Recientemente nos sentamos con Adam Khan de Diamond Quanta, la compañía que quiere reemplazar el chip de silicio por uno hecho de diamante. Discutimos el motivo de esta brillante idea, los desafíos que presenta y las implicaciones de la tecnología.
El último medio siglo ha sido testigo de una evolución fantástica en la electrónica y las computadoras gracias al chip de silicio. De acuerdo con la Ley de Moore, el número de transistores en un solo chip se duplicaba aproximadamente cada dos años con un aumento proporcional en la potencia de las computadoras y una caída de los precios. El resultado es nuestra era moderna de supercomputadoras portátiles, IA cada vez más común, Internet y todas las demás cosas que hacen que aquellos de nosotros que recordamos las tarjetas perforadas nos sintamos muy viejos.
Sin embargo, el silicio está alcanzando los límites no sólo de su tecnología sino también de las propias leyes de la física. Los componentes del chip se han vuelto tan pequeños que los efectos cuánticos, entre otros problemas, están comenzando a surgir, hasta el punto de que el chip de silicio sufrirá la inevitable ley de los rendimientos decrecientes.
Para superar esto, Cuantos de diamantes está trabajando para cambiar el silicio por diamante. Esto puede parecer como reemplazar el plástico de su casa con oro macizo, pero hay un método en esta aparente locura, así como la promesa no sólo de computadoras más avanzadas, sino también de otras que funcionen de manera más eficiente e incluso puedan operar en ambientes de alta temperatura que hacen chips modernos muy descontentos.
Le pedimos a Adam Khan que nos lo explicara.
Antes de comenzar, ¿podría contarme un poco sobre usted y su empresa?
Soy Adam Khan, fundador y director ejecutivo. Llevo poco más de 15 años en el campo de la tecnología de diamantes cultivados en laboratorio. En realidad, esta es mi segunda puesta en marcha de semiconductores de diamantes. El primero fue Akhan Semiconductor, que se centró en diamantes nanocristalinos de película delgada.
En cuanto a mi experiencia: tengo títulos universitarios en física e ingeniería eléctrica de la Universidad de Illinois, Chicago, y realicé trabajos de posgrado en las Instalaciones de Nano Fabricación de la Universidad de Stanford, enfocándome en microfísica. Mi empresa anterior desarrolló alrededor de 36 patentes estadounidenses centradas principalmente en óptica de diamante, recubrimientos mecánicos y dispositivos semiconductores.
El año pasado, en octubre de 2023, comencé a explorar nuevos métodos en la tecnología del diamante, particularmente en aplicaciones cuánticas y materiales semiconductores. Identifiqué y abordé una cuestión fundamental relacionada con el dopaje en los semiconductores de diamante, que normalmente degrada el rendimiento a medida que se añaden más dopantes. Al centrarnos en el transporte de cargas y los métodos de codopaje, hemos logrado avances significativos. Hemos comenzado a publicar documentos técnicos y a colaborar con los clientes para validar nuestra tecnología.
Entonces estamos hablando de un semiconductor de diamante. Ahora sabemos qué es un semiconductor, pero ¿qué es un semiconductor de diamante? ¿Cómo funciona?
Vemos esto como la tercera ola de semiconductores. El primero fue el germanio a finales de la década de 1940, que pasó de los sistemas basados en vacío a los transistores. El germanio tenía problemas de calentamiento, lo que llevó a la adopción del silicio. El silicio revolucionó la industria, pero ahora enfrenta límites debido al calor y la miniaturización definida por la Ley de Moore.
El diamante, al ser un material extremo, ofrece una disipación de calor incomparable y un rápido movimiento de electrones. No se trata de un diamante natural, sino de un diamante cultivado en laboratorio elaborado a partir de materiales precursores del metano. Proporciona un camino para continuar el legado del silicio con capacidades de rendimiento y calor enormemente mejoradas.
¿Qué le da al diamante esta capacidad de disipar el calor? ¿Es el carbono que contiene, la naturaleza cristalina o algo más?
El término formal es conductividad térmica, que esencialmente se refiere a la transferencia de calor: cómo el calor se mueve de un medio a otro. La notable habilidad del diamante proviene de su estructura. Los átomos del diamante están unidos muy estrechamente entre sí en una estructura covalente, que es el tipo de enlace más fuerte que conocemos.
Debido a que los átomos están tan apretados, las vibraciones dentro de la estructura cristalina, llamadas fonones, pueden disipar el calor de manera extremadamente eficiente. La conductividad térmica del diamante es aproximadamente 20 veces mejor que la del silicio, lo que lo hace ideal para aplicaciones de alta temperatura.
¿Y dijiste que esta idea existe desde hace unos 20 años?
Sí, los diamantes cultivados en laboratorio se remontan a poco después de la Segunda Guerra Mundial, cuando los primeros sistemas fueron creados por General Electric. Estos utilizaban un yunque de alta presión y alta temperatura. Más tarde, surgieron las técnicas de deposición química de vapor (CVD), que permitieron cultivar diamantes a partir de precursores de gas.
El proceso cobró impulso a principios de la década de 2000, lo que llevó a la posibilidad de cultivar diamantes en grandes obleas. Detrás de mí, por ejemplo, hay una oblea de diamante de 30 centímetros, del mismo tamaño que las obleas de silicio. Si bien hemos dominado el procesamiento de material de diamante para uso en gemas, el desafío ha sido habilitarlo para aplicaciones de semiconductores. El diamante es inherentemente aislante, por lo que la dificultad radica en agregar dopantes para hacerlo conductor sin degradar el material o convertirlo en grafito.
¿Cuáles han sido los obstáculos para hacer de esto una tecnología práctica?
El principal desafío ha sido permitir el transporte de carga dentro del diamante. Para ser un semiconductor exitoso, el diamante debe superar al silicio y otros materiales como el carburo de silicio o el nitruro de galio. Si bien la disipación de calor del diamante es ampliamente reconocida, lograr un mejor transporte de carga ha sido el cuello de botella.
Nos hemos centrado en el dopaje (agregar átomos extraños a la estructura del diamante para mejorar la conductividad) sin colapsar la estructura del diamante en grafito. A pesar de este desafío, las propiedades del diamante, como la alta conductancia de potencia, las rápidas velocidades de conmutación y la gestión térmica superior, lo convierten en el semiconductor de banda ancha definitiva.
Aparte de la conducción de calor, ¿cómo se comportan los semiconductores de diamante en comparación con las tecnologías tradicionales?
El diamante supera al silicio y otros semiconductores en múltiples parámetros, no solo en la disipación de calor. Puede manejar las frecuencias más altas, la conductancia de potencia más alta y las velocidades de conmutación más rápidas. La clave ha sido desarrollar procesos para agregar dopantes sin degradar estas propiedades.
Actualmente, estamos implementando esto en estructuras de dispositivos de energía para aplicaciones como centros de datos y automóviles de alta temperatura. La capacidad de Diamond para operar a más de 600 °C (1112 °F) sin degradación del rendimiento cambia las reglas del juego, especialmente en entornos donde los sistemas de refrigeración son una carga importante, como los vehículos eléctricos.
¿Ve aplicaciones de consumo más amplias para esta tecnología? ¿Podría ayudarnos a superar los límites de la Ley de Moore?
Sí, absolutamente. Los chips basados en diamantes podrían eventualmente usarse en GPU y aplicaciones lógicas de alto rendimiento. Sin embargo, la atención se centra inmediatamente en los semiconductores de potencia para madurar la tecnología. En los vehículos eléctricos, por ejemplo, el diamante puede sustituir los pesados sistemas de refrigeración, reduciendo el peso del vehículo y aumentando la autonomía.
En los próximos cinco a diez años, veremos que el diamante entrará en aplicaciones más amplias, incluidos los centros de datos de alta temperatura, la industria aeroespacial y, finalmente, la electrónica de consumo.
Hablemos de computación cuántica. ¿Cómo encaja el diamante en ese campo?
Diamond desempeña un papel clave en la computación cuántica debido a su estructura única, específicamente centros de vacantes de nitrógeno (NV). Cuando se agrega nitrógeno al diamante, se crea un emparejamiento con vacantes (átomos de carbono faltantes) que pueden formar bits cuánticos o qubits. Estos qubits exhiben largos tiempos de coherencia, lo que significa que pueden mantener su estado cuántico durante períodos prolongados.
El diamante permite una propagación de carga más rápida y una mejor coherencia de los qubits en comparación con otros materiales. Alrededor del 40% de los sistemas cuánticos actuales utilizan diamantes como plataforma. Nuestro enfoque de codopaje mejora aún más esto, permitiendo más qubits sin degradar el rendimiento. Esto posiciona al diamante como un material fundamental para el avance de la computación cuántica.
¿Y el costo del diamante cultivado en laboratorio ha bajado lo suficiente como para hacerlo viable?
Sí, dramáticamente. Gracias a los avances en la producción de diamantes cultivados en laboratorio, los costos ahora son comparables a los del carburo de silicio y el nitruro de galio. Si bien el diamante tradicionalmente evoca imágenes de gemas caras, este es un diamante de grado industrial optimizado para la tecnología. Por ejemplo, la oblea que ves detrás de mí es mucho más rentable que el diamante extraído.
Finalmente, ¿dónde ves esta tecnología dentro de 10 años?
Dentro de 10 años, imaginamos que el diamante será tan omnipresente como lo es hoy el silicio. Probablemente comenzará con aplicaciones de alto rendimiento (centros de datos, automoción y aeroespaciales), pero con el tiempo penetrará en la electrónica de consumo y los sistemas informáticos. Las propiedades superiores del diamante lo hacen inevitable como la próxima ola de tecnología de semiconductores.
