Computers used to be as big as a room. But now they fit in your pocket, on your wrist and can even be implanted inside of your body. How cool is that? And this has been enabled by the miniaturization of transistors, which are the tiny switches in the circuits at the heart of our computers. And it's been achieved through decades of development and breakthroughs in science and engineering and of billions of dollars of investment. But it's given us vast amounts of computing, huge amounts of memory and the digital revolution that we all experience and enjoy today.
Las computadoras solían ser tan grandes como una habitación. Pero ahora caben en tu bolsillo, en tu muñeca e incluso puede ser implantadas dentro de tu cuerpo. Es genial. Y esto ha sido posible por la miniaturización de los transistores, que son los diminutos interruptores en los circuitos en el corazón de nuestras computadoras. Y se ha logrado a través de décadas de desarrollo y avances en ciencia e ingeniería y de miles de millones de dólares de inversión. Pero nos ha dado grandes cantidades de computación, enormes cantidades de memoria y la revolución digital que todos experimentamos y disfrutamos hoy.
But the bad news is, we're about to hit a digital roadblock, as the rate of miniaturization of transistors is slowing down. And this is happening at exactly the same time as our innovation in software is continuing relentlessly with artificial intelligence and big data. And our devices regularly perform facial recognition or augment our reality or even drive cars down our treacherous, chaotic roads. It's amazing. But if we don't keep up with the appetite of our software, we could reach a point in the development of our technology where the things that we could do with software could, in fact, be limited by our hardware.
Pero la mala noticia es que estamos a punto de llegar a un bloqueo digital, a medida que la velocidad de miniaturización de los transistores se está desacelerando. Y esto está sucediendo exactamente al mismo tiempo. que nuestra innovación en software continúa sin tregua con inteligencia artificial y macrodatos. Nuestros dispositivos hacen reconocimiento facial o aumentan nuestra realidad. o incluso conducen autos por nuestras traicioneras carreteras caóticas. Es asombroso. Pero si seguimos con el apetito por nuestro software, podríamos llegar a un punto en el desarrollo de nuestra tecnología, en que las cosas que podríamos hacer con el software podrían, de hecho, verse limitadas por nuestro hardware.
We've all experienced the frustration of an old smartphone or tablet grinding slowly to a halt over time under the ever-increasing weight of software updates and new features. And it worked just fine when we bought it not so long ago. But the hungry software engineers have eaten up all the hardware capacity over time. The semiconductor industry is very well aware of this and is working on all sorts of creative solutions, such as going beyond transistors to quantum computing or even working with transistors in alternative architectures such as neural networks to make more robust and efficient circuits. But these approaches will take quite some time, and we're really looking for a much more immediate solution to this problem.
Todos hemos experimentado la frustración de un viejo teléfono o tableta que trabaja lentamente hasta detenerse con el tiempo bajo el peso cada vez mayor de las actualizaciones de software y las nuevas características. Y funcionaban bien cuando los compramos no hace mucho tiempo. Pero los hambrientos ingenieros de software se han comido toda la capacidad del hardware a través del tiempo. La industria de los semiconductores es muy consciente de esto. y está trabajando en todo tipo de soluciones creativas, como ir más allá de los transistores a la computación cuántica o incluso trabajar con transistores en arquitecturas alternativas. tales como redes neuronales para hacer circuitos más robustos y eficientes. Pero estos enfoques tomarán bastante tiempo, y realmente estamos buscando una solución mucho más inmediata a este problema.
The reason why the rate of miniaturization of transistors is slowing down is due to the ever-increasing complexity of the manufacturing process. The transistor used to be a big, bulky device, until the invent of the integrated circuit based on pure crystalline silicon wafers. And after 50 years of continuous development, we can now achieve transistor features dimensions down to 10 nanometers. You can fit more than a billion transistors in a single square millimeter of silicon. And to put this into perspective: a human hair is 100 microns across. A red blood cell, which is essentially invisible, is eight microns across, and you can place 12 across the width of a human hair. But a transistor, in comparison, is much smaller, at a tiny fraction of a micron across. You could place more than 260 transistors across a single red blood cell or more than 3,000 across the width of a human hair. It really is incredible nanotechnology in your pocket right now. And besides the obvious benefit of being able to place more, smaller transistors on a chip, smaller transistors are faster switches, and smaller transistors are also more efficient switches.
La razón por la que la velocidad de miniaturización de transistores se está desacelerando se debe a la complejidad cada vez mayor del proceso de fabricación. El transistor solía ser un dispositivo grande y voluminoso, hasta la invención del circuito integrado basado en obleas de silicio cristalino puro. Y después de 50 años de continuo desarrollo, ahora podemos lograr dimensiones de características de transistores de hasta 10 nanómetros. Pueden caber más de mil millones de transistores. en un solo milímetro cuadrado de silicio. Para poner esto en perspectiva, un cabello humano tiene 100 micras de ancho. Un glóbulo rojo, que es esencialmente invisible, tiene 8 micras de ancho, y se pueden poner 12 a lo ancho de un cabello humano. Pero un transistor, en comparación, es mucho más pequeño, una pequeña fracción de una micra de ancho. Se podrían poner más de 260 transistores a través de un solo glóbulo rojo o más de 3000 a lo ancho de un cabello humano. Realmente es increíble la nanotecnología en tu bolsillo ahora mismo. Y además del beneficio obvio de poder poner más, transistores más pequeños en un chip, los transistores más pequeños son interruptores más rápidos, Y los transistores más pequeños también son interruptores más eficientes.
So this combination has given us lower cost, higher performance and higher efficiency electronics that we all enjoy today.
Así que esta combinación nos ha dado un menor costo, un mayor rendimiento y una mayor eficiencia electrónica de las que que todos disfrutamos hoy.
To manufacture these integrated circuits, the transistors are built up layer by layer, on a pure crystalline silicon wafer. And in an oversimplified sense, every tiny feature of the circuit is projected onto the surface of the silicon wafer and recorded in a light-sensitive material and then etched through the light-sensitive material to leave the pattern in the underlying layers. And this process has been dramatically improved over the years to give the electronics performance we have today.
Para fabricar estos circuitos integrados, los transistores se construyen capa por capa, sobre una oblea de silicio cristalino puro. En un sentido simplificado, se proyecta cada pequeña característica del circuito en la superficie de la oblea de silicio y se graba en un material sensible a la luz y luego grabado a través del material sensible a la luz se deja el patrón en las capas subyacentes. Este proceso ha sido mejorado dramáticamente con los años. para dar el rendimiento de la electrónica que tenemos hoy.
But as the transistor features get smaller and smaller, we're really approaching the physical limitations of this manufacturing technique. The latest systems for doing this patterning have become so complex that they reportedly cost more than 100 million dollars each. And semiconductor factories contain dozens of these machines. So people are seriously questioning: Is this approach long-term viable? But we believe we can do this chip manufacturing in a totally different and much more cost-effective way using molecular engineering and mimicking nature down at the nanoscale dimensions of our transistors.
Pero a medida el transistor se hace cada vez más pequeño, estamos realmente acercándonos a las limitaciones físicas. de esta técnica de fabricación. Los últimos sistemas para hacer este patrón. se han vuelto tan complejos que, según informes, cuestan más de USD 100 millones cada uno. Y las fábricas de semiconductores tienen docenas de estas máquinas. La gente está cuestionando seriamente: ¿es este enfoque viable a largo plazo? Pero creemos que podemos hacer este chip de fabricación. de una forma totalmente diferente y mucho más rentable usando ingeniería molecular e imitando la naturaleza abajo en las dimensiones a nanoescala de nuestros transistores.
As I said, the conventional manufacturing takes every tiny feature of the circuit and projects it onto the silicon. But if you look at the structure of an integrated circuit, the transistor arrays, many of the features are repeated millions of times. It's a highly periodic structure. So we want to take advantage of this periodicity in our alternative manufacturing technique. We want to use self-assembling materials to naturally form the periodic structures that we need for our transistors. We do this with the materials, then the materials do the hard work of the fine patterning, rather than pushing the projection technology to its limits and beyond. Self-assembly is seen in nature in many different places, from lipid membranes to cell structures, so we do know it can be a robust solution. If it's good enough for nature, it should be good enough for us. So we want to take this naturally occurring, robust self-assembly and use it for the manufacturing of our semiconductor technology.
Como dije, la fabricación usual toma cada característica pequeña del circuito y la proyecta sobre el silicio. Pero si nos fijamos en la estructura de un circuito integrado, el conjunto de transistores, muchas de las características se repiten millones de veces. Es una estructura altamente periódica. Por eso queremos aprovechar esta periodicidad en nuestra técnica de fabricación alternativa. Queremos utilizar materiales de autoensamblaje para formar naturalmente las estructuras periódicas que necesitamos para nuestros transistores. Hacemos esto con los materiales, entonces los materiales hacen el trabajo duro del patrón fino, en lugar de llevar la tecnología de proyección a sus límites y más allá. El autoensamblaje se ve en la naturaleza en muchos lugares diferentes, de las membranas lipídicas a las estructuras celulares. así que sabemos que puede ser una solución robusta. Si es lo suficientemente bueno para la naturaleza, debería serlo para nosotros. Queremos aprovechar este autoensamblaje robusto que se da naturalmente y usarlo para la fabricación de nuestra tecnología de semiconductores.
One type of self-assemble material -- it's called a block co-polymer -- consists of two polymer chains just a few tens of nanometers in length. But these chains hate each other. They repel each other, very much like oil and water or my teenage son and daughter.
Un tipo de material de autoensamblaje --se llama un copolímero de bloque-- consiste en 2 cadenas de polímero de solo pocas decenas de nanómetros de longitud. Pero estas cadenas se odian. Se repelen entre sí, tanto como el aceite y el agua o mi hijo adolescente y mi hija.
(Laughter)
(Risas)
But we cruelly bond them together, creating an inbuilt frustration in the system, as they try to separate from each other. And in the bulk material, there are billions of these, and the similar components try to stick together, and the opposing components try to separate from each other at the same time. And this has a built-in frustration, a tension in the system. So it moves around, it squirms until a shape is formed. And the natural self-assembled shape that is formed is nanoscale, it's regular, it's periodic, and it's long range, which is exactly what we need for our transistor arrays.
Pero los unimos cruelmente, creando una frustración incorporada en el sistema, ya que tratan de separarse unos de otros. Y en el material a granel, hay miles de millones de estos, y los componentes similares tratan de permanecer juntos, y los componentes opuestos tratan de separarse unos de otros al mismo tiempo. Esto tiene una frustración incorporada, una tensión en el sistema. Así que se mueve, se retuerce hasta que se crea una forma. Y la forma natural autoensamblada que se forma es a nanoescala, regular, periódica y de largo alcance, que es exactamente lo que necesitamos para nuestros conjuntos de transistores.
So we can use molecular engineering to design different shapes of different sizes and of different periodicities. So for example, if we take a symmetrical molecule, where the two polymer chains are similar length, the natural self-assembled structure that is formed is a long, meandering line, very much like a fingerprint. And the width of the fingerprint lines and the distance between them is determined by the lengths of our polymer chains but also the level of built-in frustration in the system.
Así que podemos usar la ingeniería molecular para diseñar diferentes formas de diferentes tamaños. y de diferentes periodicidades. Así, por ejemplo, si tomamos una molécula simétrica, donde las dos cadenas de polímero sean de longitud similar, la estructura natural autoensamblada que se forma es una línea larga y serpenteante, muy parecida a una huella digital. Y el ancho de las líneas de huellas dactilares y la distancia entre ellas está determinada por las longitudes de nuestras cadenas de polímero, pero también por el nivel de frustración incorporado en el sistema.
And we can even create more elaborate structures if we use unsymmetrical molecules, where one polymer chain is significantly shorter than the other. And the self-assembled structure that forms in this case is with the shorter chains forming a tight ball in the middle, and it's surrounded by the longer, opposing polymer chains, forming a natural cylinder. And the size of this cylinder and the distance between the cylinders, the periodicity, is again determined by how long we make the polymer chains and the level of built-in frustration.
Y hasta podemos crear estructuras más elaboradas si usamos moléculas asimétricas, en las que una cadena de polímero es significativamente más corta que la otra. Y la estructura autoensamblada que se forma en este caso es con las cadenas más cortas formando una bola apretada en el medio, rodeado por las cadenas de polímeros más largas y opuestas, formando un cilindro natural. El tamaño de este cilindro y la distancia entre los cilindros, la periodicidad, se determina de nuevo por cuánto tiempo hacemos las cadenas de polímero. y el nivel de frustración incorporado.
So in other words, we're using molecular engineering to self-assemble nanoscale structures that can be lines or cylinders the size and periodicity of our design. We're using chemistry, chemical engineering, to manufacture the nanoscale features that we need for our transistors.
Así que en otras palabras, estamos usando ingeniería molecular para autoensamblar estructuras a nanoescala que pueden ser líneas o cilindros del tamaño y periodicidad de nuestro diseño. Estamos usando química, ingeniería química, para fabricar las características a nanoescala que necesitamos para nuestros transistores.
But the ability to self-assemble these structures only takes us half of the way, because we still need to position these structures where we want the transistors in the integrated circuit. But we can do this relatively easily using wide guide structures that pin down the self-assembled structures, anchoring them in place and forcing the rest of the self-assembled structures to lie parallel, aligned with our guide structure. For example, if we want to make a fine, 40-nanometer line, which is very difficult to manufacture with conventional projection technology, we can manufacture a 120-nanometer guide structure with normal projection technology, and this structure will align three of the 40-nanometer lines in between. So the materials are doing the most difficult fine patterning.
Pero la capacidad de autoensamblar estas estructuras solo nos lleva a la mitad del camino. Porque todavía necesitamos posicionar estas estructuras donde queremos los transistores en el circuito integrado. Pero podemos hacerlo con relativa facilidad utilizando estructuras de guía anchas que sujetan las estructuras autoensambladas, anclando en su lugar y obligando al resto de las estructuras autoensambladas. a estar en paralelo, alineadas con nuestra estructura de guía. Por ejemplo, si queremos hacer una línea fina de 40 nanómetros, que es muy difícil de fabricar con tecnología de proyección convencional, podemos fabricar una estructura de guía de 120 nanómetros. con tecnología de proyección normal, y esta estructura alineará tres de las líneas de 40 nanómetros en medio. Así que los materiales están haciendo el patrón fino más difícil.
And we call this whole approach "directed self-assembly." The challenge with directed self-assembly is that the whole system needs to align almost perfectly, because any tiny defect in the structure could cause a transistor failure. And because there are billions of transistors in our circuit, we need an almost molecularly perfect system. But we're going to extraordinary measures to achieve this, from the cleanliness of our chemistry to the careful processing of these materials in the semiconductor factory to remove even the smallest nanoscopic defects.
Y a todo este enfoque lo llamamos "autoensamblaje dirigido". El reto con autoensamblaje dirigido. es que todo el sistema necesita alinearse casi perfectamente, porque cualquier pequeño defecto en la estructura podría causar una falla del transistor. Y como hay miles de millones de transistores en nuestro circuito, necesitamos un sistema casi molecularmente perfecto. Pero vamos a medidas extraordinarias. para lograr esto, de la limpieza de nuestra química al cuidadoso procesamiento de estos materiales en la fábrica de semiconductores para eliminar incluso los defectos nanoscópicos más pequeños.
So directed self-assembly is an exciting new disruptive technology, but it is still in the development stage. But we're growing in confidence that we could, in fact, introduce it to the semiconductor industry as a revolutionary new manufacturing process in just the next few years. And if we can do this, if we're successful, we'll be able to continue with the cost-effective miniaturization of transistors, continue with the spectacular expansion of computing and the digital revolution. And what's more, this could even be the dawn of a new era of molecular manufacturing. How cool is that?
El autoensamblaje dirigido es una nueva tecnología disruptiva emocionante, pero todavía está en la etapa de desarrollo. Pero estamos creciendo en confianza de que podríamos, de hecho, introducirlo a la industria de semiconductores como un nuevo proceso de fabricación revolucionario en los próximos años. Y si podemos hacer esto, si tenemos éxito, podremos continuar con la miniaturización rentable de transistores, continuar con la espectacular expansión de la informática y la revolución digital. Y lo que es más, esto podría ser incluso el comienzo de una nueva era de fabricación molecular. Es genial.
Thank you.
Gracias.
(Applause)
(Aplausos)