Más pequeño es a veces mejor: por qué los componentes electrónicos son tan pequeños

Quizás la segunda ley más famosa en electrónica después de la ley de Ohm es la ley de Moore: la cantidad de transistores que se pueden fabricar en un circuito integrado se duplica cada dos años más o menos. Dado que el tamaño físico de los chips sigue siendo aproximadamente el mismo, esto implica que los transistores individuales se vuelven más pequeños con el tiempo. Hemos llegado a esperar que las nuevas generaciones de chips con un tamaño de característica más pequeño aparezcan a un ritmo regular, pero ¿cuál es exactamente el punto de hacer las cosas más pequeñas? ¿Y más pequeño siempre significa mejor?

Durante el siglo pasado, la ingeniería electrónica ha mejorado enormemente. En la década de 1920, una radio AM de última generación contenía varios tubos de vacío, algunos inductores, capacitores y resistencias enormes, varias docenas de metros de cable para actuar como antena y un gran banco de baterías para alimentar todo. . Hoy en día, puede escuchar una docena de servicios de transmisión de música en un dispositivo que cabe en su bolsillo y puede hacer miles de cosas más. Pero la miniaturización no se hace solo para facilitar su transporte: es absolutamente necesaria para lograr el rendimiento que esperamos de nuestros dispositivos hoy en día.

Un beneficio obvio de los componentes más pequeños es que le permiten empaquetar más funciones en el mismo volumen. Esto es especialmente importante para los circuitos digitales: más componentes significa que puede hacer más procesamiento en la misma cantidad de tiempo. Por ejemplo, un procesador de 64 bits puede, en teoría, procesar ocho veces más información que una CPU de 8 bits que se ejecuta a la misma frecuencia de reloj. Pero también necesita ocho veces más componentes: registros, sumadores, buses, etc., todos se vuelven ocho veces más grandes. Por lo tanto, necesitaría un chip que sea ocho veces más grande o transistores que sean ocho veces más pequeños.

Lo mismo se aplica a los chips de memoria: haga transistores más pequeños y tendrá más espacio de almacenamiento en el mismo volumen. Los píxeles en la mayoría de las pantallas actuales están hechos de transistores de película delgada, por lo que aquí también tiene sentido reducirlos y lograr una resolución más alta. Sin embargo, hay otra razón crucial por la que los transistores más pequeños son mejores: su rendimiento aumenta enormemente. Pero, ¿por qué exactamente es eso?

Cada vez que fabrica un transistor, viene con algunos componentes adicionales de forma gratuita. Hay resistencia en serie con cada uno de los terminales. Cualquier cosa que lleve una corriente también tiene autoinducción. Y finalmente, hay capacitancia entre dos conductores cualquiera que estén uno frente al otro. Todos estos efectos consumen energía y ralentizan el transistor. Las capacitancias parásitas son especialmente problemáticas: deben cargarse y descargarse cada vez que el transistor se enciende o se apaga, lo que consume tiempo y corriente del suministro.

La capacitancia entre dos conductores es una función de su tamaño físico: dimensiones más pequeñas significan capacitancias más pequeñas. Y debido a que las capacitancias más pequeñas significan una mayor velocidad y una menor potencia, los transistores más pequeños pueden funcionar a frecuencias de reloj más altas y disipar menos calor al hacerlo.

La capacitancia no es el único efecto que cambia cuando reduce la escala de un transistor: aparecen muchos efectos mecánicos cuánticos extraños que no son evidentes para dispositivos más grandes. Sin embargo, en general, hacer transistores más pequeños los hace más rápidos. Pero hay más en la electrónica que solo transistores. ¿Cómo les va a otros componentes cuando los reduce?

En general, los componentes pasivos como resistencias, capacitores e inductores no mejoran mucho cuando los haces más pequeños: en muchos sentidos, empeoran. Por lo tanto, la miniaturización de estos componentes se realiza principalmente para poder comprimirlos en un volumen más pequeño y, por lo tanto, ahorrar espacio en la placa de circuito impreso.

Las resistencias se pueden reducir de tamaño sin mucha penalización. La resistencia de una pieza de material viene dada por , donde l es la longitud, A el área de la sección transversal y ρ la resistividad del material. Simplemente puede reducir la longitud y la sección transversal y terminar con una resistencia que es físicamente más pequeña, pero que aún tiene la misma resistencia. El único inconveniente es que una resistencia físicamente pequeña se calentará más en comparación con una más grande cuando disipa la misma cantidad de energía. Por lo tanto, las resistencias pequeñas solo se pueden usar en circuitos de baja potencia. La tabla muestra cómo la clasificación de potencia máxima de las resistencias SMD disminuye a medida que se reducen sus dimensiones.

Hoy en día, las resistencias más pequeñas que puede comprar son de tamaño métrico 03015 (0,3 mm x 0,15 mm). Con una potencia nominal de solo 20 mW, solo se utilizan en circuitos que disipan muy poca potencia y tienen un volumen extremadamente limitado. Se ha anunciado un paquete métrico 0201 aún más pequeño (0,2 mm x 0,1 mm), pero aún no está en producción. Pero incluso cuando aparecen en los catálogos de los fabricantes, no espere que aparezcan en todas partes: la mayoría de los robots de recoger y colocar no son lo suficientemente precisos para manejarlos, por lo que probablemente seguirán siendo un producto de nicho.

Los condensadores también se pueden reducir, pero esto reduce su capacitancia. La fórmula para calcular la capacitancia de un capacitor en paralelo es , donde A es el área de las placas, d es la distancia entre ellas y ε es la constante dieléctrica (una propiedad del material en el medio). Si miniaturiza un capacitor, que es básicamente un dispositivo plano, debe reducir el área y, por lo tanto, la capacitancia. Si aún desea empaquetar muchos nanofaradios en un volumen pequeño, la única opción es apilar varias capas una encima de la otra. Gracias a los avances en los materiales y la fabricación, que también permiten películas delgadas (d pequeña) y dieléctricos especiales (con ε más grande), los capacitores se han reducido significativamente en tamaño en las últimas décadas.

Los capacitores más pequeños disponibles en la actualidad están empaquetados en el paquete métrico ultrapequeño 0201: solo 0,25 mm x 0,125 mm. Su capacitancia está limitada a 100 nF todavía útiles con un voltaje de funcionamiento máximo de 6,3 V. Nuevamente, estos paquetes son tan pequeños que se necesita un equipo avanzado para procesarlos, lo que limita su adopción generalizada.

Para los inductores, la historia es un poco más complicada. La inductancia de una bobina recta viene dada por , donde N es el número de vueltas, A es el área de la sección transversal de la bobina, l es su longitud y μ es una constante material (la permeabilidad magnética). Si reduce todas las dimensiones a la mitad, también reduce a la mitad la inductancia. Sin embargo, la resistencia del cable sigue siendo la misma: esto se debe a que la longitud y la sección transversal del cable se reducen a una cuarta parte de su valor original. Esto significa que termina con la misma resistencia para la mitad de la inductancia y, por lo tanto, ha reducido a la mitad el factor de calidad (Q) de su bobina.

Los inductores discretos más pequeños disponibles comercialmente tienen el tamaño imperial 01005 (0,4 mm x 0,2 mm). Estos van hasta 56 nH, con varios ohmios de resistencia. Los inductores en el paquete métrico ultra pequeño 0201 se anunciaron en 2014, pero aparentemente nunca se lanzaron al mercado.

Se han realizado algunos esfuerzos para sortear las limitaciones físicas del inductor mediante el uso de un fenómeno llamado inductancia cinética, que se puede observar en bobinas hechas de grafeno. Pero incluso eso da una mejora de quizás un 50%, si se puede hacer de una manera comercialmente viable. Al final, las bobinas simplemente no se miniaturizan muy bien. Pero esto no tiene por qué ser un problema si sus circuitos funcionan a altas frecuencias. Si sus señales están en el rango de GHz, entonces una bobina de unos pocos nH suele ser suficiente.

Esto nos lleva a otra cosa que se miniaturizó durante el siglo pasado, pero que quizás no note de inmediato: las longitudes de onda que usamos para comunicarnos. Las primeras transmisiones de radio usaban frecuencias AM de onda media alrededor de 1 MHz, con una longitud de onda de aproximadamente 300 metros. La banda de FM centrada en torno a los 100 MHz, o tres metros, se hizo popular alrededor de los años 60, mientras que hoy en día utilizamos mayoritariamente las comunicaciones 4G en torno a 1 o 2 GHz, unos 20 cm. Las frecuencias más altas significan una mayor capacidad para transmitir información, y gracias a la miniaturización tenemos radios baratos, confiables y de bajo consumo que funcionan en estas frecuencias.

La reducción de las longitudes de onda permitió la reducción de las antenas, ya que su tamaño está directamente relacionado con la frecuencia que necesitan para transmitir o recibir. El hecho de que los teléfonos móviles de hoy en día no necesiten antenas largas y sobresalientes es gracias a que se comunican exclusivamente en frecuencias de GHz, para lo cual las antenas solo necesitan tener alrededor de un centímetro de largo. Esta es también la razón por la que la mayoría de los teléfonos que todavía contienen un receptor de FM requieren que conecte sus auriculares antes de usarlos: la radio necesita usar los cables de los auriculares como antena para obtener suficiente potencia de señal de esas ondas de un metro de largo.

En cuanto a los circuitos conectados a nuestras diminutas antenas, en realidad se vuelven más fáciles de hacer cuando son más pequeñas. Esto no se debe solo a que los transistores se vuelven más rápidos, sino también a que los efectos de la línea de transmisión son un problema menor. En pocas palabras, cuando un trozo de cable es más largo que una décima parte de una longitud de onda, debe tener en cuenta el cambio de fase a lo largo de su longitud al diseñar su circuito. A 2,4 GHz esto significa que solo un centímetro de cable ya afecta a tu circuito; todo un dolor de cabeza si está soldando componentes discretos, pero no es un problema si está diseñando circuitos en unos pocos milímetros cuadrados.

Se ha convertido en un tema recurrente en el periodismo tecnológico para predecir la desaparición de la ley de Moore o mostrar cómo esas predicciones son incorrectas una y otra vez. El hecho es que los tres jugadores que aún compiten en la vanguardia de este juego (Intel, Samsung y TSMC) continúan exprimiendo cada vez más funcionalidad en cada micrón cuadrado y están planeando varias generaciones mejoradas de chips en el futuro. Incluso si los avances que hacen en cada paso pueden no ser tan grandes como lo fueron hace dos décadas, la miniaturización de los transistores continúa.

Sin embargo, en cuanto a los componentes discretos, parece que hemos llegado a un límite natural: hacerlos más pequeños no mejora su rendimiento, y los componentes más pequeños disponibles actualmente son más pequeños de lo que necesita la gran mayoría de los casos de uso. No parece haber una ley de Moore para los discretos, pero si la hubiera, nos encantaría ver hasta dónde se podría llevar el Desafío de soldadura SMD.

Imagen de encabezado: Jon Sullivan, dominio público.