¿Es posible fabricar hardware sin usar materiales como el silicio?

La presentación por parte de ARM del primer procesador construido totalmente en plástico abre las puertas a nuevos mercados en los que el silicio no tiene entrada y nuevas posibilidades de uso que antes no eran posibles. En un mundo donde hemos pasado al paradigma del internet de las cosas, donde cada dispositivo está conectado a los demás, la llegada de procesadores no basados en silicio cambia totalmente la situación. ¿Es posible crear hardware sin silicio?

El silicio es sin duda alguna el elemento base para la construcción de semiconductores y toda la tecnología de semiconductores actual se basa en aprovechar los lingotes de silicio para la creación de nuevos chips, ya que este material tiene excelentes propiedades para esta tarea. Es por ello que no podemos esperar que el uso de la electrónica sin silicio nos dé siquiera un rendimiento que se le acerque.

No obstante, existen mercados donde el uso de chips construidos sin silicio prometen ser revolucionarios y dar un giro de 180º, aparte de cambiar la forma con la que interactuamos en el día a día. Está claro que los procesadores basados en una electrónica sin silicio tienen una gran cantidad de salidas útiles. Veamos por tanto algunos ejemplos desarrollados en los últimos años.

Lógica nanomagnética y nanotubos de carbono

Lógica nanomagnética sin silicio

Una de las claves para conseguir el uso de materiales diferentes al silicio consiste en reemplazar el uso de señales eléctricas por formas alternativas. Una de ellas es la lógica nanomagnética, la cual se basa en el uso de nanoimanes donde se hace posible la construcción de procesadores con metales diferentes al silicio. Debido a que no se usaría corriente eléctrica estos procesadores funcionan con un consumo muy bajo y haría posible su implementación en lugares donde la dependencia de la energía para que funcione el procesador dejaría de ser un problema.

Otra solución son los nanotubos de carbono, los cuales se basan en el uso de moléculas de grafeno que tiene la particularidad de poderse utilizar como un material semiconductor como el silicio, y por tanto se espera que sea el material que más promete a la hora de reemplazar el silicio. Por el momento no se ha anunciado ningún procesador comercial y por tanto para el mercado de masas. No obstante, el grafeno es visto como un material pensado para solventar alguno de los problemas inherentes del silicio y es visto más que un material a futuro y de reemplazo más que una alternativa.

Microcontroladores de plástico y sin silicio

PlasticARM procesador de plasticco sin silicio

En el mes de julio de 2021 ARM presentó lo que ellos bautizaron como PlasticARM, el primer procesador construido totalmente en plástico de la historia y no, no os imaginéis algo comparable siquiera a una APU para smartphone de gama baja, ya que se trata de un microcontrolador con un solo núcleo muy rudimentario con un núcleo de 32 bits basado en la ISA ARMv7, 128 Bytes de RAM y 456 Bytes de ROM, siendo esta una implementación del Cortex M0. Eso sí, con una velocidad muy modesta de 20 kHz, por lo que existe un margen de mejora enorme, aunque tengamos en cuenta el tipo de material utilizado, y es que el plástico precisamente no se le conoce por ser precisamente un elemento conductor de la electricidad.

¿Cuál es su principal ventaja? Son muy baratos de fabricar en comparación con un chip convencional. ¿Y qué utilidad tiene esto? Pues muchas, por ejemplo podemos colocarlo en el envase de los alimentos y combinarlo con pequeños sensores que avisen del estado de los alimentos en cada momento y esta no sería la única utilidad, ya que serviría también para poder almacenar información como su composición química, su aporte nutricional o incluso sus alérgenos. Y la cosa no se limita solo a los alimentos, sino también a lo que es la ropa. ¿Has tirado a la basura la etiqueta de tu prenda favorita y has hecho un estropicio al lavarla? No te preocupes por ello, ya que podrás consultar la información de nuevo.

Otra de las utilidades sería de cara a la construcción de tarjetas y/o cartas en los juegos de mesa, donde cada elemento que tenga uno de estos microcontroladores sin silicio podría interactuar de manera directa con otras cartas o incluso con el tablero de juego. Incluso nos podemos encontrar con elementos de merchandising y promoción con este tipo de chips integrados que interactúan con otros dispositivos. Imaginad por ejemplo comprar un producto listo para hornear en el que solo tengas que comunicar el microcontrolador de plástico con el horno y que este se configure de manera directa. Como se puede ver hay muchas utilidades y seguro que la gran mayoría nos la dejamos en el tintero.

El vidrio, las interfaces ópticas y «el hardware sin silicio»

CPU vidrio portada sin silicio

Aquí vamos a hacer trampas, dado que el vidrio se encuentra compuesto en parte de silicio. Cuando nos referimos a procesadores o hardware sin silicio lo hacemos sobre aquellos que no se construyen a partir de lingotes de silicio purificado, por lo que el vidrio entra dentro de esta categoría. Tenemos el ejemplo de la empresa IonQ que ha conseguido desarrollar elementos básicos para la construcción de procesadores con este material.

Ya hemos dicho que el gran problema existente en la actualidad para hacer avanzar el hardware está en el coste energético del movimiento de los datos. Un problema que a nivel del PC doméstico no nos afecta, pero es la comedura de coco de los futuros diseños en los superordenadores más potentes. ¿La forma de paliar el problema del consumo y aumentar el rendimiento? El uso de interfaces ópticas donde en vez de utilizar electrones se hace uso de fotones para transmitir la información.

El problema es que la construcción de una estructura de vidrio es mucho más cara y menos flexible que una de plástico. Y por el momento fuera de interfaces para interconectar tarjetas gráficas a una gran distancia o para la construcción e interposers no parece que exista una demanda dentro del mercado de masas para el uso de interfaces de alta velocidad construidas sin silicio. No olvidemos que el uso de procesadores basados en múltiples chips sobre un interposer no es el pan de día a día y por lo tanto tardaremos en ver interposers de vidrio y seguramente en producto de tirada muy limitada o para mercados muy especializados.