Las fábricas de microchips en los Estados Unidos pueden meter miles de millones de transistores de procesamiento de datos en un pequeño chip de silicio, pero un dispositivo crítico, en esencia un « reloj », para cronometrar la operación de esos transistores debe hacerse por separado, creando un punto débil en chip de seguridad y la línea de suministro. Un nuevo enfoque utiliza materiales y técnicas de fabricación de chips comerciales para fabricar transistores especializados que sirven como bloque de construcción de este dispositivo de sincronización, abordando el punto débil y permitiendo una nueva funcionalidad a través de una integración mejorada.
« Tendrías un chip que hace todo en lugar de múltiples chips, múltiples métodos de fabricación y múltiples conjuntos de materiales que deben integrarse, a menudo en el extranjero », dijo Dana Weinstein, profesora de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Purdue, que está desarrollando resonadores acústicos. con los procesos utilizados para producir transistores de efecto de campo de aleta estándar de la industria (FinFET). « Estados Unidos necesita mejorar sus capacidades en la fabricación de chips, y un avance de esta naturaleza aborda múltiples preocupaciones en la cadena de suministro, la seguridad nacional y la seguridad del hardware. Al mover todo el reloj dentro del procesador, fortalece el dispositivo contra fallas en el reloj. ataques, y habilita nuevas funciones, como la huella digital acústica del chip empaquetado para la detección de manipulaciones ».
Como todos los transistores, los dispositivos que sustentan la microelectrónica moderna, los FinFET son una puerta de encendido/apagado activada por voltaje. Como sugiere su nombre, un FinFET pasa una corriente a lo largo de una aleta de material semiconductor que atraviesa la puerta. En el estado cerrado o apagado, la aleta no conduce la electricidad. Un voltaje aplicado a la parte superior de la compuerta genera una carga eléctrica en la aleta, lo que permite que la electricidad fluya en un estado abierto o encendido.
Pero los transistores deben sincronizarse para realizar operaciones para microprocesadores, sensores y radios utilizados en todos los dispositivos electrónicos. Los dispositivos que hacen esto se basan en el sonido, la frecuencia resonante que emiten algunas estructuras, al igual que un recipiente de vidrio puede hacer sonar una nota específica cuando se le hace ping. La onda repetitiva regular de este llamado resonador acústico sirve como una cadencia que se incorpora a un sistema microelectromecánico más grande y se usa para marcar el tiempo. Los resonadores microelectromecánicos comerciales actuales no pueden fabricarse en un proceso de fabricación de chips estándar y deben fabricarse por separado y luego agruparse con microchips para su uso.
La innovación de Weinstein es construir un resonador acústico con el repertorio existente de materiales y técnicas de fabricación disponibles en una fábrica de chips semiconductores de óxido metálico complementario estándar. En un artículo reciente en Nature Electronics, su equipo de investigación informa sobre su diseño más avanzado hasta la fecha. Usando un proceso comercial ejecutado en las instalaciones de GlobalFoundries Fab 8 en Nueva York y descrito en el manual de diseño de tecnología GlobalFoundries 14LPP FinFET, los miembros del equipo fabricaron un conjunto especializado de FinFET capaces de producir una frecuencia en el rango de 8 a 12 gigahercios, que supera la frecuencias de reloj nativas típicas de los microprocesadores.
La solución elegante esencialmente reutiliza los transistores de procesamiento de datos en un dispositivo de sincronización.
« Con nuestro enfoque, la fábrica de chips ejecuta este dispositivo a través del mismo proceso que usaría para la unidad central de procesamiento de una computadora u otra aplicación », dijo Jackson Anderson, estudiante graduado de Purdue en ingeniería eléctrica e informática y primer autor del artículo de Nature Electronics.. « Cuando el microprocesador y otros componentes están terminados, también lo está el resonador. No tiene que someterse a más fabricación o enviarse a otro lugar para integrarlo con un chip de microprocesador separado ».
Aunque el estado de encendido o apagado de un transistor normalmente dirige la corriente para que sirva como los 0 y los 1 del código binario, todos los transistores también se pueden usar como capacitores para almacenar y liberar una carga. El equipo de Weinstein hace exactamente eso con conjuntos de transistores de « accionamiento », apretando y liberando una fina capa de materiales dieléctricos entre la aleta y la puerta.
« Estamos comprimiendo esas capas entre la puerta y el semiconductor, empujando y tirando de esa delgada región entre la puerta y la aleta », dijo Jackson. « Hacemos esto alternativamente en transistores adyacentes, uno comprimiendo, otro estirando, generando vibraciones lateralmente en el dispositivo ».
Los transistores de accionamiento están dimensionados para guiar y amplificar las vibraciones para que se construyan sobre sí mismas en una frecuencia resonante específica. Esto, a su vez, estira y comprime el material semiconductor en un grupo adyacente de transistores « sensores », lo que altera las características de una corriente a través de esos transistores, traduciendo la vibración en una señal eléctrica.
« Cada pieza de electrónica de alto rendimiento que tiene utiliza FinFET », dijo Weinstein. « La integración de estas funciones hace avanzar nuestras capacidades microelectrónicas más allá de los microprocesadores digitales. Si la tecnología cambia, podemos adaptarnos, pero estaríamos avanzando con un sistema de microprocesador integrado ».