? Sigurd Wagner, por ejemplo, no lo cree así. Wagner, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton, también está investigando la lógica inorgánica impresa, pero ve su promesa en la electrónica barata que se puede usar en grandes superficies, no en microprocesadores de alta calidad.
Su objetivo, dice Wagner, no es competir con la tecnología de circuitos integrados; es ir a un área que los circuitos integrados tradicionales no pueden manejar. Las aplicaciones atractivas incluyen papel tapiz que actúa como una pantalla de visualización gigante, electrónica entretejida en textiles, incluso una piel electrónica que cubre un avión que es capaz de responder mecánicamente a las condiciones cambiantes.
Jacobson está de acuerdo en que la recompensa a corto plazo vendrá al producir la electrónica barata y flexible que podría hacer posibles tales aplicaciones. Hay una gran cantidad de aplicaciones para lógica desechable de bajo consumo increíblemente económica en sustratos de plástico, dice. Y por ahora, los circuitos impresos de Jacobson son más adecuados para estos usos. Por un lado, todavía son demasiado lentos para aplicaciones lógicas avanzadas; Si bien los transistores inorgánicos de Jacobson son un orden de magnitud más rápidos que los transistores orgánicos impresos fabricados por Lucent y otros grupos de investigación, siguen siendo 100 veces más lentos que los mejores transistores inorgánicos fabricados con técnicas convencionales.
Pero hacer que los chips tipo Pentium del mañana en una computadora de escritorio sean fabulosos sigue siendo un destello en los ojos de Jacobson. Eso requerirá aumentar la velocidad de la lógica inorgánica impresa. Es probable que sea un proyecto de investigación de varios años, dice, pero creemos que es factible.
Es el tipo de desafío y proyecto enormemente ambicioso que le encanta a Jacobson. Es el tipo de proyecto que te hace repensar las posibilidades de un objeto muy familiar. Con E Ink, le está dando un nuevo giro a un invento muy antiguo: la página impresa. En lugar de tirar el periódico, Jacobson quiere preservar sus virtudes mientras lo actualiza para la era de la información. Y ahora está reconsiderando la fabricación de circuitos integrados. Si Jacobson puede hacer que sus visiones de los circuitos impresos sean prácticas, podría cambiar el significado de hardware y reemplazar la fábrica de semiconductores multimillonaria con algo no tan diferente de los sellos que han existido durante miles de años.
Mientras que el resto de la industria informática intenta bajar los precios del hardware mediante la producción en masa de unos pocos chips estandarizados, Jacobson va en la dirección opuesta, tratando de hacer de cada persona el maestro (y fabricante) de su propia lógica.