Semiconductores, en el corazón de la tecnología
Impulso a la industria de chips europea
Los semiconductores son materiales cristalinos con una conductividad eléctrica a medio camino entre conductores y aislantes. Esta característica les hace muy útiles en la fabricación de dispositivos electrónicos de precisión como diodos, transistores, células solares y sensores, entre otros. Son materiales esenciales para fabricar móviles, ordenadores, electrodomésticos, vehículos o dispositivos médicos. Y también están en el corazón de los últimos avances tecnológicos, como el 5G, la inteligencia artificial, la conducción autónoma o la Internet de las cosas.
Actualmente, las empresas de semiconductores más grandes y avanzadas del mundo se encuentran en Taiwán, Corea del Sur y Estados Unidos, países líderes en la producción de chips para una amplia variedad de dispositivos electrónicos. La dependencia de estos mercados ha quedado patente con la crisis de suministro de los últimos años, motivada por la creciente demanda de dispositivos electrónicos y la interrupción de la cadena de suministro global a consecuencia de la pandemia de COVID-19.
Este escenario ha puesto en evidencia la necesidad de desarrollar una industria propia de semiconductores en Europa. De hecho, del trillón de microchips que se fabricaron en el mundo en 2020, solo el 10% se produjeron en territorio europeo, un porcentaje que se quiere duplicar de cara a 2030 para dar respuesta a la creciente demanda de la industria. Para conseguir este objetivo, la Unión Europea impulsa la Ley Europea de Chips, que aborda la escasez de semiconductores y refuerza el liderazgo tecnológico de Europa en esta área estratégica.
En la misma línea, el PERTE de microelectrónica y semiconductores (PERTE Chip), impulsado por el Gobierno español, invertirá 12.250 millones de euros hasta 2027 para reforzar las capacidades de diseño y producción de semiconductores en España, favoreciendo la autonomía nacional y de la Unión Europea en este sector.
Por su parte, Cataluña, además de impulsar la Alianza de semiconductores y chips de Cataluña para liderar su desarrollo en el sur de Europa, también forma parte de la 'Semiconductor European Regions Alliance'. Se trata de una alianza de 13 regiones europeas que trabaja para impulsar el crecimiento y la competitividad de la industria de los semiconductores a partir del intercambio de conocimientos y buenas prácticas y de la cooperación entre las regiones.
Los semiconductores son componentes esenciales para el desarrollo de tecnologías clave para una amplia gama de aplicaciones, desde la telefonía móvil y los ordenadores, hasta la industria del automóvil o los dispositivos de salud. Cataluña se está posicionando como uno de los entornos más dinámicos en el sur de Europa en este ámbito, un contexto al que la UPC contribuye con instalaciones líderes y diversos grupos de investigación que trabajan en la tecnología y el diseño de chips, microprocesadores y otros sistemas altamente avanzados y eficientes.
05/09/2023
El ecosistema de los semiconductores en Cataluña cuenta con un centenar de empresas y entidades de investigación y alrededor de 4.400 profesionales, un sector que se encuentra en fase de desarrollo. Empresas como Cisco, Monolitic Power Systems (MPS) o Intel han elegido a Barcelona para ubicar sus centros de diseño de microchips, y se espera que en los próximos años se sumen una veintena más de proyectos de inversión extranjera.
Como universidad líder en investigación y transferencia de tecnología, la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) es una de las entidades que lideran este polo de innovación. Junto con el Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y otros agentes del sistema de investigación y empresas, la UPC forma parte de la Alianza de semiconductores y chips de Cataluña. Se trata de una iniciativa público-privada que ha activado recientemente la Generalitat de Catalunya para fortalecer el ecosistema y la industrialización de los chips y semiconductores.
Además, la UPC promueve las sinergias con el tejido empresarial para contribuir al desarrollo y producción avanzada de tecnologías destinadas a la industria de los semiconductores. Un ejemplo es el de la empresa tecnológica QORVO, Inc. Después de más de una década de colaboración con el grupo de investigación Components and Systems for Communications (CSC), vinculado a la Escuela de Ingeniería de Telecomunicación y Aeroespacial de Castelldefels (EETAC), la compañía estadounidense ha instalado una sede en el edificio K2M del Campus Diagonal Norte. Un nuevo centro para intensificar su colaboración con el personal investigador de la Universidad, así como buscar talento.
A la vanguardia de la tecnología
La investigación en semiconductores evoluciona en todo el mundo, con el desarrollo de nuevas tecnologías y aplicaciones, que tendrán un gran impacto en el futuro: desde nuevas técnicas de litografía para fabricar chips más avanzados a tecnologías innovadoras de transistores para mejorar la eficiencia energética y el rendimiento de los dispositivos.
Un ejemplo del potencial de la Universidad en este campo lo encontramos en el espacio, en concreto, en Marte. El 18 de febrero de 2021, el róver Perseverance aterrizaba en el cráter Jezero del planeta rojo, en el marco de la misión Mars 2020 de la NASA. Entre la tecnología que incorpora este vehículo espacial se incluye un sensor de viento que contiene 60 microchips de silicio, desarrollados por investigadores e investigadoras del grupo de investigación Micro y Nanotecnologías/Energía Solar (MNT-Solar), vinculado a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona (ETSETB) de la UPC. Los datos recogidos por este instrumento, junto a otros parámetros, servirán para analizar la habitabilidad de Marte y para preparar una futura exploración humana del planeta.
Otro campo de estudio del grupo de investigación MNT-Solar es el de la energía solar fotovoltaica. En esta área, han desarrollado células solares de silicio con una eficiencia del 22 % —con capacidad de generar 220 vatios de energía por cada 1.000 vatios de energía del Sol—, la mayor eficiencia alcanzada en el Estado español en este tipo de dispositivos. Dentro de este campo, también se estudian aplicaciones de energía termofotovoltaica, que aprovechan el calor para generar energía eléctrica a través de células solares.
El desarrollo de investigaciones innovadoras como éstas es posible gracias a instalaciones como la Sala Blanca, un espacio pionero ubicado en el Campus Diagonal Nord: una de las primeras salas de estas características creadas en España, en funcionamiento desde 1985. Los equipamientos que contiene permiten fabricar dispositivos de una micra, es decir, 50 veces menores que el diámetro de un cabello. Incluye desde equipos de litografía óptica y depósito de capas finas o caracterización, hasta hornos de alta temperatura o taller mecánico, entre otros.
El Laboratorio Fotovoltaico del Campus Diagonal Besòs es otro de los espacios de la UPC donde se realiza la investigación más disruptiva. En estas instalaciones, el investigador Edgardo Saucedo, del grupo de investigación MNT-Solar y profesor de la Escuela de Ingeniería de Barcelona Este (EEBE), estudia nuevos materiales que permitan mejorar las propiedades de los semiconductores, en concreto calco- haluros de baja dimensionalidad para su integración en dispositivos fotovoltaicos avanzados, como celdas solares de alta eficiencia. Por esta investigación, que se desarrolla en el marco del proyecto SENSATE, Saucedo ha sido distinguido con una ayuda ICREA Academia y con una ayuda Consolidator Grant del European Research Council (ERC).
Soluciones microelectrónicas bioinspiradas
Los chips del futuro funcionarán como neuronas digitales, con un diseño inspirado en las redes neuronales y los métodos de procesamiento del cerebro, un cambio de paradigma que abre la puerta a tecnologías avanzadas con múltiples aplicaciones. En el campo biomédico, por ejemplo, será posible integrar distintos tratamientos en una única píldora con inteligencia artificial o diseñar prótesis biomédicas que permitan reemplazar una función neuronal dañada o incrementar la memoria u otras capacidades.
Con una experiencia de más de 30 años en diseño microelectrónico, los investigadores y las investigadoras del grupo de investigación Sensores Inteligentes y Sistemas Integrados (IS2) trabajan en este tipo de soluciones bioinspiradas y neuromórficas para dar respuesta a problemas de aprendizaje automático. Así, han desarrollado soluciones como sistemas integrados configurables (SoCs) de propósito general y bioinspirados, microprocesadores específicos y soluciones industriales y biomédicas basadas en aprendizaje automático.
Se están desarrollando también prototipos microelectrónicos que emulan el comportamiento de subsistemas neuronales biológicos, concretamente de cultivos neuronales. En el marco del proyecto nacional SENSEDGE, se trabaja en la integración de este tipo de chips a gran escala a partir de la interacción entre el cultivo neuronal biológico y la red neuronal microelectrónica. Esta investigación permitirá comprender mejor la complejidad del funcionamiento de las neuronas biológicas y desarrollar prótesis biomédicas. El grupo colabora en este ámbito con investigadores de la Universidad de Barcelona (UB); el Instituto Superior Técnico (IST) de Lisboa, en Portugal, y el Real Instituto de Tecnología (KTH) de Suecia.
El futuro de la tecnología pasa también por la miniaturización de los sistemas en los chips, un proceso que permite ahorrar espacio, energía y recursos. El grupo IS2 ha logrado integrar sensores micromecánicos (MEMS) con circuitos microelectrónicos en un solo chip de silicio, aprovechando los materiales y las capas de interconexión de los chips microelectrónicos estándar. Esta tecnología, que da lugar a una patente internacional licenciada, permite reducir las dimensiones, el consumo y las interferencias, abriendo paso a aplicaciones avanzadas para la Internet de las cosas (IoT) y la biomedicina. Actualmente, la investigación en microelectrónica del grupo también se focaliza en el diseño de circuitos integrados de ultrabajo consumo a partir de energía fotónica.
Asimismo, se están desarrollando sistemas avanzados de tratamiento de la información y gestión de las comunicaciones para las arquitecturas de automoción asistida del futuro, en colaboración con investigadores de Huawei en Alemania.
Chips avanzados para computación y materiales alternativos
Los semiconductores son fundamentales para fabricar procesadores y otros componentes electrónicos que integran a los supercomputadores, los cuales deben ayudar a dar respuesta a los grandes retos sociales y tecnológicos del presente y del futuro. El desafío científico se encuentra en el diseño de chips más avanzados para realizar cálculos y procesar datos de una forma más rápida, segura y eficiente.
Con este objetivo trabaja la asociación en tecnologías emergentes Designing RISC-V-based Accelerators for next generation Computers (DRAC), un consorcio liderado por el BSC, y que cuenta con la participación de investigadores del grupo de investigación Efficient and Robust Integrated Circuits and Systems (EFRICS) de la UPC. En el proyecto también participan la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), la Universidad de Barcelona (UB), la Universidad Rovira i Virgili (URV) y el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM).
Fruto de tres años de trabajo se ha desarrollado un procesador de propósito general con aceleradores basados en tecnología RISC-V para ordenadores de nueva generación. En concreto, se han creado cuatro chips, los primeros de código abierto fabricados en España. El último de estos chips es uno de los más complejos y avanzados creados en el ámbito académico. Como rasgo más destacado, este dispositivo integra cuatro aceleradores que permiten realizar cálculos de altas prestaciones en los campos de la criptografía, el análisis genómico y la navegación autónoma, con avances significativos en estas áreas.
Además de desarrollar circuitos integrados convencionales, el grupo de investigación EFRICS investiga materiales emergentes como alternativa a los actuales semiconductores. En este sentido, trabajan en el diseño de circuitos bioinspirados que, imitando el proceso de sinapsis neuronal, permitirán mejorar la velocidad y eficiencia de los dispositivos electrónicos.
Así, el grupo propone nuevos sistemas de memoria y computación más allá del silicio, como tecnología de nanotubos de carbono (CNT), materiales 2-D, memristores o transistores de grafeno, poniendo el énfasis en la fiabilidad. También se estudian nuevas aplicaciones como los sistemas neuromórficos, el procesado en memoria y, en general, en la computación no convencional.
Asimismo, el grupo EFRICS trabaja en colaboración con investigadores de la UB y de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en un proyecto de diseño de circuitos de radiofrecuencia para comunicaciones por radio, aplicados a detectores de radiación.
Especialización en diseño de chips y semiconductores
La UPC es así una universidad a la vanguardia de la investigación más avanzada, no sólo en el área de los semiconductores convencionales, sino también en el diseño de materiales emergentes y de chips bioinspirados que harán posible la tecnología del futuro. 150 investigadores de 14 grupos de investigación realizan contribuciones en diferentes áreas relacionadas con los semiconductores, como son el transporte, la energía, las redes de telecomunicación o la computación. Un ecosistema de innovación que cuenta con la colaboración de múltiples empresas de diferentes sectores y que ha dado fruto a la fundación de diversas spin-off y empresas deep-tech que se han convertido en pequeñas multinacionales.
La UPC ofrece además formación específica en el área de los semiconductores para nutrir el tejido empresarial de profesionales especializados. Así, el master's degree in Electronic Engineering (MEE), referente en este ámbito en el Estado, cuenta con dos especializaciones relacionadas con la tecnología y el diseño de chips. Una formación que se puede continuar con la investigación especializada a través de un programa de doctorado en alguno de los grupos que trabajan y que a menudo permite acceder a puestos de alta responsabilidad en las empresas del sector.
