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INAOE: a la vanguardia en investigación de semiconductores

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 17 de septiembre de 2025. Pruebas de confiabilidad de dispositivos, comunicaciones alámbricas entre tarjetas, chips de tecnologías emergentes y exploración de dispositivos que funcionan a temperaturas criogénicas y que podrían servir de puente entre la computación cuántica y la clásica, son algunos de los proyectos relacionados con semiconductores que se desarrollan en el Instituto  Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE),  centro público de investigación de la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti).

Estos proyectos son desarrollados por estudiantes de posgrado de este Instituto y liderados por el Dr. Reydezel Torres Torres, investigador de la Coordinación de Electrónica de este Instituto, quien en entrevista explica el proceso de fabricación de los circuitos integrados, desde su concepción hasta su aplicación en el mundo real.

Diseñar un chip, asevera, es como construir una casa. Fabricar los dispositivos que permitan procesar y enviar información y diseñar circuitos integrados requiere de un profundo conocimiento de los materiales.

“La cadena de producción de un chip empieza en el diseño del dispositivo. Imagina que vas a construir un edificio con legos, el lego sería el transistor y este bloque básico necesita ser probado de manera funcional  y también si va a durar y a no fallar”, dice.

Los transistores –que son los elementos o bloques que forman los circuitos integrados– se fabrican y miden para determinar su desempeño: “Una vez que los hemos probado, los representamos mediante funciones matemáticas que metemos a computadoras para simular cómo se comportarían en conjunto. Al hacer esta simulación podemos llegar a un diseño de un circuito que realice una función”.

Una vez diseñados los circuitos integrados, sus planos guían la fabricación de muchos a la vez en obleas de silicio. Después se cortan con láser y se empaquetan, se colocan alambres, pistas de cobre y varias líneas que dan acceso al chip. Esto ya se puede montar en un equipo, pero se trata de un proceso muy elaborado.

Diseñar un chip es similar a diseñar un edificio, considera el Dr. Torres: “tú acudes con una necesidad a una casa de diseño, por ejemplo, un chip para controlar un sistema de frenos de un automóvil. Esa casa realizará el diseño de tu chip para que lo mandes a fabricar en una fundidora de semiconductores, donde lo tendrán listo para que puedas cortarlo y empaquetarlo”.

El doctor Reydezel Torres añade que gran parte de la tecnología que se hace en México tiene que ver con el empaquetado: “La tecnología más avanzada de semiconductores es la de fabricación y está ubicada en lugares estratégicos de manera global. En Estados Unidos está Intel, en Taiwán TSMC, en China SMIC, en Corea Samsung. También hay pequeñas fábricas en Europa, Estados Unidos y Asia. La idea es que una vez que tú tienes esos componentes de alta tecnología, los acondiciones para poder colocarlos en un sistema de frenos, un teléfono, computadora o pantalla. Investigación y desarrollo en esta dirección se hace en México con compañías como Intel en Guadalajara, que hace muchas de las pruebas de las tarjetas electrónicas donde van a ir montados los procesadores. Qualcomm también ha apostado al talento mexicano para hacer investigación similar en Tijuana. Ellos tienen un laboratorio de pruebas para ver que un chip se está comunicando adecuadamente con otro”.

El investigador apunta que en el Laboratorio de Altas Frecuencias del INAOE  se entrena y educa a los maestros y doctores en ciencias para que sean capaces de identificar los fenómenos físicos que provocan interferencias o falta de acoplamiento, y de diseñar las transiciones eléctricas que evitan que la señal  salga del camino correcto.

Informa que actualmente hay varios proyectos en desarrollo en el INAOE. La cadena de producción de un chip empieza en el diseño del dispositivo y continúa con las pruebas: “Cuando fabricas un coche qué haces para probarlo: tomas 50 o cien coches y, en condiciones controladas de laboratorio, los estrellas. Después buscas sus puntos vulnerables. Los ingenieros se dedican a ver cómo modificar el vehículo de manera que sea menos propenso a que si alguien va dentro del vehículo pudiera sufrir un daño”.

Los investigadores en Electrónica hacen lo mismo, pero en lugar de coches utilizan transistores: “Nosotros aplicamos estrés, es decir, estímulos muy  intensos o fuerzas eléctricas, en los dispositivos hasta que se rompen y después determinamos por qué se rompieron. Una vez que identificamos ese rompimiento, les decimos a sus diseñadores qué tienen que mejorar”.

En este contexto, en el INAOE se desarrolla un proyecto de confiabilidad de dispositivos semiconductores que busca determinar qué tan confiables son y dentro de la cuantificación de esa confiabilidad dar retroalimentación para saber qué fenómenos físicos hay que reducir o aumentar de manera que duren más: “Este es un trabajo científico muy avanzado. Sería el equivalente a una prueba preliminar o una prueba de validación. Este proyecto está patrocinado por Global Foundries, una de las compañías más importantes de semiconductores con presencia en varias partes del mundo”.

Otro de los proyectos es el de tarjetas para servidores de cómputo: “Algunos procesadores tienen múltiples cores o núcleos, lo cual significa que no basta con que las tarjetas tengan un solo cerebro de procesamiento, sino que necesitan muchos para que, en paralelo, saquen la información como un equipo. Esto se utiliza para los servidores grandes, por ejemplo los de Google, Netflix o los de inteligencia artificial, que necesitan comunicarse muy rápidamente y esa comunicación se hace con conectores de alta velocidad”.

Un tercer proyecto, patrocinado por Intel, busca optimizar la transmisión de información entre múltiples procesadores de diferentes tarjetas: “Tenemos una tarjeta principal que se interconecta con otras a través de slots o sockets. Cada tarjeta está controlada y va a estar trabajando independientemente para procesar información, enviarla lo más rápido y luego regresarla, por lo que los canales de comunicación deben ser cada vez más confiables. Este proyecto es esencialmente de comunicaciones alámbricas de alta velocidad para servidores de cómputo”.

También se desarrollan proyectos de chips de tecnologías emergentes como el grafeno, que en condiciones de laboratorio puede procesar información: “Ahora lo que se está haciendo es tratar de optimizar los transistores de grafeno para llevarlos a un entorno práctico. Son dispositivos que también van a servir para el procesamiento de información a alta velocidad  pero con tecnologías emergentes”.

El Dr. Reydezel Torres informa que además trabajan en un proyecto con aplicaciones en computación cuántica. Se trata de una colaboración con el Laboratorio de Instrumentación Astronómica de Ondas Milimétricas donde pueden estudiar experimentalmente la electrónica a muy bajas temperaturas: “Los transistores, como los conocemos ahora, ya no van a ser útiles para esta tecnología, porque los qubits (bits cuánticos) procesarán información no con unos y ceros sino con estados cuánticos. Esto nos permitirá almacenar y procesar muchísima más información en menos espacio. La desventaja es que los dispositivos cuánticos necesitan hacerlo a muy baja temperatura, porque la  temperatura excita a los electrones. Ese es un proyecto que también tiene que ver con la exploración de dispositivos que funcionan a temperaturas criogénicas y que podrían servir de puente entre la computación cuántica y la clásica:   los cálculos se realizarán a nivel cuántico pero la información deberá guiarse eventualmente a escala macroscópica. Es decir, vamos a trabajar en interfaces entre lo cuántico y lo clásico utilizando electrónica a temperaturas muy bajas”.