En agosto, el fabricante de chips Intel reveló nuevos detalles sobre su plan de construir una “megafábrica” en suelo estadounidense, una fábrica de 100.000 millones de dólares en la que 10.000 trabajadores fabricarán una nueva generación de potentes procesadores con miles de millones de transistores. Ese mismo mes, Sam Zeloof, de 22 años, anunció su propio hito en el sector de los semiconductores. Lo consiguió solo en el garaje de su familia en Nueva Jersey, a unos 50 kilómetros de donde se fabricó el primer transistor en los Laboratorios Bell en 1947.
Con una colección de equipos recuperados y caseros, Zeloof produjo un chip con 1.200 transistores. Había cortado obleas de silicio, las había modelado con diseños microscópicos mediante luz ultravioleta y las había sumergido en ácido a mano, documentando el proceso en YouTube y en su blog. “Tal vez sea un exceso de confianza, pero tengo la mentalidad de que otro humano lo resolvió, así que yo también puedo, aunque tal vez me lleve más tiempo”, dice.
Zeloof espera ahora igualar la escala del revolucionario chip 4004 de Intel de 1971, el primer microprocesador comercial, que tenía 2.300 transistores y se utilizaba en calculadoras y otras máquinas comerciales. En diciembre, comenzó a trabajar en un diseño de circuito provisional que puede realizar una simple suma.
Fuera del garaje de Zeloof, la pandemia ha desencadenado una escasez mundial de semiconductores, dificultando el suministro de productos que van desde los coches hasta las consolas de juegos. Esto ha inspirado un nuevo interés por parte de los responsables políticos en reconstruir la capacidad de Estados Unidos para producir sus propios chips informáticos, tras décadas de deslocalización.
Los chips fabricados en el garaje no van a alimentar tu PlayStation, pero Zeloof dice que su inusual afición le ha convencido de que la sociedad se beneficiaría si la fabricación de chips fuera más accesible para los inventores sin presupuestos multimillonarios. “Esa barrera de entrada tan alta hace que uno sea muy reacio al riesgo, y eso es malo para la innovación”, dice Zeloof.
Zeloof empezó a recorrer el camino para fabricar sus propios chips cuando era un estudiante de secundaria, en 2016. Le impresionaron los vídeos de YouTube de la inventora y empresaria Jeri Ellsworth en los que fabricaba sus propios transistores del tamaño de un pulgar, en un proceso que incluía plantillas recortadas a partir de calcomanías de vinilo y una botella de quitamanchas de óxido. Zeloof se propuso replicar el proyecto de Ellsworth y dar lo que a él le parecía un paso lógico: pasar de los transistores solitarios a los circuitos integrados, un salto que históricamente llevaba una década. “Él lo llevó un salto cuántico más allá”, dice Ellsworth, ahora director general de una startup de realidad aumentada llamada Tilt Five. “Tiene un valor tremendo recordar al mundo que estas industrias que parecen tan inalcanzables empezaron en algún lugar más modesto, y tú mismo puedes hacerlo”.
La fabricación de chips de ordenador se describe a veces como el proceso de fabricación más difícil y preciso del mundo. Cuando Zeloof empezó a publicar en su blog sus objetivos para el proyecto, algunos expertos del sector le enviaron un correo electrónico para decirle que era imposible. “La razón por la que lo hice fue, sinceramente, porque pensé que sería divertido”, dice. “Quería hacer una declaración de que deberíamos tener más cuidado cuando oímos que algo es imposible”.
La familia de Zeloof le apoyó, pero también fue cautelosa. Su padre pidió a un ingeniero de semiconductores que conocía que le diera algunos consejos de seguridad. “Mi primera reacción fue que no se podía hacer. Esto es un garaje”, dice Mark Rothman, que ha pasado 40 años en la ingeniería de chips y ahora trabaja en una empresa que fabrica tecnología para pantallas OLED. La reacción inicial de Rothman se suavizó al ver los progresos de Zeloof. “Ha hecho cosas que nunca hubiera pensado que la gente pudiera hacer”.
El proyecto de Zeloof implica tanto la historia como la ingeniería. La fabricación moderna de chips se lleva a cabo en instalaciones cuyos costosos sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado eliminan cualquier rastro de polvo que pudiera molestar a su maquinaria de miles de millones de dólares. Zeloof no podía igualar esas técnicas, así que leyó patentes y libros de texto de los años 60 y 70, cuando los ingenieros de empresas pioneras como Fairchild Semiconductor fabricaban chips en bancos de trabajo corrientes. “Describen métodos en los que se utilizaban cuchillas X-Acto y cinta adhesiva y unos cuantos vasos de precipitados, no tenemos esta máquina de 10 millones de dólares del tamaño de una habitación”, dice Zeloof.
Zeloof también tuvo que abastecer su laboratorio con equipos antiguos. En eBay y otros sitios de subastas encontró una gran cantidad de equipos de chips de los años 70 y 80 que pertenecían a empresas tecnológicas californianas ya cerradas. Muchos de los equipos necesitaban ser reparados, pero las máquinas antiguas son más fáciles de manipular que la maquinaria de laboratorio moderna. Uno de los mejores hallazgos de Zeloof fue un microscopio electrónico roto que costó 250.000 dólares a principios de los 90; lo compró por 1.000 dólares y lo reparó. Lo utiliza para inspeccionar sus chips en busca de defectos, así como las nanoestructuras de las alas de las mariposas.
A veces, Zeloof tenía que improvisar. De igual manera que en una fábrica de chips real, quería transferir sus diseños microscópicos a sus dispositivos mediante un proceso llamado fotolitografía. Consiste en recubrir el futuro chip con un material sensible a la luz y utilizar un dispositivo como un proyector superpreciso para grabar una plantilla que guiará los pasos posteriores de procesamiento. Las máquinas de fotolitografía son caras – hasta 150 millones de dólares -, por lo que Zeloof creó la suya propia atornillando a un microscopio un proyector de sala de conferencias modificado comprado en Amazon. Proyecta sus diseños a escala minúscula sobre obleas de silicio que Zeloof recubre con material sensible a la luz ultravioleta.
En 2018, Zeloof diseñó su primer chip, un simple amplificador con seis transistores, durante la clase de gimnasia después de que un profesor sustituto dirigiera a los estudiantes para que hicieran un trabajo de clase. Tras unas 12 horas de trabajo y 66 pasos en su garaje, tuvo el Z1. Llevaba tres de los osos bailarines que son un símbolo de Grateful Dead y que ahora aparecen en todos los chips de Zeloof, en un guiño de agradecimiento a Rothman, un fan de la banda.
El Z1 utilizaba transistores que Zeloof califica de “sacados de los años 70”, con características tan pequeñas como 175 micras, más o menos un pelo. Puso los chips a trabajar en una placa de circuito que hace parpadear un solo LED y un pedal de distorsión de guitarra.
A finales de 2018, Zeloof comenzó en la Universidad Carnegie Mellon, hackeando piezas de equipos de fabricación de garaje en su dormitorio mientras estudiaba ingeniería eléctrica. Aunque dice que siguió los protocolos de seguridad, la universidad se opuso a la máquina de rayos X en su dormitorio. Durante sus viajes a casa, mejoró su configuración para preparar su segundo chip, el Z2. Utiliza un diseño de transistor de conmutación más rápido basado en obleas de una forma de silicio cristalino conocida como polisilicio que se impuso en la década de 1970.
Zeloof hizo girar cuadrados de polisilicio de media pulgada cortados a mano, cada uno de los cuales se convertiría en un chip independiente, en una pequeña mesa giratoria casera a 4.000 revoluciones por minuto para recubrirlos con el material fotosensible necesario para transferir su diseño a la superficie. A continuación, su máquina fotolitográfica casera proyectó su diseño: una cuadrícula de 12 circuitos, cada uno con 100 transistores (y un oso bailarín), 1.200 transistores en total.
El primer chip de Zeloof, el Z1, se fabricó en 2018 cuando aún estaba en el instituto y tiene seis transistores. Sam Kang
Su segundo chip, el Z2, se terminó en agosto de 2021 y tiene 1.200 transistores. Sam Kang
Zeloof está trabajando en el Z3, un chip que será capaz de sumar 1 + 1, como paso a un microprocesador completo. Sam Kang
A continuación, cada chip se grabó con ácido y se cocinó en un horno a unos 1.000 grados centígrados para introducir átomos de fósforo y ajustar su conductividad. Tres rondas más bajo la máquina de fotolitografía – separadas por pasos que incluían el tiempo en una cámara de vacío llena de plasma púrpura brillante para grabar el polisilicio – terminaban cada chip.
Las fábricas comerciales de hoy en día producen chips de forma muy similar, utilizando una secuencia de pasos para añadir y eliminar gradualmente material en diferentes partes de un diseño. Estos chips son mucho más complejos, con miles de millones de transistores mucho más pequeños dispuestos de forma ajustada, y los pasos se realizan con máquinas, no a mano. Los transistores de la segunda generación de chips de Zeloof eran unas 10 veces más rápidos que los de la primera y tenían características tan pequeñas como 10 micras, no mucho más grandes que un glóbulo rojo.
En agosto, Zeloof probó el Z2 conectándolo a un analizador de semiconductores de color beige lanzado por Hewlett Packard unas dos décadas antes de que él naciera. Una serie de curvas de corriente-voltaje que aumentaban suavemente en su brillante pantalla verde indicaban el éxito. “Esa curva era asombrosa”, dice Zeloof, “la primera señal de vida después de pasar todo el día sumergiendo este pequeño fragmento de cristal en vasos de precipitados con productos químicos”.
¿Cómo celebrar cuando tu chip casero funciona? ¡Tuitéalo! dice Zeloof. Su proyecto se ha ganado un grupo de seguidores en Twitter y millones de visitas en YouTube, así como algunos consejos prácticos de veteranos de la industria de los semiconductores de los años 70.
Zeloof dice que no sabe con seguridad lo que quiere hacer después de graduarse esta primavera, pero ha estado pensando en el lugar que podría ocupar la fabricación de chips de bricolaje en el ecosistema tecnológico moderno. En muchos sentidos, la experimentación de bricolaje nunca ha sido tan poderosa: Los equipos de robótica y las impresoras 3D se compran fácilmente, y el hardware apto para hackers, como el microcontrolador Arduino y la Raspberry Pi, está bien establecido. “Pero los chips se siguen fabricando en alguna gran fábrica”, afirma Zeloof. “Se ha avanzado poco en hacer eso más accesible”.
Ellsworth, cuyos transistores caseros inspiraron a Zeloof, dice que podría ser valioso permitir la fabricación práctica de chips de alta calidad. “Las herramientas que tenemos hoy podrían poner esto al alcance de las operaciones a pequeña escala, y para ciertos problemas creo que tiene mucho sentido”, afirma. Ellsworth afirma que la tecnología de los chips, que se considera anticuada para las principales fábricas, puede seguir siendo útil para los ingenieros.
Zeloof actualizó recientemente su máquina de fotolitografía para imprimir detalles tan pequeños como 0,3 micras, es decir, 300 nanómetros, más o menos al nivel de la industria de chips comerciales de mediados de los 90. Ahora, está pensando en las funciones que podría incorporar a un chip del tamaño del histórico 4004 de Intel. “Quiero llevar el silicio del garaje más allá y abrir la mente de la gente a la posibilidad de que podamos hacer algunas de estas cosas en casa”, dice.
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Jessica Ávila
Me apasiona la música y todo lo relacionado con lo audiovisual desde muy joven, y crecí en esta carrera que me permite utilizar mis conocimientos sobre tecnología de consumo día a día. Puedes seguir mis artículos aquí en Elenbyte para obtener información sobre algunos de los últimos avances tecnológicos, así como los dispositivos más sofisticados y de primera categoría a medida que estén disponibles.
