Semiconductors, al cor de la tecnologia
Impuls a la indústria de xips europea
Els semiconductors són materials cristal·lins amb una conductivitat elèctrica a mig camí entre els conductors i els aïllants. Aquesta característica els fa molt útils en la fabricació de dispositius electrònics de precisió, com ara díodes, transistors, cèl·lules solars i sensors, entre altres. Són uns materials essencials per fabricar mòbils, ordinadors, electrodomèstics, vehicles o dispositius mèdics. I també estan al cor dels darrers avenços tecnològics, com el 5G, la intel·ligència artificial, la conducció autònoma o la Internet de les coses.
Actualment, les empreses de semiconductors més grans i avançades del món es troben a Taiwan, Corea del Sud i els Estats Units, països líders en la producció de xips per a una àmplia varietat de dispositius electrònics. La dependència d’aquests mercats ha quedat palesa amb la crisi de subministrament dels darrers anys, motivada per la demanda creixent de dispositius electrònics i la interrupció de la cadena de subministrament global a conseqüència de la pandèmia de COVID-19.
Aquest escenari ha posat en evidència la necessitat de desenvolupar una indústria pròpia de semiconductors a Europa. De fet, del trilió de microxips que es van fabricar al món al 2020, només el 10 % es van produir en territori europeu, un percentatge que es vol duplicar de cara al 2030 per donar resposta a la demanda creixent de la indústria. Per assolir aquest objectiu, la Unió Europea impulsa la Llei Europea de Xips, que aborda l’escassetat de semiconductors i reforça el lideratge tecnològic d’Europa en aquesta àrea estratègica.
En la mateixa línia, el PERTE de microelectrònica i semiconductors (PERTE Chip), impulsat pel Govern espanyol, invertirà 12.250 milions d’euros fins al 2027 per reforçar les capacitats de disseny i producció de semiconductors a Espanya, i afavorir l'autonomia nacional i de la Unió Europea en aquest sector.
Per la seva banda, Catalunya, a més d’impulsar l’Aliança de semiconductors i xips de Catalunya per liderar-ne el desenvolupament al sud d’Europa, també forma part de la ‘Semiconductor European Regions Alliance’. Es tracta d’una aliança de 13 regions europees que treballa per impulsar el creixement i la competitivitat de la indústria dels semiconductors a partir de l’intercanvi de coneixements i bones pràctiques, i de la cooperació entre les regions.
Selfie del rover Perseverance a la superfície de Mart, presa pel vehicle espacial el mes de gener passat. El sensor de vent del rover conté 60 microxips de silici fabricats a la UPC. Crèdit foto: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Els semiconductors són components essencials per al desenvolupament de tecnologies clau per a una àmplia gamma d’aplicacions, des de la telefonia mòbil i els ordinadors, fins a la indústria de l’automòbil o els dispositius de salut. Catalunya s’està posicionant com un dels entorns més dinàmics al sud d’Europa en aquest àmbit, un context al qual la UPC contribueix amb instal·lacions capdavanteres i diversos grups de recerca que treballen en la tecnologia i el disseny de xips, microprocessadors i altres sistemes altament avançats i eficients.
28/09/2023
L’ecosistema dels semiconductors a Catalunya compta amb un centenar d’empreses i entitats de recerca i al voltant de 4.400 professionals, un sector que es troba en fase de desenvolupament. Empreses com Cisco, Monolitic Power Systems (MPS) o Intel han triat Barcelona per ubicar els seus centres de disseny de microxips, i s’espera que els pròxims anys s’hi sumin una vintena més de projectes d’inversió estrangera.
Com a universitat capdavantera en recerca i transferència de tecnologia, la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) és una de les entitats que lideren aquest pol d’innovació. Juntament amb el Barcelona Supercomputing Center - Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS), l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i altres agents del sistema de recerca i empreses, la UPC forma part de l’Aliança de semiconductors i xips de Catalunya. Es tracta d’una iniciativa público-privada que ha activat recentment la Generalitat de Catalunya per enfortir l’ecosistema i la industrialització dels xips i els semiconductors.
A més, la UPC promou les sinergies amb el teixit empresarial per contribuir al desenvolupament i la producció avançada de tecnologies destinades a la indústria dels semiconductors. Un exemple és el de l’empresa tecnològica QORVO, Inc. Després de més d’una dècada de col·laboració amb el grup de recerca Components and Systems for Communications (CSC), vinculat a l’Escola d'Enginyeria de Telecomunicació i Aeroespacial de Castelldefels (EETAC), la companyia nord-americana ha instal·lat una seu a l’edifici K2M del Campus Diagonal Nord. Un nou centre per intensificar la col·laboració amb el personal investigador de la Universitat, així com cercar talent.
A l’avantguarda de la tecnologia
La recerca en semiconductors evoluciona arreu del món, amb el desenvolupament de noves tecnologies i aplicacions, que tindran un gran impacte en el futur: des de noves tècniques de litografia per fabricar xips més avançats a tecnologies innovadores de transistors per millorar l’eficiència energètica i el rendiment dels dispositius.
Un exemple del potencial de la Universitat en aquest camp el trobem a l’espai, en concret, a Mart. El 18 de febrer de 2021, el ròver Perseverance aterrava al cràter Jezero del planeta vermell, en el marc de la missió Mars 2020 de la NASA. Entre la tecnologia que incorpora aquest vehicle espacial s’inclou un sensor de vent que conté 60 microxips de silici, desenvolupats per investigadors i investigadores del grup de recerca Micro i Nanotecnologies/Energia Solar (MNT-Solar), vinculat a l'Escola Tècnica Superior d’Enginyeria de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB) de la UPC. Les dades recollides per aquest instrument, juntament amb altres paràmetres, serviran per analitzar l’habitabilitat de Mart i per preparar una futura exploració humana del planeta.
Un altre camp d’estudi del grup de recerca MNT-Solar és el de l’energia solar fotovoltaica. En aquesta àrea, han desenvolupat cèl·lules solars de silici amb una eficiència del 22 % —amb capacitat de generar 220 watts d’energia per cada 1.000 watts d’energia del Sol—, l’eficiència més alta aconseguida a l’Estat espanyol en aquest tipus de dispositius. Dins d’aquest camp, també s’estudien aplicacions d’energia termo-fotovoltaica, que aprofiten la calor per generar energia elèctrica a través de cèl·lules solars.
El desenvolupament de recerques innovadores com aquestes és possible gràcies a instal·lacions com la Sala Blanca, un espai pioner ubicat al Campus Diagonal Nord: una de les primeres sales d’aquestes característiques creades a Espanya, en funcionament des de l’any 1985. Els equipaments que conté permeten fabricar dispositius d’una micra, és a dir, 50 vegades més petits que el diàmetre d’un cabell. Inclou des d’equips de litografia òptica i dipòsit de capes fines o caracterització, fins a forns d’alta temperatura o un taller mecànic, entre d’altres.
El Laboratori Fotovoltaic del Campus Diagonal Besòs és un altre dels espais de la UPC on es duu a terme la recerca més disruptiva. En aquestes instal·lacions, l’investigador Edgardo Saucedo, del grup de recerca MNT-Solar i professor de l’Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), estudia nous materials que permetin millorar les propietats dels semiconductors, en concret calco-halurs de baixa dimensionalitat per a la seva integració en dispositius fotovoltaics avançats, com ara cel·les solars d’alta eficiència. Per aquesta recerca, que es desenvolupa en el marc del projecte SENSATE, Saucedo ha estat distingit amb un ajut ICREA Acadèmia i amb un ajut Consolidator Grant de l’European Research Council (ERC).
Solucions microelectròniques bioinspirades
Els xips del futur funcionaran com neurones digitals, amb un disseny inspirat en les xarxes neuronals i els mètodes de processament del cervell, un canvi de paradigma que obre la porta a tecnologies avançades amb múltiples aplicacions. En el camp biomèdic, per exemple, serà possible integrar diferents tractaments en una única píndola amb intel·ligència artificial o dissenyar pròtesis biomèdiques que permetin reemplaçar una funció neuronal danyada o incrementar la memòria o altres capacitats.
Amb una experiència de més de 30 anys en disseny microelectrònic, els investigadors i les investigadores del grup de recerca Sensors Intel·ligents i Sistemes Integrats (IS2) treballen en aquest tipus de solucions bioinspirades i neuromòrfiques per donar resposta a problemes d’aprenentatge automàtic. Així, han desenvolupat solucions com sistemes integrats configurables (SoCs) de propòsit general i bioinspirats, microprocessadors específics i solucions industrials i biomèdiques basades en aprenentatge automàtic.
S’estan desenvolupant també prototipus microelectrònics que emulen el comportament de subsistemes neuronals biològics, concretament de cultius neuronals. En el marc del projecte nacional SENSEDGE, es treballa en la integració d’aquest tipus de xips a gran escala a partir de la interacció entre el cultiu neuronal biològic i la xarxa neuronal microelectrònica. Aquesta recerca permetrà comprendre millor la complexitat del funcionament de les neurones biològiques i desenvolupar pròtesis biomèdiques. El grup col·labora en aquest àmbit amb investigadors de la Universitat de Barcelona (UB); l’Institut Superior Tècnic (IST) de Lisboa, a Portugal, i el Reial Institut de Tecnologia (KTH, per les seves sigles en anglès) de Suècia.
El futur de la tecnologia passa també per la miniaturització dels sistemes en els xips, un procés que fa possible estalviar espai, energia i recursos. El grup IS2 ha aconseguit integrar sensors micromecànics (MEMS) amb circuits microelectrònics en un sol xip de silici, aprofitant els materials i les capes d’interconnexió dels xips microelectrònics estàndard. Aquesta tecnologia, que dona lloc a una patent internacional llicenciada, permet reduir les dimensions, el consum i les interferències, obrint pas a aplicacions avançades per a la Internet de les coses (IoT) i la biomedicina. Actualment, la recerca en microelectrònica del grup també es focalitza en el disseny de circuits integrats d’ultra-baix consum a partir d’energia fotònica.
Així mateix, s’estan desenvolupant sistemes avançats de tractament de la informació i de gestió de les comunicacions per a les arquitectures d’automoció assistida del futur, en col·laboració amb investigadors de Huawei a Alemanya.
Xips avançats per a computació i materials alternatius
Els semiconductors són fonamentals per fabricar processadors i altres components electrònics que integren els supercomputadors, els quals han d’ajudar a donar resposta als grans reptes socials i tecnològics del present i del futur. El desafiament científic es troba en el disseny de xips més avançats per fer càlculs i processar dades d’una manera més ràpida, segura i eficient.
Amb aquest objectiu treballa l’associació en tecnologies emergents Designing RISC-V-based Accelerators for next generation Computers (DRAC), un consorci liderat pel BSC, i que compta amb la participació d’investigadors de tres grups de recerca de la UPC: l'Efficient and Robust Integrated Circuits and Systems (EFRICS), vinculat al Departament d'Enginyeria Electrònica, i els grups Computació d'Altes Prestacions (CAP) i Virtuós, vinculats al
Departament d'Arquitectura de Computadors (DAC). En el projecte també hi participen la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), la Universitat de Barcelona (UB), la Universitat Rovira i Virgili (URV) i l’Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM).
Fruit de tres anys de treball, s’ha desenvolupat un processador de propòsit general amb acceleradors basats en tecnologia RISC-V per a ordinadors de nova generació. En concret, s’han creat quatre xips, els primers de codi obert fabricats a Espanya. El darrer d’aquests xips és un dels més complexos i avançats creats en l’àmbit acadèmic. Com a tret més destacat, aquest dispositiu integra quatre acceleradors que permeten fer càlculs d’altes prestacions en els camps de la criptografia, l’anàlisi genòmica i la navegació autònoma, amb avenços significatius en aquestes àrees.
A més de desenvolupar circuits integrats convencionals, el grup de recerca EFRICS investiga materials emergents com a alternativa als semiconductors actuals. En aquest sentit, treballen en el disseny de circuits bioinspirats que, imitant el procés de sinapsi neuronal, permetran millorar la velocitat i l’eficiència dels dispositius electrònics.
Així, el grup proposa nous sistemes de memòria i computació més enllà del silici, com ara tecnologia de nanotubs de carboni (CNT), materials 2D, memristors o transistors de grafè, posant l’èmfasi en la fiabilitat. També s’estudien noves aplicacions, com els sistemes neuromòrfics, el processat en memòria i, en general, en la computació no convencional.
Així mateix, el grup EFRICS treballa en col·laboració amb investigadors de la UB i de l’Organització Europea per a la Recerca Nuclear (CERN, per les seves sigles en anglès) en un projecte de disseny de circuits de radiofreqüència per a comunicacions per ràdio, aplicats a detectors de radiació.
Especialització en disseny de xips i semiconductors
La UPC és, així, una universitat a l’avantguarda de la recerca més avançada, no només en l’àrea dels semiconductors convencionals, sinó també en el disseny de materials emergents i de xips bioinspirats que faran possible la tecnologia del futur. 150 investigadors de 14 grups de recerca fan contribucions en diferents àrees relacionades amb els semiconductors, com són el transport, l’energia, les xarxes de telecomunicació o la computació. Un ecosistema d’innovació que compta amb la col·laboració de múltiples empreses de diferents sectors i que ha donat fruit a la fundació de diverses spin-off i empreses deep-tech les quals han esdevingut petites multinacionals.
La UPC ofereix, a més, formació específica en l’àrea dels semiconductors per nodrir el teixit empresarial de professionals especialitzats. Així, el master’s degree in Electronic Engineering (MEE), referent en aquest àmbit a l’Estat, compta amb dues especialitzacions relacionades amb la tecnologia i el disseny de xips. Una formació que es pot continuar amb la recerca especialitzada a través d’un programa de doctorat en algun dels grups que hi treballen i que sovint permet accedir a llocs d’alta responsabilitat en les empreses del sector.
