Las cenizas del pionero de los semiconductores Chih-Tang Sah regresan a China

Un último regreso a casa para una mente que dio forma a los chips modernos

Las cenizas de Chih-Tang Sah, pionero de la era moderna de los semiconductores, fueron trasladadas desde Estados Unidos hasta Fujian, en el sureste de China, para su sepultura. Su legado científico está presente en casi todos los dispositivos que contienen un chip, desde el teléfono que llevamos en el bolsillo hasta las computadoras que guían los aviones y los aceleradores que entrenan la inteligencia artificial. En 1963, mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor junto a su colega Frank Wanlass, Sah propuso conjuntamente la lógica de semiconductores complementarios de óxido metálico, más conocida como CMOS. Esa idea, sencilla en su concepto y profunda en su impacto, abrió el camino a los circuitos integrados prácticos de bajo consumo y a la extraordinaria escala que tiene hoy la industria de los chips. En 2011, alrededor del 99 por ciento de los circuitos integrados de semiconductores se fabricaban con tecnología CMOS, según el libro High-Frequency Integrated Circuits, de Sorin Voinigescu, de la Universidad de Toronto.

Sah nació en Pekín y falleció el 5 de julio, a los 92 años. Fue profesor honorario de la Universidad de Xiamen, que recordó su muerte y su larga vinculación con la comunidad académica. El regreso de sus cenizas a la provincia de sus antepasados es una ocasión para reflexionar sobre la ciencia que impulsa silenciosamente la vida cotidiana y la economía mundial, y sobre una trayectoria que unió laboratorios, aulas y el corazón de la era moderna de la información.

Quién fue Chih Tang Sah

Chih-Tang Sah formó parte de una generación que sentó las bases de la era de la información. Nació en China en 1932 y creció en la distinguida familia Sah de Fuzhou. Más tarde estudió ingeniería en Estados Unidos. Obtuvo dos títulos de licenciatura en la Universidad de Illinois y después completó una maestría y un doctorado en la Universidad de Stanford. Esa formación lo situó en el centro de las primeras investigaciones sobre estado sólido, justo cuando los dispositivos de silicio pasaban de las publicaciones de física a las fábricas.

Formación y primeros años de carrera

En 1956, Sah comenzó a trabajar en la industria de la electrónica de estado sólido y poco después se incorporó a Fairchild Semiconductor, donde él y Frank Wanlass presentaron el concepto CMOS en 1963. La combinación de dos tipos de transistores, uno que conduce cuando la entrada es alta y otro que conduce cuando es baja, dio lugar a una lógica que consumía muy poca energía en reposo y podía ampliarse eficazmente a medida que los chips se volvían más complejos. Más tarde, Sah fue profesor en la Universidad de Illinois, donde trabajó entre 1962 y 1988, y continuó su labor en la Universidad de Florida. A lo largo de su carrera académica publicó alrededor de 280 artículos en revistas científicas, dirigió tesis doctorales y contribuyó al avance de la física de dispositivos que sustenta el diseño y la fabricación de CMOS. La industria y el mundo académico reconocieron sus aportes, que vincularon teoría, dispositivos y sistemas.

El Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holonyak de la Universidad de Illinois sitúa a Sah junto a otras figuras destacadas que dieron forma al legado de la investigación en semiconductores de la institución. La historia del laboratorio describe una continuidad entre la era del transistor y los circuitos integrados modernos, de la que Sah formó parte. Puede consultar el resumen histórico del laboratorio en el sitio del Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holonyak.

Los investigadores del laboratorio forman parte de un legado histórico de los semiconductores que comenzó con grandes figuras de la ingeniería como John Bardeen, Nick Holonyak Jr. y Chih-Tang Sah, cuyo trabajo pionero contribuyó a iniciar y hacer avanzar la revolución tecnológica de la información actual.

Cómo CMOS lo cambió todo

CMOS, sigla en inglés de semiconductores complementarios de óxido metálico, es la tecnología de base de la mayoría de los chips. En su núcleo hay pares complementarios de transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido metálico, o MOSFET. Un tipo de transistor, llamado de tipo p, tiende a conducir corriente cuando la entrada es baja. El otro, llamado de tipo n, tiende a conducirla cuando la entrada es alta. Al organizarlos en pares para cada puerta lógica, los ingenieros crearon circuitos con un consumo estático muy bajo y una gran resistencia al ruido eléctrico. La corriente fluye de manera significativa solo cuando el circuito cambia de estado, lo que genera menos calor en reposo y mejora la eficiencia energética.

Por qué CMOS consume menos energía

Consideremos el elemento lógico más sencillo: el inversor. En un inversor CMOS, cuando la entrada es baja, el transistor de tipo p conduce y el de tipo n está apagado. Cuando la entrada es alta, conduce el de tipo n y el de tipo p está apagado. En cualquier nivel lógico válido, uno de los dispositivos está apagado, lo que limita el flujo constante de corriente. La energía se consume principalmente al cargar y descargar pequeñas capacitancias durante los cambios de estado. Esta característica permitió prolongar la duración de las baterías en los dispositivos portátiles, aumentar la densidad de componentes en los chips y ofrecer a los diseñadores una vía para seguir incrementando la complejidad sin un aumento proporcional del consumo energético.

CMOS se presentó en Fairchild en 1963 y ganó impulso comercial cuando RCA fabricó los primeros circuitos integrados CMOS a finales de la década de 1960. En la década de 1980 ya había superado a otras familias lógicas. Hoy, CMOS está presente en microprocesadores, microcontroladores, memorias RAM estáticas, sensores de imagen y la lógica de control de innumerables sistemas. Aunque la forma física de los transistores evoluciona, con estructuras FinFET y de puerta envolvente que sustituyen a los diseños planos anteriores, el estilo lógico sigue siendo CMOS. Muchos chips modernos también apilan componentes en tres dimensiones y utilizan encapsulados avanzados, pero aún dependen de los mismos principios de conmutación complementaria que defendieron Sah y Wanlass.

De Fairchild a las aulas

Fairchild Semiconductor desempeñó un papel extraordinario en el crecimiento de Silicon Valley. Reunió a científicos e ingenieros que desarrollaron los procesos y dispositivos que impulsaron los primeros avances del circuito integrado. En ese entorno, Sah pasó de la teoría avanzada de dispositivos a las cuestiones prácticas de fabricación y diseño, una experiencia que luego llevó al aula.

Docencia y mentoría

En Illinois, Sah contribuyó a desarrollar una comprensión rigurosa de los dispositivos de silicio y su comportamiento, y fortaleció la formación de estudiantes que más tarde diseñarían y fabricarían las siguientes generaciones de chips. El Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holonyak, cuyos orígenes se remontan a figuras como John Bardeen y Nick Holonyak Jr., mantiene vivo el vínculo entre aquel trabajo fundamental y los avances actuales. El laboratorio relata esta trayectoria en su propia historia, en hmntl.illinois.edu. La investigación académica y la colaboración con la industria aceleraron la evolución de CMOS, que pasó de ser una idea a convertirse en una plataforma casi universal. Un análisis reciente publicado en la revista Materials sostuvo que CMOS sigue siendo la base dominante de los sistemas digitales, mientras se exploran nuevos materiales y tipos de dispositivos para la computación analógica, la memoria y la computación neuromórfica, siempre que puedan integrarse en procesos de fabricación compatibles con CMOS. Esta perspectiva refleja la madurez y la solidez de la plataforma que Sah ayudó a poner en marcha.

Un legado presente en teléfonos, aviones y aceleradores de IA

La influencia de Sah está en todos los bolsillos y sobre todos los escritorios. La lógica digital que ejecuta instrucciones de software, las matrices de memoria que almacenan datos, los sensores que capturan imágenes y los sistemas de radio que conectan dispositivos dependen de técnicas CMOS. Desde las computadoras de vuelo de los aviones hasta los sistemas de control de automóviles y naves espaciales, los diseñadores eligen CMOS por su eficiencia energética, fiabilidad y capacidad de ampliación.

La tecnología cotidiana basada en CMOS

Los chips que hacen funcionar los servicios en la nube y la inteligencia artificial también se basan en CMOS. El acelerador H200 de Nvidia, uno de los productos más visibles de esta categoría, está fabricado con tecnología avanzada de procesos CMOS. Los controles a la exportación de chips de alto rendimiento como este se han convertido en un punto de tensión entre Estados Unidos y China. La geopolítica es compleja, pero los fundamentos científicos son sencillos. La conmutación complementaria, que reduce el consumo y permite una integración densa, es decir, la esencia de CMOS, es el elemento común de estos avances.

Por qué este regreso a casa importa hoy en China

El regreso de las cenizas de Sah a Fujian tiene un significado cultural y científico. Fue profesor honorario de la Universidad de Xiamen, y su trayectoria desde Pekín hasta laboratorios de investigación y aulas de todo el mundo refleja la diáspora científica china del siglo pasado. China está invirtiendo grandes recursos en la enseñanza, la investigación y la fabricación de semiconductores. Los conceptos fundamentales que Sah impulsó, como la lógica complementaria y el control preciso de la física de los dispositivos, son centrales para esas ambiciones.

Los controles a la exportación, los cambios en las cadenas de suministro y la competencia por fabricar chips más pequeños, rápidos y eficientes desde el punto de vista energético han situado a los semiconductores en el centro de las estrategias nacionales. Sin embargo, CMOS es un lenguaje compartido por los ingenieros. Ya sea en Pekín, Taipéi, Hsinchu, Seúl, Austin o Dresde, los métodos y modelos que explican el comportamiento de los transistores se enseñan y aplican de manera similar. Esa base común forma parte del legado de Sah y seguirá guiando a los ingenieros en su búsqueda de mayor rendimiento y menor consumo de energía.

La ciencia en términos sencillos

Un MOSFET, el dispositivo básico dentro de CMOS, es un pequeño interruptor que controla la corriente mediante un campo eléctrico. Imagine un canal en un semiconductor con terminales de fuente y drenaje en sus extremos. Una fina capa aislante de óxido separa el canal de un electrodo de compuerta. Al aplicar un voltaje a la compuerta, el dispositivo atrae o repele los portadores de carga del canal. Por encima de un voltaje umbral, se forma una vía conductora y fluye la corriente. Por debajo de ese umbral, la vía se cierra y la corriente se detiene, salvo por una pequeña fuga.

Qué hace un MOSFET

En la lógica CMOS, un MOSFET de tipo n lleva una salida hacia tierra cuando la entrada es alta, y un MOSFET de tipo p lleva la salida hacia la tensión de alimentación cuando la entrada es baja. Funcionan en oposición, de modo que solo uno conduce durante los estados lógicos estables. Esto da lugar a un consumo estático casi nulo en las puertas lógicas, una de las razones fundamentales por las que CMOS se convirtió en la tecnología preferida para los circuitos digitales.

Consumo y escalado

El consumo de energía en CMOS tiene dos componentes principales. El consumo dinámico se debe a la carga y descarga de capacitancias durante los cambios de estado. El consumo por fugas proviene de pequeñas corrientes que fluyen incluso cuando los transistores están apagados, un fenómeno que se vuelve más importante a medida que los dispositivos se reducen. Los ingenieros reducen el consumo con técnicas de circuitos como la interrupción de la señal de reloj, el escalado dinámico del voltaje y un diseño cuidadoso, además de adoptar estructuras de dispositivos mejoradas. Los transistores FinFET y de puerta envolvente mejoran el control del canal, reducen las fugas y permiten seguir reduciendo el tamaño. La fiabilidad también importa. Los diseñadores incorporan estructuras de protección contra las descargas electrostáticas y tienen en cuenta las tensiones que pueden degradar las líneas metálicas con el tiempo. Además de la lógica digital, CMOS permite funciones analógicas de precisión, la captación de imágenes y circuitos de radio para 5G y para la investigación de 6G, lo que extiende la influencia de Sah a casi todos los ámbitos de la electrónica.

Homenajes finales y planes para la sepultura

El traslado de las cenizas de Sah a Fujian completa el ciclo de su vida. Fue un científico de alcance mundial cuyo trabajo comenzó en China, maduró en Estados Unidos y se extendió por todos los continentes a través de sus estudiantes, publicaciones y productos. Su sepultura en la provincia de sus antepasados reconoce tanto sus raíces personales como la gratitud colectiva. La Universidad de Xiamen, donde ocupó un puesto honorario, es una de las instituciones que recuerdan su impacto.

Desde los bancos de trabajo de Fairchild hasta las aulas y salas blancas de todo el mundo, la trayectoria de CMOS muestra el alcance de las ideas de Sah. Cada vez que un dispositivo se activa con rapidez y consume poca energía, hay una huella de su visión. Ese es un legado tan duradero como el silicio al que dio forma.

Puntos clave

• Las cenizas de Chih-Tang Sah fueron trasladadas desde Estados Unidos hasta Fujian para su sepultura
• En 1963, en Fairchild, Sah y Frank Wanlass propusieron conjuntamente el concepto CMOS, base de los chips modernos
• En 2011, alrededor del 99 por ciento de los circuitos integrados utilizaban CMOS, según un libro de texto de Sorin Voinigescu
• Sah impartió clases en la Universidad de Illinois y la Universidad de Florida, publicó alrededor de 280 artículos y dirigió tesis doctorales
• CMOS permitió desarrollar lógica de bajo consumo para teléfonos, computadoras, sistemas aeroespaciales y aceleradores de IA como el H200 de Nvidia
• Su regreso se produce en medio de los esfuerzos de China por ampliar su sector de chips y de los controles a la exportación de procesadores avanzados
• Sah fue profesor honorario de la Universidad de Xiamen y es recordado en el mundo académico y la industria
• Avances como FinFET y la puerta envolvente mantienen el principio CMOS en el centro de las nuevas generaciones de chips