En busca de la eterna juventud de los circuitos electrónicos

Todos sabemos que ha llegado la hora de cambiar nuestro vehículo cuando, tras un sinfín de averías, pasa más tiempo en el taller que en el garaje. Pero a veces es complicado identificar unos síntomas tan evidentes en los dispositivos electrónicos que manejamos a diario y tan sólo notaremos, en el peor de los casos, una cierta ralentización en su funcionamiento. Si bien el impacto de la degradación de prestaciones en estos equipos para electrónica de consumo no es especialmente crítico, sí lo puede ser en sistemas electrónicos que forman parte de aplicaciones de automoción, aeroespaciales o biomédicas.

Estos sistemas electrónicos están formados por transistores que tienen unas dimensiones por debajo de la centena de nanómetros, permitiendo una gran densidad de integración y un consumo de potencia cada vez más reducido. Sin embargo, a diferencia de las tecnologías que dominaban el mercado hace más de una década (con transistores de dimensiones mucho mayores), el efecto del paso del tiempo en los transistores actuales es muy significativo. De hecho, es habitual que los fabricantes de microprocesadores ajusten la frecuencia (velocidad) de sus microprocesadores de forma conservativa por debajo de la máxima que realmente admitiría. Esto permite “amortiguar” en cierta medida el efecto del paso del tiempo, y hacer que nuestros ordenadores o teléfonos móviles funcionen de forma más o menos fluida durante toda su vida útil.

Los transistores de los chips se pueden degradar debido a distintos fenómenos, y la forma en la que éstos se combinan para deteriorar las prestaciones de un circuito integrado depende de factores tales como la disposición en el circuito de los transistores que envejecen, o las tensiones y temperaturas a las que están expuestos. Con todas estas variables, es difícil predecir cómo disminuirá el rendimiento máximo de un cierto sistema electrónico con el tiempo.

Por tanto, el estudio del envejecimiento de los dispositivos electrónicos adquiere un papel cada vez más relevante ya que, en mayor o menor medida, afecta a todos los bloques de un circuito integrado, degradando su velocidad o aumentando su consumo de potencia. En efecto, es fundamental que el estudio del impacto de la degradación temporal de los transistores se incorpore a la fase de diseño y que se tomen las medidas necesarias para garantizar un funcionamiento correcto durante toda la vida útil del sistema.

En este sentido, el grupo de Ingeniería de Circuitos y Sistemas Micro/Nanométricos (TIC-026) del Instituto de Microelectrónica de Sevilla (CSIC/Universidad de Sevilla) trabaja en esta dirección desarrollando modelos de transistores que incluyen el efecto del envejecimiento, así como metodologías de diseño de circuitos para hacerlos más robustos frente al paso del tiempo.

Una forma de evaluar cómo afecta el envejecimiento de los circuitos a lo largo del tiempo podría consistir en realizar medidas a lo largo de un período lo suficientemente largo. Sin embargo, esta opción se antoja bastante costosa e ineficiente ya que supondría la utilización de recursos de medida durante meses o incluso años y, además, los resultados obtenidos corresponderían a circuitos fabricados en tecnologías que estarían obsoletas.

Una estrategia alternativa, que está arraigando con fuerza en la industria, consiste en fabricar chips cuya única misión es la de evaluar cómo envejecen los transistores, sometiéndolos a unas condiciones de operación extremas, aplicando tensiones de polarización o temperaturas significativamente mayores que las que soportarían habitualmente. Estas condiciones de estrés se aplican durante minutos u horas, pero la información obtenida a partir de estos experimentos se puede extrapolar a períodos mayores de funcionamiento en condiciones de operación nominales.

Nos encontramos ante un reto desafiante, en el que aún queda un largo camino por recorrer y en el que se esperan importantes avances a corto y medio plazo. Sin duda, alargar la vida útil de los circuitos electrónicos sería también una muy buena noticia para nuestro planeta dado el grave problema que la “chatarra electrónica” empieza a suponer para el medio ambiente. Por tanto, es también nuestro deber como consumidores responsables actuar en consecuencia y evaluar de forma crítica cuándo hemos de renovar nuestros equipos electrónicos. A buen seguro que las generaciones venideras nos lo agradecerán