Nuevos materiales desafían la era del silicio y reescriben el futuro de los chips

Desde mediados del siglo XX, el silicio ha sido el pilar de la era digital. Su abundancia, bajo coste y capacidad para fabricar transistores miniaturizados lo convirtieron en la base de todos los procesadores modernos. Sin embargo, esa supremacía tecnológica muestra señales de agotamiento. A medida que la ley de Moore se aproxima a su límite físico, científicos y empresas buscan alternativas que permitan seguir avanzando en rendimiento computacional.

Investigadores de universidades como MIT, Stanford y el Instituto Max Planck, junto con empresas como IBM, Intel y Samsung, exploran desde hace años materiales que prometen superar las limitaciones del silicio. Grafeno, disulfuro de molibdeno (MoS₂), nanotubos de carbono y superconductores exóticos encabezan la lista de candidatos para la nueva generación de microchips.

¿Por qué el silicio ya no es suficiente?

El auge de la miniaturización ha llevado al silicio a operar en escalas donde sus propiedades físicas se vuelven problemáticas. Este límite plantea desafíos serios en cuanto a estabilidad, eficiencia y rendimiento energético.

El silicio permitió construir transistores con tamaños menores a 5 nanómetros. Pero al acercarse a escalas atómicas, los electrones comienzan a filtrarse por efecto túnel cuántico, generando fugas eléctricas y exceso de calor. Esto limita la capacidad de seguir reduciendo el tamaño sin sacrificar eficiencia o fiabilidad.

Además, los procesadores actuales enfrentan cuellos de botella térmicos y energéticos: más potencia implica más calor y, por tanto, más sistemas de refrigeración. En ese contexto, el silicio empieza a ser un obstáculo técnico para desarrollos como la inteligencia artificial, la computación cuántica o los dispositivos ultra flexibles.

La industria necesita materiales que permitan construir transistores más pequeños, más rápidos, más eficientes y con menor generación de calor. Ahí entran los nuevos compuestos bidimensionales y los sistemas híbridos.

Los materiales que podrían reemplazar al silicio

Uno de los más prometedores es el grafeno, una capa de átomos de carbono con alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica y flexibilidad. Aunque su integración a gran escala aún presenta desafíos técnicos, se investiga activamente su uso como canal para electrones o como base para sensores y circuitos flexibles.

Otro candidato es el disulfuro de molibdeno (MoS₂), un material 2D que ha demostrado un excelente control del canal eléctrico, bajo consumo energético y potencial para escalar más allá del silicio. A diferencia del grafeno, el MoS₂ posee una brecha de energía natural, lo que lo hace más adecuado para aplicaciones de conmutación electrónica.

Además, se exploran nanotubos de carbono como sustitutos en arquitecturas de transistores tipo FET (field-effect transistor), y materiales como el fosforeno, telureno y óxidos metálicos en dispositivos de memoria o sensores de nueva generación. Algunos prototipos ya han demostrado funcionar a frecuencias terahercios con menor consumo.

Industria y laboratorios ya preparan el salto

Gigantes como IBM han logrado fabricar chips con transistores de 2 nm usando nuevos métodos de litografía ultravioleta extrema (EUV) y materiales alternativos en sus capas dieléctricas y conductoras. Samsung, por su parte, anunció una hoja de ruta que incorpora materiales no basados en silicio a partir de 2027.

Mientras tanto, startups como Imec, Paragraf o TSMC exploran procesadores híbridos que combinan silicio con compuestos 2D, buscando una transición paulatina. La meta no es reemplazar completamente al silicio de inmediato, sino complementarlo y ampliar sus capacidades hasta que surja un sucesor definitivo.

También se investiga la posibilidad de usar superconductores a temperatura ambiente, aún en fases experimentales, pero que permitirían eliminar la pérdida energética por resistencia eléctrica. Si estos avances prosperan, se reescribirá la forma en que concebimos no solo los chips, sino toda la arquitectura informática.