Internet futura y su electrónica

Internet ha cambiado muchos aspectos de nuestra vida. El motivo para su invención surge ya en la década de los 60, por la necesidad de que los ordenadores instalados en universidades y centros de cálculo, y muy separados geográficamente, pudiesen comunicarse entre sí, intercambiar ficheros e información. El nacimiento efectivo se sitúa al comienzo de la década de los 90, y se materializa gracias a los vertiginosos progresos de la microelectrónica de silicio que también posibilitaron el ordenador personal y el teléfono móvil, sin los cuales parece que ya es imposible vivir. Se estima que hay ya conectados a internet unos 20.000 millones de dispositivos.

Pero la evolución de internet no sólo se refiere a ordenadores y teléfonos móviles, sino que también se dirige hoy a objetos de nuestra vida diaria y a toda clase de entes físicos o virtuales, que podrán comunicarse y compartir información en tiempo real al estar conectados a internet. Esta Futura Internet (FI) ha sido bautizada como ”internet de las cosas”, lo que indica el deseo de poder conectarse y comunicarse, con cualquier “cosa” en cualquier punto de la Tierra y en cualquier momento.

La materialización de la FI dependerá, fundamentalmente, de la electrónica. Para identificar cada ente físico le deberemos “pegar” un chip que contenga la información requerida (un conjunto de símbolos o dígitos por ejemplo), y que le permita comunicarse. Entes muy importantes a conectar a la FI son los sensores, capaces de obtener y enviar información sobre salud, seguridad, parámetros ambientales, estado de infraestructuras, o coches autónomos.

En muchos casos se tratará de una red de microsistemas con la función de medir una variedad de parámetros físico-químicos o biológicos, y comunicarse con un sistema, de mayor capacidad, que recopila y procesa los datos, haciendo de pasarela de comunicación a internet para su gestión y explotación. El ente u objeto que esté conectado a Internet debe tener una identificación, una dirección. Dado que la versión más reciente del Protocolo Internet (IPv6), asigna a cada dirección 128 dígitos binarios, por tanto posibilitando hasta 10³⁸ direcciones, éste es reconocido como un serio candidato para habilitar en un futuro la conectividad masiva de objetos en el nuevo paradigma de internet de las cosas.

¿Qué electrónica hace falta para ayudar a que sea posible esta internet de las cosas? Por un lado, los chips que identifican un ente tienen que tener muy bajo coste y consumir mínima energía. Para ciertas aplicaciones, una solución es el empleo de electrónica basada en materiales orgánicos, como polímeros e incluso celulosa. Otra vía es la estandarización, ya conseguida, por ejemplo, en la comunicación por radio usando protocolos Bluetooth,  o protocolos NFC, tales como los utilizados en las tarjetas de transporte y crédito, con chips de silicio de un coste actual cercano a los 0,50 euros.

Respecto al consumo energético de nuestros microsistemas sensores, se está refinando el diseño de los circuitos microcontroladores, que son como pequeñísimos ordenadores, para conseguir un consumo ultra pequeño, e incluso se han empezado a comercializar con memorias no volátiles (la información se graba y se conserva sin gasto energético), usando materiales ferroeléctricos para disminuir el consumo. Algún fabricante ya anuncia microcontroladores a un precio de unos 0.25 euros.

Este problema energético está llevando también a grandes progresos en el desarrollo de dispositivos captadores de energía externa que pretenden aprovechar cualquier fuente de energía cercana: luz, vibraciones en el entorno o en el soporte de nuestro microsistema, la existencia de antenas emisoras de RF cercanas, algún foco de calor, etc., para que sensores microelectro-termo-mecánicos puedan transformar esta energía y suministrar posteriormente energía eléctrica. El sueño es poder tener, por ejemplo, sensores distribuidos, “vigilantes” de infraestructuras, que no requieran baterías para su funcionamiento.

Por otro lado, contando con la disponibilidad futura de la generación 5G para telefonía móvil, la ingente cantidad de datos que internet tiene que procesar y almacenar de los 50.000 millones de entes estimados que estarán conectados en unos pocos años, plantea otros problemas a la electrónica requerida. En microelectrónica de silicio, la reducción del tamaño de los transistores ha sido el principal camino para conseguir procesadores más rápidos y más potentes, con muchos millones de transistores integrados en un solo chip (por ej. 2 mil millones de transistores en un procesador para un teléfono móvil reciente). Pero esto ha llevado a un problema térmico y a un consumo muy alto de energía. Los fabricantes ya no buscan más velocidad, sino mayor eficiencia energética.

La estructura actual de los transistores CMOS tridimensionales, con varios contactos de puerta, geometría vertical tipo aleta, y dimensiones del orden de 10 nanómetros, parece puede evolucionar lentamente durante los próximos años y seguir siendo la mejor solución a corto plazo. También se están considerando nuevas arquitecturas para los procesadores, que ayuden a conseguir ese objetivo energético como por ejemplo, las ideas básicas de las redes neuronales. El almacenamiento de datos sigue progresando con capacidades de almacenamiento que creen hoy día en la región de los Terabits.

Una vía es mediante el uso de materiales magnéticos y estructuras nanométricas fruto de las ideas de los receptores del Premio Nobel de Física en 2007, Albert Fert y Peter Grönberg, mientras que otra aproximación considera la integración vertical, tridimensional (actualmente hay chips con 64 capas de elementos de memoria), de las estructuras basadas en el efecto túnel en transistores especiales de silicio, que es la misma tecnología usada en “los lápices - memorias” con conexión USB que utilizamos diariamente.

Esas cantidades masivas de datos generan problemas de suministro eléctrico, coste y refrigeración en los “centros de datos”, “las nubes de las operadoras de servicios”. Este diseño de “todo a la nube”  se está cuestionando hoy día en favor de una fórmula híbrida, en la que el proceso y almacenamiento de datos a nivel local aumente su importancia y alivie la situación. Así, hace falta un nuevo microsistema electrónico que permita medir el entorno, procesar y almacenar datos localmente, con protocolos versátiles de comunicación a una “nube central”, y con muy bajo consumo energético. Se requieren esfuerzos de diseño, de tecnología tridimensional de silicio, de nuevos materiales y de integración heterogénea, pero la experiencia ya ha demostrado la gran capacidad tecnológica de la industria microelectrónica.

Respecto a ¿cuál es la futura tecnología para la microelectrónica de los procesadores aún más rápidos y potentes, necesarios en una fase posterior a la descrita, para esa futura internet de las cosas y ya con la generación 5G de comunicaciones móviles plenamente establecida? De la información disponible, creemos deducir que no hay aún una apuesta definida. El uso de semiconductores compuestos que contienen Indio, y/o materiales bidimensionales, tipo grafeno, y también proseguir con la evolución de la tecnología tridimensional actual y llegar a transistores con canales multihilo de silicio, son algunas de las opciones que parecen debatirse.

Elías Muñoz Merino es académico de la Real Academia de Ingeniería (RAI)