Avances en Semiconductores: ¿Podrían los haces de “Donut” y los bloques de “Lego” revolucionar los enfoques de la industria?

Un componente esencial de los dispositivos electrónicos, los semiconductores se han entrelazado con la propia trama de nuestra existencia diaria. Estos diminutos pero poderosos elementos son la piedra angular de la tecnología moderna, impulsando innovaciones en computación, comunicaciones, energía limpia, atención sanitaria, transporte, sistemas militares y una multitud de otras aplicaciones críticas. 

Como un testimonio sorprendente de su influencia ubicua, se espera que el tamaño del mercado global de semiconductores crezca hasta $1.38 trillion para 2029, frente a $573.44 mil millones en 2022.

Una mirada al avance de los semiconductores

Los semiconductores son materiales que conducen electricidad más que un aislante pero menos que un conductor puro. Estos materiales, que pueden ser elementos puros o compuestos, experimentan una transformación significativa en su conductividad cuando se añaden pequeñas cantidades de impurezas.

Es gracias a los semiconductores que tenemos acceso a radios, televisores, teléfonos inteligentes, computadoras, videojuegos y equipos avanzados de diagnóstico médico. Los avances en la tecnología de semiconductores durante las últimas décadas han permitido que estos dispositivos electrónicos sean más pequeños, más rápidos, más baratos y más fiables.

También conocidos como circuitos integrados (IC) o microchips, los semiconductores han revolucionado nuestra forma de vivir, influyendo en cómo trabajamos, nos comunicamos, viajamos, tratamos enfermedades, nos entretenemos y aprovechamos la energía.

Como los bloques de construcción fundamentales de la tecnología moderna, los semiconductores continúan impulsando los mayores avances del mundo, con un inmenso potencial.

Algunas de las innovaciones más emocionantes en la industria de los semiconductores incluyen la computación cuántica, que requiere nuevos tipos de semiconductores que operen a bajas temperaturas; la computación neuromórfica, que busca desarrollar chips informáticos que imiten la estructura y función del cerebro humano para máquinas inteligentes; la fotónica de silicio, que utiliza luz para transferir datos entre chips de computadora; y el empaquetado avanzado, esencial para desarrollar dispositivos electrónicos de alto rendimiento.

Estas soluciones avanzadas de semiconductores jugarán un papel clave en Inteligencia Artificial (IA), que está adquiriendo una importancia creciente en diversas industrias. Los semiconductores pueden ayudar a que las aplicaciones de IA realicen tareas complejas de manera más eficiente. Los semiconductores también tienen un enorme potencial en vehículos autónomos, sistemas de procesamiento de imágenes inteligentes y sistemas de energía renovable.

Fabricación de semiconductores

En la industria de los semiconductores, el objetivo es crear productos más pequeños, más rápidos y más baratos, una meta que está directamente vinculada al principio de que ser diminuto permite colocar más potencia en el mismo chip. Esta compacidad es crucial porque cuantos más transistores haya en un chip, más rápido funciona.

Aquí es donde entra en juego la Ley de Moore, que establece que “el número de transistores en un circuito integrado denso se duplica aproximadamente cada dos años”. Esto resalta la presión sobre los fabricantes de chips para innovar constantemente y ofrecer semiconductores más eficientes y económicos, garantizando al mismo tiempo el control de calidad y la rápida disponibilidad del producto para la venta.

La mayor parte de la demanda de la industria de semiconductores proviene de teléfonos inteligentes y equipos industriales, pero la llegada de la IA, el IoT y los vehículos autónomos ha cambiado la perspectiva del sector.

Ahora, la creciente demanda obliga a las empresas de semiconductores a centrarse más en la investigación y desarrollo, aumentar la funcionalidad y lograr tiempos de producción más eficientes. Estos requisitos han generado desafíos significativos para la industria, siendo el mayor cómo ofrecer chips más pequeños y potentes a costos asequibles.

Además, las innovaciones han incrementado la complejidad de los procesos de fabricación en la industria de semiconductores. Este aumento de complejidad naturalmente exige cadenas de suministro más eficientes, una necesidad aún mayor dada la demanda cada vez mayor de las empresas de IA. Esto requiere no solo una amplia gama de capacidades de rendimiento, sino también plazos de entrega más cortos.

La fabricación de chips de semiconductores implica la purificación del wafer, la construcción de múltiples capas para crear circuitos integrados y luego el ensamblaje y empaquetado de varios componentes en el producto final.

Por lo tanto, los fabricantes de semiconductores deben enfrentar el desafío de la manipulación de materiales, el reciclaje y la mejora de procesos, aspectos críticos de sus operaciones. Pero el alcance de sus desafíos no se limita a esto; factores como la geopolítica también afectan significativamente la disponibilidad de recursos y el comercio, como se ha ejemplificado en el caso de EE. UU y China.

Desde hace tiempo, los problemas de la cadena de suministro han sido de los principales problemas en la industria. Esta situación se complica aún más por factores como tensiones geopolíticas y disputas comerciales, y eventos de cisne negro como la pandemia han agravado aún más el problema de la disponibilidad de chips.

Además de estos desafíos, la industria también debe lidiar con la creciente brecha entre la demanda de profesionales cualificados y la disponibilidad de personas capacitadas. Dada la intensa competencia y el rápido ritmo de avance en el sector, no es sorprendente la existencia de una escasez de talento y una brecha de habilidades.

A pesar de todos estos desafíos, sin embargo, la industria sigue prosperando. Los avances que tienen el potencial de transformar el futuro ocurren constantemente, demostrando la resiliencia y el espíritu innovador del sector.

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‘Doughnut’ Beams permiten observar objetos increíblemente pequeños

Este mes, un nuevo estudio tomó imágenes detalladas de diminutos objetos usando haces de luz con forma de dona, lo cual no habría sido posible con microscopios tradicionales. El estudio fue realizado por investigadores de CU Boulder y se espera que ayude a los científicos a mejorar los detalles básicos de una variedad de “nanoelectrónica”, incluidos los mini semiconductores que se encuentran en los chips de computadora.

Este es el último avance en el campo de la ptychografía, una técnica de imagen computacional para la microscopía. Las herramientas de ptychografía, a diferencia de los microscopios tradicionales, no observan directamente objetos muy pequeños; en su lugar, iluminan el objetivo con láseres y luego miden cómo se dispersa la luz.

Según la autora principal del estudio, Margaret Murnane, hasta hace poco, este enfoque, aunque funcionaba bien, “fallaba por completo con muestras altamente periódicas, o objetos con un patrón repetitivo regular” porque incluye nanoelectrónica.

Murnane, investigadora en JILA –un instituto conjunto de CU Boulder y NIST– explicó los desafíos que enfrentan los científicos al usar ptychografía para observar las estructuras de algunos semiconductores. Estas estructuras, formadas por átomos como el silicio dispuestos en rejillas diminutas increíblemente uniformes, presentan dificultades debido a su falta de variación.

Así, en el nuevo estudio, los investigadores crearon haces de luz ultravioleta extrema en lugar de usar láseres regulares en sus microscopios para hacer marionetas de sombra. Luego, mediante una placa de fase espiral, torcieron su forma en donas, y cuando estos haces rebotaron en estructuras repetitivas, las sombras creadas fueron mucho más complejas que las de los láseres tradicionales. Esto permitió la recopilación precisa de imágenes de estructuras diminutas y delicadas.

Estas estructuras miden entre 10 y 100 nanómetros, y en el futuro el equipo espera acercarse para observar estructuras aún más pequeñas. La idea es hacer que esta estrategia de dona sea aún más precisa, lo que permitirá al equipo ver objetos aún más frágiles, quizá incluso células biológicas, algún día.

Hasta ahora, las herramientas de imagen que usan lentes solo podían ver hasta una resolución de aproximadamente 200 nanómetros, sin permitir a los científicos capturar muchos virus con precisión. Pero ahora, con esta investigación, se han superado los límites fundamentales de los microscopios, y los científicos podrán capturar estos patógenos en acción en tiempo real en el futuro. “En lugar de usar una lente para recuperar la imagen, usamos algoritmos”, dijo.

Además, los haces no dañan la electrónica diminuta en el proceso y, por lo tanto, pueden usarse “para inspeccionar los polímeros utilizados para fabricar e imprimir semiconductores en busca de defectos, sin dañar esas estructuras en el proceso”, dijo Murnane.

En general, este nuevo estudio tiene un gran potencial para impactar la industria de semiconductores al mejorar la inspección de componentes nanoelectrónicos con un control de calidad más preciso. Esto también podría permitir a los investigadores inspeccionar estructuras delicadas de semiconductores sin comprometer su integridad. A medida que avancen las técnicas de ptychografía, podríamos ver métodos de imagen más versátiles para la investigación y desarrollo de semiconductores.

Chips fotónicos que “reformarán” el panorama de los semiconductores

En otro nuevo estudio, investigadores del centro de nanociencia del University of Sydney Nano Institute, en colaboración con científicos de la Australian National University, diseñaron una arquitectura de semiconductor novedosa en la que integraron electrónica con fotones para ampliar el ancho de banda y el control de filtros. Esto significa que más información puede fluir a través del chip mientras se permite un control avanzado de filtros.

“Este trabajo allana el camino para una nueva generación de filtros fotónicos de RF compactos y de alta resolución con sintonización de frecuencia de banda ancha, particularmente beneficiosos en cargas útiles de comunicación RF aéreas y espaciales, abriendo posibilidades para comunicaciones y capacidades de detección mejoradas.”

– dijo el Dr. Moritz Merklein, investigador senior y coautor del estudio

Para construir este chip, los investigadores utilizaron una tecnología emergente en fotónica de silicio, con la que pudieron integrar sistemas diversos en semiconductores de menos de 5 milímetros de ancho, lo que es como ensamblar bloques de Lego. De esta manera, puede proporcionar un enfoque escalable y modular al diseño de chips, abriendo nuevas posibilidades para crear dispositivos semiconductores complejos y altamente eficientes.

“El uso combinado de fundiciones de semiconductores extranjeras para fabricar la oblea básica del chip con infraestructura e investigación local ha sido vital para desarrollar este circuito fotónico integrado.”

– Dr. Alvaro Casas Bedoy, Director Asociado de Integración Fotónica en la Escuela de Física

Este nuevo chip de semiconductor de silicio compacto amplía sustancialmente el ancho de banda de radiofrecuencia (RF) y puede controlar la información que fluye a través de la unidad con precisión. Su aplicación se puede ver en radares avanzados, redes inalámbricas, satélites y el despliegue de telecomunicaciones 6G y 7G. Además, esto significa dispositivos que pueden adaptarse a diversas aplicaciones, haciéndolos útiles en una amplia gama de escenarios.

Según los investigadores, esta capacidad mejorada puede ayudar aún más en la fabricación soberana avanzada y la creación de fábricas de alto valor añadido sin depender exclusivamente de fabricantes internacionales.

Esta invención, según el Pro-Vice-Chancellor, el profesor Ben Eggleton, es un avance significativo en la investigación de fotónica de microondas y fotónica integrada. El chip tiene la capacidad de ofrecer un ancho de banda de 15 gigahercios de frecuencias sintonizables con una impresionante resolución espectral.

Él explicó cómo “la fotónica de microondas juega un papel crucial en las comunicaciones modernas y aplicaciones de radar, ofreciendo la flexibilidad para filtrar con precisión diferentes frecuencias, reduciendo la interferencia electromagnética y mejorando la calidad de la señal.” Además, al integrar funcionalidades avanzadas en chips de semiconductores (vidrio calcogenuro con silicio), Eggleton cree que puede “reformar el panorama local de los semiconductores”.

Principales fabricantes de semiconductores 

Dado todo lo que está ocurriendo en la industria de los semiconductores, ahora, echemos un vistazo a algunos de los fabricantes de semiconductores más destacados:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd.

La mayor fundición de semiconductores del mundo está dedicada a la fabricación de circuitos integrados en nombre de clientes. Con una capitalización de mercado de $523.56 mil millones, las acciones de la compañía cotizan a $100.75, un aumento del 35.52% este año. Los ingresos de TSM (TTM) han sido $68.86 mil millones, EPS (TTM) de 5.36 y P/E (TTM) de 18.84, mientras ofrece un rendimiento de dividendo del 1.81%.

TSMC está actualmente en camino de producir en volumen sus chips N2 (2 nanómetros), los cuales, según la compañía, “serán la tecnología de semiconductores más avanzada de la industria tanto en densidad como en eficiencia energética cuando se introduzca”. El fabricante de semiconductores también está trabajando en su expansión global, que comenzó con una nueva instalación en Arizona hace un par de años y ahora también incluye Japón y Alemania.

2. Advanced Micro Devices, Inc. 

Esta empresa global de semiconductores tiene una capitalización de mercado de $217.13 mil millones, con sus acciones cotizando a $133.52, un aumento del 107.52% este año. Los ingresos de AMD (TTM) han sido $22.11 mil millones, y EPS (TTM) de 0.13, pero no ofrece dividendos.

Recientemente, Advanced Micro presentó sus nuevos chips de IA de la esperada línea MI300 para competir con los procesadores de IA insignia de Nvidia (NVDA ), que controla alrededor del 80% del mercado de chips de IA. Estos nuevos chips están diseñados para supercomputadoras y aplicaciones de IA generativa como ChatGPT y Dall‑E. La compañía también elevó la previsión para su mercado direccionable de chips de IA a $400 mil millones en los próximos cuatro años.

3. Applied Materials, Inc. 

La empresa, líder en la provisión de equipos, servicios y software de fabricación para la industria de semiconductores, cuenta con una capitalización de mercado de $129.78 mil millones. Reflejando su estatura, las acciones del mayor fabricante de equipos de semiconductores en EE. UU cotizan actualmente a $156.50, marcando un impresionante aumento del 59.3% este año. Financiaramente, AMAT ha reportado ingresos (TTM) de $26.51 mil millones, EPS (TTM) de 8.11 y P/E (TTM) de 19.12, además de ofrecer un rendimiento de dividendo del 0.83%.

Sin embargo, Applied Materials (AMAT ) está navegando actualmente en aguas turbulentas, ya que está bajo investigación criminal de EE. UU por supuestamente enviar equipos al principal fabricante de chips de China, SMIC, potencialmente eludiendo restricciones de exportación. Esta situación surge en medio de la prohibición del gobierno de EE. UU no solo a los envíos de chips avanzados, sino también a equipos hacia China. En un movimiento que señala sus ambiciones globales y expansión estratégica, a principios de este año, Applied Materials anunció su plan de invertir $400 millones durante cuatro años para establecer un centro de ingeniería colaborativa en la India.

4. ASML Holding NV 

ASML, con sede en los Países Bajos, suministra sistemas avanzados de litografía utilizados por fabricantes de chips como TSMC, Samsung e Intel (INTC ) para añadir circuitos a obleas de silicio. Tiene una capitalización de mercado de $286.32 mil millones, mientras sus acciones cotizan a $714.42, un aumento del 30% en lo que va del año, con ingresos (TTM) registrados en 28.871 mil millones, EPS (TTM) de 20.42 y P/E (TTM) de 34.78. El rendimiento de dividendo ofrecido es del 0.91%.

La compañía informó recientemente ganancias del tercer trimestre de poco más de $2 mil millones, con el CEO Peter Wennink diciendo, “La industria de semiconductores está trabajando actualmente a través del fondo del ciclo, y nuestros clientes esperan que el punto de inflexión sea visible para finales de este año.”

Conclusión

Los semiconductores son un componente crítico en los dispositivos que forman parte integral de nuestras vidas. Son, de hecho, la columna vertebral del próspero sector tecnológico. Y a medida que la demanda de semiconductores continúa en aumento, está conduciendo a chips cada vez más pequeños, más rápidos y más eficientes en consumo de energía. Todo este avance e innovación permitirá entonces el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos y aplicaciones que antes eran imposibles!