Computación
El fosfuro de niobio podría hacer que los centros de datos sean más eficientes al abordar la debilidad del material
Nuevo conductor necesario para nanochips
When producing advanced computer chips, the main technological focus has been on reducing the size of transistors and creating more advanced forms of semiconductor materials. This has been the driving force behind the success of companies like TSMC (TSM ), que ahora están alcanzando nodos de chips en la escala de 3 o incluso 2 nm (nanómetros).
Sin embargo, a esta escala aparecen algunos problemas nuevos que no están relacionados con los semiconductores. Uno de ellos es que los materiales conductores tradicionales como el cobre no conducen bien la electricidad cuando el alambre metálico se vuelve demasiado delgado.
Esto puede causar cuellos de botella para la electricidad dentro de los chips, reduciendo la potencia de cálculo y la eficiencia general, además de provocar sobrecalentamiento.
Por lo tanto, es una noticia importante que investigadores de la Universidad de Stanford, la Universidad Ajou de Suwon (Corea del Sur) y el IBM Watson Research Center hayan desarrollado un material ultrafino que conduce la electricidad mejor que el cobre en estas condiciones.
They published their discovery in the prestigious scientific journal Science, titled “Conducción superficial y reducción de la resistividad eléctrica en el semimetal no cristalino ultrafino NbP1”.
Reemplazando el cobre en la computación
Because of its relatively low price and excellent electric conductivity, copper has been the main metal for electric connectivity and is also a key metal in batteries, electric grids, etc.
Sin embargo, debido a la menor conductividad del cobre a nanoescala por debajo de 50 nm, los investigadores han estado buscando alternativas desde hace tiempo. El problema es que los conductores conocidos que funcionan a nivel nanoscale tienen estructuras cristalinas extremadamente precisas, que deben formarse a temperaturas muy altas.
Esto no podría funcionar para semiconductores y chips, ya que la alta temperatura destruiría los frágiles componentes de silicio.
Así que la carrera se centró en encontrar un conductor ultrafino que no dependiera de películas monocristalinas.
Fosfuro de niobio
The researchers worked with niobium phosphide, a material known to display unique electric properties, like super fast electrons and very high magnetoresistance. It is notably already in use in laser and high-power / high-frequency applications.
El fosfuro de niobio se denomina semimetal topológico: esto significa que, aunque todo el material puede transportar electricidad, la superficie es más conductora que el interior.
Para simplificar un poco el concepto, podemos decir que cuanto más delgada sea la capa de fosfuro de niobio, mayor será la parte superficial, con casi ningún “interior”. Como resultado, se puede esperar que cuanto más delgado sea el fosfuro de niobio, más conductivo se vuelva.
Y esto es exactamente lo que observaron los investigadores.
“Se ha pensado que si queremos aprovechar estas superficies topológicas, necesitamos películas monocristalinas de calidad que son muy difíciles de depositar. Ahora tenemos otra clase de materiales – estos semimetales topológicos – que podrían actuar como una forma de reducir el consumo de energía en la electrónica.”
Akash Ramdas – estudiante de doctorado en Stanford
Este es un campo muy nuevo, con físicos que comenzaron a experimentar con semimetales topológicos solo desde 2015. Y una película de menos de 5 nm nunca se había producido antes.
Temperatura más baja para aplicaciones informáticas
The lower temperature means the niobium phosphide is somewhat disorganized, with only nanocrystals in an amorphous matrix.
Fuente: Stanford Report
Tras un análisis más profundo, parece que la alta conductividad está impulsada por canales conductores en la superficie de la película ultrafina.
La película puede depositarse a solo 400 °C (752 °F), una temperatura lo suficientemente baja como para no dañar los transistores de silicio cercanos en un chip de computadora. Por lo tanto, esto la convertiría en un material ideal para conectar el componente interno de un chip con baja resistencia y, por ende, baja generación de calor.
“Si tienes que fabricar cables cristalinos perfectos, eso no funcionará para la nanoelectrónica.
Pero si puedes hacerlos amorfos o ligeramente desordenados y aún así te brindan las propiedades que necesitas, eso abre la puerta a posibles aplicaciones del mundo real.”
Yuri Suzuki – Profesor de Física Aplicada
Alta conductividad
When compared to normal films of niobium phosphide, the 5nm thin film was 6x more conductive. This was also lower than usual metals like copper.
En comparación con películas normales de fosfuro de niobio, la película de 5 nm de espesor fue 6 veces más conductiva. Esto también fue inferior a metales habituales como el cobre.
Cuando tiene 1,5 nm de espesor, el material era dos veces más conductivo que el cobre.
Así que este es verdaderamente el primer ejemplo de conductores no cristalinos, de baja temperatura, que superan la conductividad de los metales normales a nanoescala.
Fuente: Stanford Report
“Los dispositivos electrónicos de muy alta densidad necesitan conexiones metálicas muy finas, y si esos metales no conducen bien, están perdiendo mucha energía y potencia.
Materiales mejores podrían ayudarnos a gastar menos energía en cables pequeños y más energía en la realización real de los cálculos.”
Eric Pop – Profesor de Ingeniería Eléctrica
Los próximos pasos
The very next step is to test in a real chip how well niobium phosphide wire works when applied to nanoelectronics, not only for conductivity but also for reliability and how it can be integrated into the manufacturing process.
Para ello, primero necesitarán construir nanocables de fosfuro de niobio a escala.
Another work will be to check if this concept could not be better carried by other semimetals that might work even better than niobium.
“Para que esta clase de materiales sea adoptada en la electrónica futura, necesitamos que sean conductores aún mejores. Con ese fin, estamos explorando semimetales topológicos alternativos.”
Xiangjin Wu, estudiante de doctorado en Stanford
Heat removal is now one of the main power‑consuming processes in these data centers, as much as the computing itself. This is especially true for 5‑3 nm chips, required for AI training and the most complex calculations.
Por lo tanto, a largo plazo, los materiales conductores a nanoescala serán imprescindibles, ya que la generación de calor se está convirtiendo en un problema cada vez mayor para los centros de datos que utilizan chips avanzados.
It is also possible that ultrathin niobium phosphide films will find other applications in advanced technologies, especially where this material is already used like laser or telecom equipment.
Invertir en materiales conductores avanzados
As advanced chips and semiconductors elements get smaller, the industry is concentrating toward a handful of large manufacturers like TSMC (TSM ), Intel (INTC ) or Nvidia (NVDA ) (siga los enlaces para informes dedicados de cada una de estas compañías).
Puede invertir en compañías relacionadas con semiconductores a través de muchos corredores, y puede encontrar aquí, en securities.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.
O, si prefiere un enfoque más diversificado, puede invertir en ETFs relacionados con semiconductores como el iShares Semiconductor ETF (SOXX), el VanEck Semiconductor ETF (SMH), o el Global X Semiconductor ETF (SEMI).
También puede obtener más información sobre la cadena de suministro de equipos de fabricación de semiconductores y las compañías clave en “Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support”.
Computing Advanced Material Company
International Business Machines Corporation
(IBM )
International Business Machines Corporation (IBM) fue la fuerza líder detrás de la comercialización de la primera computadora mainframe. También fue el principal socio industrial de los investigadores de Stanford para su proyecto de fosfuro de niobio.
La compañía se ha quedado rezagada en volumen de producción frente a otros gigantes tecnológicos como Apple, TSMC y NVIDIA.
Sin embargo, está a la vanguardia del desarrollo de nuevos materiales y tecnologías de computación.
IBM está a la vanguardia del progreso en tecnología de conducción, y los semimetales topológicos son solo uno de esos campos. Por lo tanto, no solo está adelantada en nuevos materiales conductores ultrafinos, sino también en superconductores de alta temperatura.
Estos superconductores son cruciales para las computadoras cuánticas. Recientemente, IBM desarrolló “Condor”, un procesador cuántico de 1 121 qubits superconductores basado en la tecnología de puertas de resonancia cruzada, junto con “Heron”, un procesador cuántico en el límite del campo.
IBM está involucrada en la mayoría de las demás innovaciones de vanguardia en computación y la industria de semiconductores. Estas incluyen materiales orgánicos conductores, computación neuromórfica, photonics, etc.
En cierta medida, IBM se ha convertido en una “empresa de patentes” con experiencia en desarrollar nuevos métodos de computación y licenciarlos a la industria.
Hasta ahora, IBM parece muy decidida a poseer la mayor cantidad posible de patentes clave en todos los métodos de computación no basados en silicio, replicando su éxito pasado al contribuir masivamente al desarrollo de la industria de semiconductores hasta convertirla en el gigante que es hoy.
El fosfuro de niobio y otras tecnologías relacionadas con semimetales topológicos encajarían perfectamente en esa estrategia, con IBM desarrollando la tecnología para reemplazar el cobre en estos casos y luego licenciándola a las grandes fundiciones de chips para los pasos de fabricación.
Referencia del estudio:
1. Khan, A. I., et al. (2025). Surface conduction and reduced electrical resistivity in ultrathin noncrystalline NbP semimetal. Science, 387(62–67). https://doi.org/10.1126/science.adq7096
