Electrónica: así fue la revolución silenciosa que ha cambiado el mundo

Poco a poco, la microelectrónica ha ido cambiando por completo la vida en la superficie del planeta Tierra. Y, sin embargo, el común de los mortales conocemos poco de su historia, de cómo han ido sucediendo los cambios, de lo que hay dentro de nuestros gagdets tecnológicos y de las personas que los crearon. Probablemente sabemos quién inventó el telescopio o la bombilla (preguntas de Trivial) pero, también probablemente, no sabemos quién inventó el transistor o el circuito integrado (o qué demonios son tales cosas).

“Ahora hacemos las mismas cosas que nuestros abuelos, pero las hacemos de una forma totalmente diferente: ha sucedido una revolución silenciosa que ha cambiado nuestra forma de vivir, y esa revolución está basada en el desarrollo de la tecnología electrónica”, dice Ignacio Mártil, catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y autor del reciente libro Microelectrónica: historia de la mayor revolución silenciosa (Ediciones Complutenses). A través de él podemos trazar algunos de los hitos tecnológicos que nos han llevado al mundo vertiginoso que ahora habitamos.

• La válvula de vacío

Podría fijarse un punto de partida de la tecnología electrónica en el ingenio conocido como válvula de vacío, una cápsula de vidrio, parecida a una bombilla, que permitía controlar la corriente eléctrica. Fue desarrollada a principios del siglo XX a través del trabajo de científicos como John Ambrose Fleming o Lee de Forest (creador del triodo), considerados como precursores de esta disciplina. 

La válvula de vacío funcionaba como amplificador (de ahí que se utilizase para la fabricación de radios de válvulas, amplificando la señal de radio) y como conmutador de la corriente eléctrica, es decir, como un interruptor. Esta propiedad permitía recrear en circuitos físicos los unos y los ceros con los que funciona un ordenador: si el ordenador hace operaciones en ese sistema binario, en el mundo palpable se podría reproducir utilizando válvulas que dejasen o no dejasen pasar la corriente. Así, un ordenador puede realizar las operaciones lógicas y matemáticas que están muy al fondo de todas sus funciones.

Un ejemplo notorio de ordenador fabricado con válvulas de vacío es el ENIAC, creado en 1946, que tenía 17.000 válvulas de vacío, ocupaba una habitación entera y se utilizaba para realizar cálculos balísticos y otros de complejidad para la época. Al igual que las bombillas, las válvulas consumían mucha energía, se calentaban mucho (se llegaba a los 50 grados en la habitación) y se fundían con facilidad, lo que hacía que hubiera que parar los cálculos a cada poco. Las válvulas no eran muy eficientes, y pronto les llegaría un inopinado sustituto.

• El transistor

“El transistor surgió como solución a un gran problema de una compañía privada”, explica Mártil. En efecto, en las primeras décadas del siglo XX, la empresa de telecomunicaciones estadounidense AT&T trataba de tender líneas telefónicas de larga distancia a través de los Estados Unidos. La señal eléctrica que viaja por los cables del teléfono se atenúa con la distancia recorrida, así que era necesario colocar cada poco amplificadores, que eran válvulas de vacío: “Como se estropeaban mucho, fallaban las comunicaciones y había que buscar una solución más eficiente”.

Los Laboratorios Bell, un ejemplo pionero de investigación científica dentro de la empresa, se pusieron manos a la obra para la obtención de un amplificador de estado sólido que no fallase. Fue así como, tras una ardua investigación y fuertes roces entre ellos, los físicos William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen, llegaron en 1947 a la invención del transistor, basado en las propiedades de los materiales semiconductores (como son el silicio o el germanio), solo explicables a través de la mecánica cuántica, la parte de la física que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas o microobjetos: todos los gagdets tecnológicos que utilizamos funcionan en base a leyes cuánticas o, como dice Mártil, “llevamos la cuántica en el bolsillo”. El premio Nobel les llegó a los inventores en 1956.

“Al principio el transistor se utilizó para cosas sencillas como audífonos o radios portátiles (de ahí que a una radio también se le llame transistor); también en cuestiones militares, como la guía de misiles. Fue después cuando se descubrió su utilidad a la hora de construir ordenadores”, explica el catedrático. Lo importante es que, además de servir como amplificador, el transistor podía ser utilizado como conmutador, es decir, como un interruptor que dejase o no pasar la corriente eléctrica, que crease los unos y los ceros con los trabaja una computadora.

Y todo ello sin los fallos, el tamaño o el consumo energético de las válvulas de vacío del ENIAC. Esta propiedad fue la que significó un punto de inflexión y por la que algunos consideran a este ingenio como el invento más importante del siglo XX. Para Mártil, un invento comparable a la rueda o la máquina de vapor que propició la Primera Revolución Industrial. En este caso fue la primera piedra para la Revolución Tecnológica y la Era de la Información. 

• Los circuitos integrados

Después de su paso por los Laboratorios Bell, William Shockley, de difícil personalidad, fue en 1956 el pionero de Silicon Valley (llamado así, de hecho, por el silicio de los transistores) montando en la localidad de Mountain View la empresa Shockley Semiconductor Laboratory, para dedicarse a la fabricación de ingenios electrónicos basados en los semiconductores.

Para ello fichó a algunos de los mejores especialistas de ramo, entre los que se encontraban Robert Noyce o Gordon Moore. Debido a las disputas entre jefe y empleados, un año después ocho de estos cerebros se fueron de la empresa (los ocho traidores, les llamó Shockley) y fundaron la competidora Fairchild Semiconductor. Comenzaba así también la fuga de cerebros y la tradición dentro de esta industria de que unas empresas se desgajen de otras. La electrónica, de alguna manera, no solo ha cambiado la tecnología, sino la cultura empresarial, donde ahora es tendencia el estilo de Silicon Valley.

Fue en Fairchild donde se dio el siguiente paso relevante en la historia de la microelectrónica: la invención del circuito integrado. “Un transistor tiene tres patas que hay que conectar: si tenemos 2.000 transistores salen 6.000 conexiones: las cosas se iban volviendo muy complejas hasta que se inventó el circuito integrado”, cuenta Mártil. La invención fue casi simultánea por Noyce en Fairchild y Jack Kilby de la empresa competidora Texas Instruments.

El circuito integrado, como su nombre indica, es un entramado en una sola placa de material semiconductor en el que no hacen falta cables para conectar los transistores. De esa manera, todo se simplifica. También fueron el inicio de la miniaturización. “Los circuitos integrados impregnan toda nuestra vida y son los que han posibilitado que hoy llevemos un ordenador en la palma de la mano”, apunta el autor. Posteriormente, en 1968, Noyce y Moore serían los fundadores de Intel, aún hoy la empresa más importante de fabricación de microchips. El Intel 4004, creado en 1971, sería el primer microprocesador en un solo chip, con 2.300 transistores dentro. Era la puerta de entrada a los ordenadores personales.

• La Ley de Moore

El circuito integrado fue el primer paso para la carrera de la miniaturización, que se ilustra por la ley empírica (está solo basada en la observación) que postuló Gordon Moore en 1967. Según la Ley de Moore la tecnología electrónica doblaría su potencia cada 18 meses (duplicando el número de transistores en un circuito integrado), y reduciría su precio. Hasta ahora se ha venido cumpliendo con bastante exactitud, debido a que los transistores dentro de los circuitos integrados han sido cada vez más pequeños. Es decir, cada vez caben más transistores en un chip. “La tecnología moderna permite que un centímetro cuadrado podamos meter miles de millones de transistores”, explica el profesor.

Para verlo gráficamente el autor propone un vistoso ejemplo: si en 1971 imaginamos un auditorio (trasunto de un chip) en el que cabían 2.300 personas (el número de transistores en el chip Intel 4004), en ese mismo auditorio en 2015 se habrían apretujado 7.400 millones de almas, la población de todo el planeta. Así ha aumentado la densidad de transistores en un circuito integrado.

¿Para qué queremos esas cantidades astronómicas de transistores? “Que haya un mayor número de transistores quiere decir que hay una mayor potencia de computación. Que haya una mayor potencia de computación quiere decir que cada vez se pueden hacer cálculos más complejos y más rápidos. Y esto permite aplicaciones cada vez más sofisticadas”, responde el catedrático. Entre esas aplicaciones, además de cálculos científicos o militares, están programas que usamos con frecuencia como avanzados videojuegos o sofisticados editores de fotografía. También permiten el hecho de que el smartphone sea 3.000 veces más potente que el ENIAC que ocupaba una habitación.

• El futuro

Ahora, debido al reducido tamaño de los transistores de tipo MOSFET, de hasta de 14 nanómetros (o menos), se llega a un límite de la Ley de Moore. Resulta muy complejo interconectar miles de millones de transistores en un pequeño chip, además de que se producen problemas de calentamiento o, debido al pequeño tamaño, efectos cuánticos.

Además de por la computación cuántica, que se basa en otros fundamentos, “el futuro pasará por dejar de pensar en dos dimensiones y empezar a colocar los transistores no solo un plano sino en planos superpuestos, unos encima de otros. Pero esto presenta una complejidad técnica muy grande”, concluye Mártil.

La industria electrónica, en cuyo podio figuran empresas como Samsung, Intel y TSMC, facturó en 2017 alrededor de dos billones de dólares, una cifra solo comparable a la farmacéutica o a la automovilística. Los transistores seguirán ahí, diminutos e invisibles para el usuario, cambiando nuestra vida, para bien o para mal, de formas que quizás aún no podemos ni imaginar.

Michael Faraday (1791-1867)

Físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica. Llevó a cabo las primeras experiencias con semiconductores.

Ferdinand Braun (1850-1918)

Físico, inventor y profesor universitario alemán galardonado con el Premio Nobel de Física en 1909. Creó los 'bigotes de gato', un alambre que hace contacto con un cristal detector semiconductor. 

Alexander Graham Bell (1847-1922) y Antonio Meucci (1808-1889)

Canadiense nacionalizado estadounidense e italiano, respectivamente, se disputan la creación del teléfono. El de la foto es Meucci.