EVOLUCIÓN DEL FASCINANTE MUNDO DE LA ELECTRÓNICA
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| Evolución de componentes electrónicos en el tiempo: Válvula de vacío, transistor y circuito integrado |
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| Típico circuito impreso de la tarjeta madre (procesador) de una computadora moderna |
Florencio Bernabé Gonzales
(*)
1. INTRODUCCION
Cuando cogemos nuestro teléfono inteligente, encendemos nuestro
televisor en casa, nuestra computadora, laptop, tablet, nuestro automóvil, equipo
de música, y cuanto equipo funcione electrónicamente,
sin saber todo lo que ocurre ahí adentro, tampoco todos los escalones que ha tenido
que subir para llegar a lo que es en la actualidad. En la década de los setenta
aún existían equipos a válvula de vacío, luego aparecieron los transistores, posteriormente
los circuitos integrados. El autor tuvo la oportunidad de experimentar ese
proceso evolutivo desde cuando era estudiante de esta tecnología moderna. La
Electrónica es la parte de la Física que estudia el transporte controlado
de cargas eléctricas. En pocas ramas de la Ciencia se pueden percibir
transformaciones y cambios tan profundos que los experimentados por la
Electrónica desde su nacimiento. Ha tenido un desarrollo tan vertiginoso
que en la actualidad sus resultados están presentes en todos los sectores
de la actividad humana y se estima que el negocio de la Electrónica supere
el 10% del producto mundial bruto. En esta oportunidad mostramos un
resumen de algunos de ellos y de sus protagonistas.
2. UN POCO DE HISTORIA
Michael Faraday (1791-1867), físico y químico británico
que estudió el electromagnetismo y la electroquímica. Llevó a cabo las
primeras experiencias con semiconductores.
En 1865, con los trabajos
de J. C. Maxwell, se establecieron las
bases teóricas del Campo Electromagnético.
En 1887, H. R.Hertz descubrió la emisión
fotoeléctrica al observar que el arco que salta entre dos electrodos
conectados a alta tensión alcanza mayores distancias cuando se
ilumina con luz ultravioleta.
En 1897 G. Marconi patentó la radio en Reino
Unido y se le conoce como el padre de la radio y de las telecomunicaciones inalámbricas.
En 1909 obtuvo el Premio Nobel de Física.
J. J. Thomson descubrió el electrón en 1897 y obtuvo el Premio Nobel de Física en 1906.
En 1905, J. A. Fleming inventó el diodo de
vacío, y en 1907 aparece el triodo descubierto por L.de Forest que
en 1912 diseñó y aplicó el primer amplificador de válvulas con
varios triodos en cascada.
Ferdinand Braun (1850-1918), físico, inventor y profesor
universitario alemán galardonado con el Premio Nobel de Física en 1909. Creó
los 'bigotes de gato', un alambre que hace contacto con un cristal
detector semiconductor.
Alexander Graham Bell (1847-1922) y Antonio Meucci (1808-1889). Canadiense nacionalizado estadounidense e italiano, respectivamente, se disputan la creación del teléfono.
En 1923 C. Carson patentó un circuito para la modulación de banda lateral única
y proporcionó un gran impulso a las comunicaciones.
En 1928, V. Zworykin encontró el dispositivo
capaz de transformar una imagen óptica en una corriente eléctrica: el
iconoscopio. (Origen de la televisión). El primer ordenador electrónico fue
creado en 1943 por el gobierno británico al formar un equipo de
investigación para el diseño de una máquina electrónica para criptoanálisis (El
Colossus )
En 1945 el ejército de los EEUU fabricó el ENIAC en la Universidad de Pennsylvania y se le
considera el primer ordenador electrónico digital. Operaba
con unas 19.000 válvulas de vacío.
En 1948, J.Bardeen y W. Brattain anunciaron el descubrimiento del amplificador de estado sólido:
el transistor de puntas de contacto, y en 1956 recibieron el Premio
Nobel de Física por la invención del transistor bipolar.
En 1950 los cableados se sustituyeron por placas
con circuitos impresos al
presentar dos ventajas fundamentales: mayor fiabilidad al eliminar parte de las
soldaduras, y la posibilidad de encarar producciones automatizadas a gran
escala.
En 1958 L. Esaki descubrió el efecto túnel
cuya aplicación da lugar al diodo túnel recibiendo en 1973 el Premio Nobel
de Física.
En 1959 J. Kilby creó el primer circuito
integrado. Se trataba de una placa de Germanio que integraba seis
transistores para formar un oscilador. En el año 2000 recibió el Premio Nobel
de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de
la información.
El primer microprocesador fue producido en 1971;
El Intel 4004, formado por unos 2.300 transistores y en 1978 se desarrolló el
primer microprocesador de uso general, el Intel 8086 de 16 bits, el cual
contenía 29.000 transistores.
Desde el año 2005 se están
desarrollando los microprocesadores multinúcleo, con dos o más
procesadores independientes en el mismo circuito integrado.
En 2008 se obtuvo el primer circuito integrado operativo que ha sustituido el Silicio por Nitruro de
Galio.
En el 2010 se concedió el Premio Nobel de Física a K. Novoselov y a A. Geim
por sus novedosos experimentos con el Grafeno en dos dimensiones.
3. DESDE LA VALVULA DE VACIO A
LA MICROELECTRONICA
Poco a poco, la microelectrónica ha ido cambiando por completo la vida en la superficie del planeta Tierra. Y, sin embargo, el común de los mortales conocemos poco de su historia, de cómo han ido sucediendo los cambios, de lo que hay dentro de nuestros gagdets (artilugios) tecnológicos y de las personas que los crearon.
Probablemente sabemos quién inventó el
telescopio o la bombilla (preguntas de Trivial) pero, también probablemente, no
sabemos quién inventó el transistor o el circuito integrado (o qué demonios son
tales cosas). “Ahora hacemos las mismas cosas que nuestros abuelos, pero las
hacemos de una forma totalmente diferente: ha sucedido una revolución
silenciosa que ha cambiado nuestra forma de vivir, y esa revolución está basada
en el desarrollo de la tecnología electrónica”, dice Ignacio Mártil,
catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y autor del
reciente libro Microelectrónica: historia de la mayor revolución silenciosa (Ediciones
Complutenses). A través de él podemos trazar algunos de los hitos tecnológicos
que nos han llevado al mundo vertiginoso que ahora habitamos. ¿Qué habría
pasado si los incas hubieran descubierto el semiconductor?, ojo, todos los
materiales están en la tierra, nada se ha extraído fuera de ella.
- La válvula de vacío
Podría fijarse un punto de partida de la tecnología electrónica
en el ingenio conocido como válvula de vacío, una cápsula
de vidrio, parecida a una bombilla, que permitía controlar la corriente
eléctrica. Fue desarrollada a principios del siglo XX a través del trabajo de
científicos como John Ambrose Fleming o Lee de Forest (creador del triodo),
considerados como precursores de esta disciplina. La
válvula de vacío funcionaba como amplificador (de ahí que se utilizase para la
fabricación de radios de válvulas, amplificando la
señal de radio) y como conmutador de la corriente eléctrica, es decir, como un
interruptor. Esta propiedad permitía recrear en circuitos físicos los unos (1)
y los ceros (0) con los que funciona una computadora: si una computadora hace
operaciones en ese sistema binario, en el mundo palpable se podría reproducir
utilizando válvulas que dejasen o no dejasen pasar la corriente. Así, una computadora
puede realizar las operaciones lógicas y matemáticas que están muy al fondo de
todas sus funciones. Un ejemplo notorio de una computadora fabricado con
válvulas de vacío es el ENIAC, creado en 1946, que tenía 17.000 válvulas de
vacío, ocupaba una habitación entera y se utilizaba para realizar cálculos
balísticos y otros de complejidad para la época. Al igual que las bombillas,
las válvulas consumían mucha energía, se calentaban mucho (se llegaba a los 50
grados en la habitación) y se fundían con facilidad, lo que hacía que hubiera
que parar los cálculos a cada rato. Las válvulas no eran muy eficientes, y
pronto les llegaría un inopinado sustituto.
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| Tiristores de potencia |
“El transistor surgió como solución a un gran problema de una
compañía privada”, explica Mártil. En efecto, en las primeras décadas del siglo
XX, la empresa de telecomunicaciones estadounidense AT&T trataba de tender
líneas telefónicas de larga distancia a través de los Estados Unidos. La señal
eléctrica que viaja por los cables del teléfono se atenúa con la distancia
recorrida, así que era necesario colocar cada tramo amplificadores, que eran
válvulas de vacío: “Como se estropeaban mucho, fallaban las comunicaciones y
había que buscar una solución más eficiente”. Los Laboratorios Bell, un ejemplo
pionero de investigación científica dentro de la empresa, se pusieron manos a
la obra para la obtención de un amplificador de estado sólido que no fallase.
Fue así como, tras una ardua investigación y fuertes roces entre ellos, los
físicos William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen, llegaron en 1947 a la
invención del transistor, basado en las propiedades de los materiales
semiconductores (como son el silicio o el germanio), solo explicables a través
de la mecánica cuántica, la parte de la física que estudia el
movimiento de las partículas muy pequeñas o microobjetos: todos los artilugios tecnológicos
que utilizamos funcionan en base a leyes cuánticas o, “llevamos la cuántica en
el bolsillo”. El premio Nobel les llegó a los inventores en 1956. Al principio el transistor se utilizó para cosas sencillas
como audífonos o radios portátiles (de ahí que a una radio también se le llame
transistor); también en cuestiones militares, como la guía de misiles. Fue
después cuando se descubrió su utilidad a la hora de construir computadoras. Lo
importante es que, además de servir como amplificador, el transistor podía ser
utilizado como conmutador, es decir, como un interruptor que dejase o no pasar
la corriente eléctrica, que crease los unos y los ceros con los que trabaja una
computadora. Y todo ello sin los fallos, el tamaño o el consumo energético de
las válvulas de vacío del ENIAC. Esta propiedad fue la que significó un punto
de inflexión y por la que algunos consideran a este ingenio como el invento más
importante del siglo XX. Para muchos, un invento comparable a la rueda o la
máquina de vapor que propició la Primera Revolución Industrial. En este caso
fue la primera piedra para la Revolución Tecnológica y la Era de la
Información.
- Los circuitos integrados
Después de su paso por los Laboratorios Bell, William Shockley,
de difícil personalidad, fue en 1956 el pionero de Silicon Valley (llamado así,
de hecho, por el silicio de los transistores) montando en la localidad de
Mountain View la empresa Shockley Semiconductor Laboratory, para dedicarse a la
fabricación de ingenios electrónicos basados en los semiconductores. Para ello fichó a algunos de los mejores especialistas del
ramo, entre los que se encontraban Robert Noyce o Gordon Moore. Debido a las
disputas entre jefe y empleados, un año después ocho de estos cerebros se
fueron de la empresa (los ocho traidores, les llamó
Shockley) y fundaron la competidora Fairchild Semiconductor. Comenzaba así
también la fuga de cerebros y la tradición dentro de esta industria de que unas
empresas se desgajen de otras. La electrónica, de alguna manera, no solo ha
cambiado la tecnología, sino la cultura empresarial, donde ahora es tendencia
el estilo de Silicon Valley. Fue en Fairchild donde se
dio el siguiente paso relevante en la historia de la microelectrónica: la
invención del circuito integrado. Un transistor tiene tres patas que hay que
conectar: si tenemos 2.000 transistores salen 6.000 conexiones: las cosas se iban
volviendo muy complejas hasta que se inventó el circuito integrado. La
invención fue casi simultánea por Noyce en Fairchild y Jack Kilby de la empresa
competidora Texas Instruments. El circuito integrado, como su nombre indica, es
un entramado en una sola placa de material semiconductor en el que no hacen
falta cables para conectar los transistores. De esa manera, todo se simplifica.
También fueron el inicio de la miniaturización. “Los
circuitos integrados impregnan toda nuestra vida y son los que han posibilitado
que hoy llevemos una computadora en la palma de la mano”, opinan.
Posteriormente, en 1968, Noyce y Moore serían los fundadores de Intel, aún hoy
la empresa más importante de fabricación de microchips. El Intel 4004, creado
en 1971, sería el primer microprocesador en un solo chip, con 2.300
transistores dentro. Era la puerta de entrada a las computadoras u ordenadores
personales.
- La Ley de Moore
El circuito integrado fue el primer paso para la carrera de la
miniaturización, que se ilustra por la ley empírica (está solo basada en la
observación) que postuló Gordon Moore en 1967. Según la Ley de Moore la
tecnología electrónica doblaría su potencia cada 18 meses (duplicando el número
de transistores en un circuito integrado), y reduciría su precio. Hasta ahora
se ha venido cumpliendo con bastante exactitud, debido a que los transistores
dentro de los circuitos integrados han sido cada vez más pequeños. Es decir,
cada vez caben más transistores en un chip. “La tecnología moderna permite que
un centímetro cuadrado podamos meter miles de millones de transistores”. Para verlo gráficamente el autor propone un vistoso
ejemplo: si en 1971 imaginamos un auditorio (trasunto de un chip) en el que
cabían 2.300 personas (el número de transistores en el chip Intel 4004), en ese
mismo auditorio en 2015 se habrían apretujado 7.400 millones de almas, la
población de todo el planeta. Así ha aumentado la densidad de transistores en
un circuito integrado. ¿Para qué queremos esas cantidades astronómicas de
transistores? “Que haya un mayor número de transistores quiere decir que hay
una mayor potencia de computación. Que haya una mayor potencia de computación
quiere decir que cada vez se pueden hacer cálculos más complejos y más rápidos.
Y esto permite aplicaciones cada vez más sofisticadas”, responde un
catedrático. Entre esas aplicaciones, además de cálculos científicos o
militares, están programas que usamos con frecuencia como avanzados videojuegos
o sofisticados editores de fotografía y video. También permiten el hecho de que
el smartphone sea 3.000 veces más potente que el
ENIAC que ocupaba una habitación.
- El futuro
Ahora, debido al reducido tamaño de los transistores de tipo
MOSFET, de hasta de 14 nanómetros (o menos), se llega a un límite de la Ley de
Moore. Resulta muy complejo interconectar miles de millones de transistores en
un pequeño chip, además de que se producen problemas de calentamiento o, debido
al pequeño tamaño, efectos cuánticos. Además de por la computación cuántica,
que se basa en otros fundamentos, “el futuro pasará por dejar de pensar en dos
dimensiones y empezar a colocar los transistores no solo un plano sino en
planos superpuestos, unos encima de otros. Pero esto presenta una complejidad
técnica muy grande”, según el catedrático Ignacio Mártil de la Plaza, doctor en Física y Catedrático
de Electrónica, Universidad Complutense de Madrid.
4. CONCLUSIÓN
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| Tiristor de alta potencia para el control electrónico de equipos industriales |
La industria electrónica, en cuyo podio figuran empresas como
Samsung, Intel y TSMC, facturó en 2017 alrededor de dos billones de dólares,
una cifra solo comparable a la farmacéutica o a la automovilística. Los
transistores seguirán ahí, diminutos e invisibles para el usuario, cambiando
nuestra vida, para bien o para mal, de formas que quizás aún no podemos ni
imaginar. En estos tiempos de pandemia la era digital basado en la tecnología electrónica ha
llegado con fuerza para quedarse y la humanidad y las empresas se encuentran en
una encrucijada, un momento de
transición definitivo. En otras palabras, o se adaptan a las nuevas tendencias
y acoplan su funcionamiento bajo estos estándares digitales, o se quedan
rezagadas en lo “tradicional” y desaprovechan los múltiples beneficios que este
nuevo tiempo trae.
Lima, enero 06 del 2021
(*) Graduado como Bach. En Electrónica
ITN
“JP” Lima – Perú
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