- El diseño de circuitos electrónicos y digitales es una oportunidad para el país, a través del talento de sus jóvenes

La electrónica integrada está presente en la comunicación, la movilidad, en centros de datos, en inteligencia artificial (IA), ya que es la base de la tecnología moderna, fundamentada en el uso de la naturaleza para el control de la carga eléctrica. La manufactura de dispositivos electrónicos (semiconductores) ha convertido a empresas de Asia del Pacífico en una hegemonía que establece una tensión geopolítica y económica, por eso para un balance mundial se requiere de una gran inversión, pero también innovación en ideas y diseño de soluciones electrónicas, y justo en el último aspecto es donde México tiene oportunidad.

A través del Laboratorio de Diseño y Caracterización de Circuitos y Sistemas ─dirigido por el doctor Víctor Rodolfo González Díaz─, la BUAP trabaja en la formación de estudiantes de la Facultad de Ciencias de la Electrónica (FCE) para que adquieran conocimientos y habilidades para posicionarse como ingenieros de diseño de circuitos integrados de alta calidad, de acuerdo con las tendencias globales.

González Díaz recordó que los circuitos integrados son una tecnología que existe desde hace 70 años, pero las potencias mundiales invirtieron en recursos humanos para un desarrollo tecnológico, mientras la vida actual demanda continuamente tecnología electrónica, ante la necesidad de más computadoras y dispositivos.

Explicó que el circuito integrado (chip) es una entidad minúscula, entre 1-10 milímetros, que contiene metales, aislantes y semiconductores, juntos forman una acción con la cual se pueden capturar imágenes, audio, variables físicas, convertirlas en bits o paquetes de información que se utilizan para comunicar, hacer registro de datos y todo lo que está inmerso en nuestra vida.

En su laboratorio, el doctor Víctor González ofrece a los estudiantes programas y herramientas para diseño electrónico de talla industrial, lo que facilita su participación en algunos proyectos. Por ejemplo, Alejandro García Equiterio estudió la Licenciatura en Electrónica y su tesis consistió en el desarrollo de un circuito integrado para condicionar señales con aplicaciones biomédicas, logrando un diseño desde el nivel dispositivo, que posteriormente se fabricó en Taiwan. Actualmente cursa el posgrado en Ingeniería Electrónica de la FCE y sigue bajo la tutela del doctor Víctor González para crear un regulador de voltaje, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Aceleradores en Stanford (SLAC).

“Esta colaboración con la Universidad de Stanford (donde tienen un laboratorio para diseño de chips y detectores de radiación, vinculados al CERN) busca el vínculo con Universidades de todo el mundo. Es así como el investigador mexicano Aldo Peña Pérez nos invita a incorporar a más jóvenes de nuestra facultad, algo que es de gran valor, pues ya tenemos más de un año de trabajo con ellos”, comentó el investigador.

Otro de los estudiantes involucrado es Ozziel Garnica Juárez, quien trabaja en el diseño de reguladores de voltaje, un circuito que se encarga, ante las variaciones de la temperatura, de tener un voltaje de referencia constante y en nuevas lógicas para la reducción de densidad de procesamiento digital. Esto forma parte de las colaboraciones con el SLAC.

Por su parte, Diana Jéssica Gómez Barrientos, de la Maestría en Instrumentación Electrónica, diseña convertidores de datos, una parte esencial de la electrónica, porque son un puente entre lo más tangible y la electrónica pura. En tanto, su compañero Yerandi Bailon Callilla se enfoca en el análisis y procesamiento de señales para sensores. En su tesis de licenciatura trabajó con un microsensor y actualmente busca diseñar un circuito integrado que sirva para el análisis y procesamiento de señales de biosensores.

El investigador destacó que además de atender su carga académica, sus estudiantes se organizan para participar en la rama estudiantil del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), una red global de más de 500 mil tecnólogos.

“Llevan toda la información que generan y la comparten con sus compañeros para que conozcan qué oportunidades hay en el campo laboral y tecnológico. Asimismo, participan y colaboran en los cursos de capacitación continua que se realizan en este laboratorio, con los cuales formamos recursos humanos en el diseño de circuitos integrados; es decir, aprenden a dibujar y realizar la designación de parámetros dimensionales en tecnologías nanométricas para que los dispositivos hagan una tarea específica”.

Los cursos y la capacitación que brinda el doctor Víctor González en su laboratorio van enfocados a estudiantes de licenciatura y posgrado de Electrónica y áreas afines, con una formación sólida en Electrónica, Física básica y Matemáticas. Una de las acciones más importantes es la capacitación con cursos de “Electronic Design Automation, Diseño electrónico automático para circuitos integrados digitales” y “Diseño electrónico VLSI, para tecnología de integración electrónica, semiconductores y tecnología de frontera”, como actividades de formación continua con el apoyo del director de la FCE, José Francisco Portillo Robledo.

Con todas estas acciones, está convencido que podrán contribuir al desarrollo del conocimiento a través de la propiedad intelectual, pues advierte que la valía de una sociedad también se determina por el impacto que tiene la tecnología en la vida de la población y es ahí donde está la oportunidad para los estudiantes, porque si conocen cómo resolver problemas, venderán ideas e innovación.

Por ello es importante el diseño de circuitos integrados y eso es lo que se hace en la FCE con el apoyo de dependencias como las vicerrectorías de Investigación y Estudios de Posgrado, y la de Docencia.

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 21 de febrero de 2019. Comprender la Física  que pudiera dar paso a la tecnología informática del futuro es una de las metas de grupos científicos en todo el orbe. Un proyecto multidisciplinario mexicano-alemán se ha fijado el reto de desarrollar, probar y caracterizar circuitos integrados que funcionen a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que podría sentar las bases para el desarrollo de sistemas completos de cómputo cuántico.

Dicho proyecto es liderado por el Dr. Daniel Durini, investigador del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), y cuenta con la participación de investigadores y estudiantes tanto de este Instituto como del Centro de Investigaciones de Jülich, Alemania.

La colaboración entre los científicos de ambos países se da gracias al Dr. Durini, quien trabajó en el Instituto Central de Sistemas Electrónicos (ZEA-2) de Jülich, donde dirigió el área de Sistemas de Detectores, y ha fungido como enlace de la misma.

La investigación en el INAOE se lleva a cabo a través de una colaboración estratégica del Laboratorio de Criogenia del GTM (LCG), a cargo del Dr. Daniel Ferrusca y la participación del Dr. Miguel Velázquez De la Rosa, y los investigadores de la Coordinación de Electrónica el Dr. Edmundo Gutiérrez y el Dr. Javier De la Hidalga, expertos en la caracterización y el estudio del comportamiento de dispositivos microelectrónicos a temperaturas criogénicas, y del mismo Dr. Durini. El LCG cuenta con los instrumentos y criostatos necesarios para hacer investigación de dispositivos a temperaturas de hasta 250 milikelvin.

El proyecto, que abarca el estudio del comportamiento de dispositivos microelectrónicos fabricados en diversas tecnologías CMOS avanzadas de fabricación a temperaturas criogénicas, es financiado por el INAOE, el Centro de Investigaciones de Jülich y la compañía Global Foundries, que suministra las obleas con estructuras de prueba con diferentes tecnologías CMOS avanzadas adicionales a la elegida actualmente por el grupo de Jülich. Con todo, la inversión no es grande: “con poco dinero y mucho conocimiento estamos tratando de aparecer en el mapa de las personas que están en el camino de la computación cuántica”, comenta el líder del proyecto.

El Dr. Durini estudió Ingeniería Electrónica en la UNAM, es egresado de la maestría en Electrónica del INAOE y tiene un doctorado en Microelectrónica por la Universidad de Duisburg-Essen, Alemania, que obtuvo en colaboración con el Instituto Fraunhofer de Circuitos y Sistemas Microelectrónicos (IMS) de dicho país. Fue investigador y jefe de grupo en el Fraunhofer IMS durante nueve años y después pasó a formar parte del Centro de Investigaciones de Jülich, donde trabajó entre principios del 2014 y el 2018.

El cómputo actual está basado en un sistema binario en el cual los bits pueden tener un valor de 0 o de 1. En el cómputo cuántico, la partícula cuántica (por ejemplo, un electrón) puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y puede ser 0 y 1 a la vez ocupando dos estados ortogonales. Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de cúbits creados. La computación cuántica está basada en la superposición, que es la generación de una interacción entre dos electrones que se influyen uno al otro.

“Hoy en día, la manipulación de las partículas para producir cúbits solo se puede realizar a temperaturas muy bajas, casi del cero absoluto, de algunos cientos de milikelvins. Esto se hace manipulando ya sea materiales superconductores o semiconductores de los grupos III y V. Desde hace unos diez años hay un gran auge en la investigación de la generación de los llamados quantum-bits, qubits en inglés o “cúbits” en español”, agrega el investigador.

Empresas y países en todo el mundo están realizando fuertes inversiones para el desarrollo del cómputo cuántico. Alemania no es la excepción. En Jülich, gran parte del trabajo se concentra en la investigación de los principios básicos de hardware. “El Instituto Central de Sistemas Electrónicos (ZEA-2) está colaborando con el profesor Hendrik Bluhm, de la Universidad de Aachen (RWTH Aachen), quien trabaja con los semiconductores de los grupos III y V (por ejemplo, GaAs o SiGe) desde hace muchos años. Están tratando de generar circuitos integrados y sistemas electrónicos para la manipulación y lectura de los cúbits creados”, refiere el Dr. Durini.

El científico añade que, como los cúbits sólo pueden generarse y manipularse a temperaturas criogénicas muy bajas, lo mismo pasa con los circuitos integrados que se desarrollan para su manipulación y lectura: “Y aquí viene el gran desafío, ya que hasta el momento no había habido la necesidad de operar circuitos integrados a temperaturas tan bajas. Estamos investigando cómo funcionan los dispositivos y los circuitos electrónicos en estas condiciones porque hay muchos cambios. Estamos por debajo del punto de congelamiento, ya no hay fonones, lo cual significa que el comportamiento de los electrones cambia mucho a nivel cuántico”.

El Dr. Durini informa que en Jülich se trabaja en el desarrollo de los primeros circuitos, pero que carecen de modelos que funcionen a las temperaturas descritas para simularlos y diseñarlos. Por ello, el INAOE se ocupará de los dispositivos de prueba y de la caracterización de los mismos a temperaturas de hasta 250 milikelvins, aprovechando la infraestructura del Laboratorio de Criogenia del GTM.

El INAOE ya envió a Jülich al primer estudiante de doctorado, Alfonso Cabrera, quien durante los próximos seis meses diseñará el circuito que después será caracterizado aquí. “La meta es obtener las curvas de caracterización de los diferentes dispositivos, poderlos modelar, explicar los diferentes fenómenos que pudiéramos encontrar y generar un conjunto de modelos que pueden utilizar los diseñadores de circuitos para diseñar circuitos y sistemas que funcionen a esas temperaturas”.

Para el Dr. Daniel Durini es fundamental aprovechar las tendencias y oportunidades que se están presentando. “Nunca vamos a poder competir con la inversión que se hace en otros países donde están tratando de desarrollar la ciencia básica en general y sistemas de cómputo cuántico en particular a este nivel. Sin embargo, a partir del conocimiento que tenemos y de la infraestructura con la que contamos, México puede poner su bandera y subirse al tren de una tecnología que definitivamente es la que en los próximos diez años va a comenzar a dominar el mundo”.
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Acerca del INAOE:

El Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica es un centro de investigación científica de prestigio internacional. Está ubicado en Santa María Tonantzintla, Puebla, y pertenece al Sistema de Centros Públicos de Investigación del CONACYT. Sus objetivos principales son realizar investigación de frontera en Astrofísica, Óptica, Electrónica y Ciencias Computacionales, formar recursos humanos de primer nivel en las citadas áreas, e identificar y resolver algunos de los problemas científicos y tecnológicos más importantes en el país y en el mundo. Para mayor información consultar www.inaoep.mx