El santuario tecnológico donde se forjan chips para viajar al espacio y adentrarse en las células

La revista CSIC Investiga ha publicado un nuevo número dedicado a los retos de la Sociedad Digital, a partir del Libro Blanco de Información Digital y Compleja del CSIC. La edición es coordinada por las mismas investigadoras que coordinaron el libro blanco, Gemma Rius (del grupo de Dispositivos y Sistemas de Potencia) y Roberta Zambrini (del Instituto de Fisica Interdisciplinar y Sistemas Complejos del CSIC, IFISC). Ambas se encargan del editorial que abre la publicación, que recoge la investigación del IMB-CNM en la ciencia de datos, la seguridad digital, la fabricación de semiconductores y de dispositivos fotónicos y cuánticos.

Las siguientes líneas reproducen íntegramente el reportaje El santuario tecnológico donde se forjan chips para viajar al espacio y adentrarse en las células.

El santuario tecnológico donde se forjan chips para viajar al espacio y adentrarse en las células

El Instituto de Microelectrónica de Barcelona alberga una infraestructura excepcional: la mayor Sala Blanca del sur de Europa, un entorno hiperlimpio para fabricar desde circuitos integrados hasta chips fotónicos y cuánticos.

En las cercanías de Barcelona hay una especie de templo tecnológico donde se forjan objetos de una pureza extrema. Entre sus paredes, el aire debe ser extremadamente limpio. Sus trabajadores operan como monjes cubiertos con unos hábitos especiales. La temperatura, la humedad y la presión –que es más alta que en el exterior– se mantienen constantes para proteger sus preciadas joyas: microchips y nanodispositivos de una precisión extrema, puesto que van a viajar al espacio, se van a introducir en las conexiones neuronales del cerebro y hasta en el mismo interior de nuestras células.

Este santuario tecnológico es la Sala Blanca de Micro y Nanofabricación del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM), del CSIC. "Es una infraestructura excepcional", subraya su director, Luis Fonseca. "Destaca en el sur de Europa en su categoría por sus dimensiones (1.500 metros cuadrados), su versatilidad (tecnologías en silicio, carburo de silicio, etc.) y su flexibilidad tecnológica, siendo la mejor equipada, con cerca de 200 equipos", agrega.

En estas instalaciones, situadas en el campus de la Universitat Autònoma de Barcelona (Cerdanyola del Vallès), se diseñan y fabrican dispositivos y sistemas electrónicos con capacidad para gestionar información o para mantener una interacción físico-digital con su entorno. "Abarcamos desde las tecnologías asentadas en el campo de los semiconductores y la micromecanización del silicio, hasta las nuevas, como circuitos fotónicos, dispositivos cuánticos, nanohilos de silicio y materiales de una sola capa atómica (materiales bidimensionales)", enumera Fonseca.

Dispositivos para el espacio y para el CERN

"En los últimos años hemos logrado algunos hitos, como la fabricación de nanochips para el estudio de células vivas y de componentes adaptados a las condiciones hostiles de las misiones en el espacio, como los que ahora van camino de Mercurio (BepiColombo) y del Sol (SolarOrbiter), creados ad hoc, o los que orbitan la Tierra orientando los satélites de la constelación One Web", detalla el director del instituto.

El IMB-CNM tiene la capacidad de diseñar y fabricar hardware específico capaz de adquirir y procesar grandes volúmenes de datos. "Hemos desarrollado nuevos detectores de radiación para los aceleradores del experimento Atlas, en el CERN (con el que el instituto colabora desde hace más de veinte años), que permiten obtener un gran número de canales de detectores de partículas", indica Fonseca.

Junto al espacio y las entrañas de la materia, los dispositivos de la Sala Blanca también se utilizan para conocer el cerebro. "Hemos desarrollado interfases neuronales (dentro del proyecto europeo BrainCom) basadas en transistores de grafeno que, mediante el uso de técnicas de multiplexación, son capaces de aumentar los canales de registro sin incrementar el número de conexiones", explica el director. Los circuitos integrados diseñados en el IMB-CNM han permitido procesar grandes volúmenes de información de la actividad cerebral.

Fonseca subraya que estas tecnologías están consolidadas y tienen mucho recorrido para afrontar los retos actuales, como los nuevos diseños de procesadores europeos de arquitectura RISC-V que busca paliar la dependencia tecnológica europea (dentro del proyecto Drac). Al mismo tiempo, el instituto está desarrollando líneas de investigación sobre nuevas tecnologías con gran potencial.

Tecnologías fotónica para telecomunicaciones y energía

La fotónica es la gran promesa de la última década como tecnología habilitadora, con potencial para aplicaciones que todavía están por inventarse. La ciencia y tecnología de la luz estudia la generación, manipulación y detección de los fotones, partículas que pueden usarse como portadoras de información. La fotónica integrada está presente en muchas aplicaciones relacionadas con el procesamiento de la información, como las telecomunicaciones por fibra óptica, la impresión láser, los sensores, las pantallas, la iluminación inteligente o los sistemas fotovoltaicos.

"Al igual que la microelectrónica transformó el mundo tecnológico del siglo XX, la fotónica es la tecnología mejor posicionada para continuar su labor en el mundo digital del siglo XXI. Los circuitos fotónicos integrados permitirán un avance espectacular en la computación cuántica, las comunicaciones cuánticas y los sensores cuánticos", explica Carlos Domínguez, investigador del IMB-CNM y responsable de la plataforma SiN Photonics.

La Sala Blanca del IMB-CNM alberga una plataforma fotónica estable y de acceso abierto, SiN Photonics, que ha desarrollado un proceso de fabricación con tecnología de nitruro de silicio en colaboración con la empresa VLC Photonics. En la sala se pueden fabricar y validar tecnológicamente producciones de obleas para aplicación en fotónica.

Potencial en tecnologías emergentes

El internet de las cosas (IoT) funciona mediante la interconexión de datos y dispositivos cotidianos a través de internet o de una red, donde los objetos llevan sensores que permiten el intercambio de datos. Se utiliza para la automatización de procesos, la domotización de los espacios, para las redes de sensores o para las conexiones móviles. La autonomía funcional y energética de estos dispositivos es fundamental para posibilitar su máximo despliegue. Su desarrollo es clave para la economía o la generación de energía renovable, lo que supone también una multiplicación de dispositivos móviles y pequeños ordenadores que generan más consumo y necesidades
en la electrónica.

Otra de las líneas clave es el desarrollo de dispositivos electrónicos que funcionen con un mínimo consumo de energía,concretamente mediante la aplicación de métodos avanzados de nanofabricación. El IMB-CNM participó en el proyecto europeo ION-4SET, centrado en el desarrollo de transistores de un único electrón (SET) que, basados en nanohilos de silicio, permitieran una mayor integración y menor disipación de energía. El objetivo consistía en fabricar un circuito que integrara el SET con un transistor de efecto campo (FET) tradicional para trabajar a temperatura ambiente con un consumo mucho menor que un circuito tradicional. "Hemos podido demostrar la fabricación conjunta de los dispositivos SET y FET", indica Joan Bausells, responsable de la participación del IMB-CNM en el proyecto. "Los desarrollos recientes muestran que la integración de dispositivos avanzados de bajo consumo en los sistemas electrónicos puede facilitar el despliegue a gran escala de los dispositivos IoT”, agrega.

La investigación en dispositivos nanomecánicos y nanoelectrónicos para ser integrados en sistemas miniaturizados busca aportar soluciones para los futuros ordenadores cuánticos basados en semiconductores. Los dispositivos cuánticos requieren una precisión extrema en su fabricación.

Dispositivos cuánticos

El IMB-CNM participa en el establecimiento de una línea piloto de fabricación de dispositivos cuánticos compatibles con el estándar CMOS en la Sala Blanca, que llevará a la realización del primer cúbit (qubit o bit cuántico) semiconductor de España. Un cúbit es el análogo cuántico del bit clásico, con la particularidad que representa una combinación de dos estados, dando lugar a un aumento exponencial en la capacidad de computación. También participa en un consorcio europeo para desarrollar líneas  de fabricación para tecnologías cuánticas que se ofrecerán a usuarios académicos e industriales, Qu-Pilot.

"El objetivo es disponer de una plataforma asequible de dispositivos cuánticos que permita investigar tanto en soluciones tecnológicas para mejorar las prestaciones de los dispositivos, como nuevos conceptos de dispositivos y sus aplicaciones. Se podrá ofrecer en modo abierto a través de la Sala Blanca”, aclara Francesc Pérez-Murano, investigador en el IMB-CNM, que lidera la aportación del centro al cúbit, su participación en la PTI+ QTEP (Plataforma Temática Interdisciplinar de Tecnologías
Cuánticas del CSIC) y en Qu-Pilot.

El instituto también trabaja en las capacidades de micro y nanoprocesado a través de la producción de dispositivos basados en materiales avanzados o funcionalidades
superconductoras. Las aplicaciones cuánticas incluyen procesadores escalables y sensores ultrasensibles. “Buscamos desarrollos basados en el magnetismo de materiales nanoestructurados como alternativa segura y energéticamente eficiente a la gestión de información basada en electrónica convencional”, explica Gemma Rius, investigadora del IMB-CNM.

En conjunto, la Sala Blanca del IMB ofrece una infraestructura de vanguardia para impulsar el desarrollo de dispositivos que permitirán el despegue de tecnologías disruptivas, como la fotónica y la computación cuántica, que serán clave en la sociedad digital del futuro.

Nodo central de la red de salas blancas

La Sala Blanca cuenta con el sello de Infraestructura Científica y Técnica Singular (ICTS), reconocido por el Ministerio de Ciencia e Innovación. Es el nodo central de  Micronanofabs, una red nacional de salas blancas, y ofrece abiertamente sus servicios a grupos de investigación y empresas (MPS, Fagor Electrónica, Devicare, Solar-
Mems, Qilimanjaro, Inbrain Neuroelectronics, etc.). Forma parte de la red europea de instalaciones de salas blancas Euronanolab y participa en el programa de accesos
europeos en nanotecnología NFFA-Pilot.

Las siguientes líneas reproducen parcialmente algunos párrafos sobre la investigación del IMB-CNM que se incluyen en la revista.

Exfiles: big data contra la delincuencia

El proyecto europeo Exfiles está desarrollando distintos métodos de hardware y software para extraer datos de smartphones usados por delincuentes que puedan servir como evidencias forenses en un proceso judicial. En un teléfono móvil de última generación, acceder a la información encriptada requiere "desmontar el circuito integrado capa a capa hasta localizar el «lugar» donde se encuentra esa información", explica Salvador Hidalgo. Es un proceso que requiere el análisis de cantidades masivas de datos.

"A veces se introduce en el teléfono una clave de encriptación inventada, y al comprobar que no es correcta, nos devuelve un mensaje de error. Esta acción se repite miles de veces para observar cuál es el consumo de energía del chip en esas operaciones. Después, analizand o esos datos, se puede llegar a descubrir cuál es la clave secreta. Pero necesitamos un ordenador que repita este ciclo una y otra vez durante horas", cuenta Jofre Pallarès sobre el proceso de trabajo. Pallarès e Hidalgo son investigadores del IMB-CNM en el proyecto, que aglutina un consorcio de centros de investigación, universidades, empresas de ciberseguridad y grupos forenses de cinco agencias policiales.