La "idea monolítica": el nacimiento del circuito integrado

Ignacio Mártil

Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

Imagen tomada al microscopio del amplificador operacional µA 741, uno de los circuitos integrados más fabricados en la historia. Concebido en 1963 en Fairchild Semiconductors, se sigue fabricando en la actualidad

Hace ahora 65 años que se dio a conocer una de las ideas que mayor impacto ha tenido en nuestra vida cotidiana: el chip o circuito integrado, que tantas noticias nos brinda desde los tiempos de la pandemia. Como suele ser habitual para la mayoría de los descubrimientos científicos, los protagonistas de esta historia son unos grandes desconocidos. Los padres de la idea que lanzó la revolución microelectrónica hace más de medio siglo permanecen en el mayor de los anonimatos: Jack Kilby y Robert Noyce. Esto, desgraciadamente, parece que es un signo de los tiempos. Les propongo que hagan las siguientes preguntas en su entorno familiar, laboral, de amistades, etc.: ¿Tienes una calculadora? ¿Tienes un teléfono móvil? ¿Tienes un ordenador en casa? Anticipo las respuestas: casi todos los tendrán. A continuación, haga ésta: ¿Y sabes quienes fueron Jack Kilby y Robert Noyce? Anticipo de nuevo la respuesta: nadie lo sabrá.

Si nos remontamos a finales del siglo XIX y principios del XX, hombres como Thomas Edison o Henry Ford, cuyos inventos afectaron a todas la humanidad y dieron lugar a industrias colosales, gozaban de una enorme prominencia y fama. En total analogía, el chip ha cambiado el mundo de forma tan decisiva como lo hicieron en su día la bombilla incandescente y el automóvil y a diferencia de muchos inventos modernos, sabemos exactamente quiénes fueron sus artífices. Pero en la era de Internet, de los ordenadores, de los teléfonos móviles, Jack Kilby y Bob Noyce simbolizan, si acaso, sólo la moderna falta de interés que hay detrás de las máquinas por parte de los seres humanos. Quizá sea porque la riqueza importa más que los logros a la hora de elegir a las personas que nuestra sociedad admira. Hay demasiados ejemplos bochornosos de esto que escribo, como bien saben. Sirva este artículo con el que comienzo una larga serie, para honrar la memoria de todos aquellos que hicieron posible este logro extraordinario del ingenio humano.

1. Los protagonistas

El 6 de febrero de 1959, Jack Kilby, de Texas Instrument registró una patente (Miniaturized Electronic Circuits, Patente US 3.138.743). Pocos meses después, el 30 de julio de ese mismo año, Robert Noyce, de Fairchild Semiconductors, registraba otra (Semiconductor device-and-lead Structure, Patente US 2.981.877). Ambas recogían, de manera independiente una de otra, las ideas esenciales de lo que en ese momento se denominó “La Idea Monolítica”, que poco después paso a llamarse “Circuito Integrado” o “chip” que es como lo conocemos hoy en día.

Jack Kilby Robert Noyce

Las patentes de ambos científicos abordaban cuestiones diferentes y al mismo tiempo complementarias acerca de cómo se podía integrar en una pieza única de semiconductor los diversos componentes (tanto activos como pasivos) de un circuito electrónico: transistores, diodos, resistencias, condensadores…, así como el procedimiento para conectarlos entre sí. El primer aspecto (la integración de los componentes en una pieza de semiconductor) era el núcleo central de la patente de Kilby y el segundo (las interconexiones entre componentes), de la de Noyce.

Izquierda: Imagen central de la patente de Kilby. Derecha: imagen clave de la patente de Noyce

El chip, el dispositivo resultante de las ideas detalladas allí, transformó en pocos años la industria electrónica y, como consecuencia (aunque no se vislumbrara en ese momento), nuestra vida cotidiana. Los inventores fueron dos ingenieros que trabajaban en empresas competidoras. Es decir, este problema tecnológico global de importancia trascendental no se encomendó a los científicos. No fue resuelto por investigadores académicos en un laboratorio universitario, sino por ingenieros de laboratorios de investigación y desarrollo de dos empresas (Texas Instrument/Jack Kilby; Fairchild Semiconductors/Robert Noyce) que aquel momento, estaban necesitadas de nuevas ideas para crecer.

Los científicos y los ingenieros suelen dividir su trabajo en dos grandes categorías, a veces descritas como investigación básica e investigación aplicada. Algunos de los descubrimientos más importantes del mundo moderno han surgido de la investigación básica, es decir, de trabajos que no estaban orientados a ningún uso concreto. La imagen del universo que nos reveló Albert Einstein con su Teoría General de la Relatividad, la estructura del interior de los átomos de Niels Bohr, el modelo de "doble hélice" del ADN de James Watson, Francis Crick y Rosalind Franklin, la complejísima y abstracta descripción del mundo subatómico que nos brindaron Werner Heisenberg con su mecánica de matrices y Erwin Schrödinger con la ecuación que lleva su nombre... todos estos fascinantes descubrimientos han tenido enormes implicaciones, pero todos surgieron de la investigación básica y en el momento de su nacimiento, apenas se vislumbraban sus posibles aplicaciones prácticas.

2. Un gran problema, en busca de solución

Los científicos, en general, se mueven por el afán de conocimiento; su motivación, como dijo el Premio Nobel de Física de 1965, Richard Feynman, es "el placer de descubrir cosas". Los ingenieros, en cambio, se guían por encontrar soluciones, por resolver problemas. Su placer consiste en hacer que las cosas funcionen. Por cierto, si no han leído "El placer de descubrir", ese fascinante libro, aquí lo pueden escuchar de principio a fin:

A finales de la década de 1950, el problema que obsesionaba a los fabricantes de dispositivos semiconductores era lo que las revistas técnicas denominaban "el problema de las interconexiones" o "la barrera de los números" o, de una manera más poética, "la tiranía de los números". Este problema era conocido por los físicos e ingenieros que formaban la comunidad electrónica, pero era un perfecto desconocido para el resto del mundo. Con esa denominación, se referían a la complejidad creciente que tenían los circuitos electrónicos, cada vez más difíciles de fabricar y ensamblar: ¿Cómo fabricar de manera eficiente y rentable circuitos con miles de componentes discretos, con sus miles de conexiones, realizadas una a una y a mano?. Ese era el aparente callejón sin salida al que se enfrentaba la industria.

El momento eureka: la "Idea Monolítica" entraba de lleno en el asunto y, al menos sobre el papel, resolvía el problema, era una típica solución de ingeniería. La clave era que reducía la complejidad drásticamente: miles de componentes se convertían, fruto de la idea, en uno solo: un circuito completo consistiría en una sola pieza, un único bloque (de ahí el nombre de "monolítica", hecho de una sola pieza) de material semiconductor que contiene todos los componentes y todas las interconexiones de los circuitos más complejos. Ambos “todos” son esenciales en la idea: todos los componentes y todas sus interconexiones.

Tanto Kilby como Noyce se sintieron bastante seguros desde el principio de que estaban ante algo importante. Años más tarde, Noyce diría: “Entonces había una gran motivación para hacer algo con la barrera de los números...la industria electrónica se encontraba en una situación ‒por ejemplo, en un ordenador con decenas de miles de componentes, en el que había decenas de miles de interconexiones‒ en la que era casi imposible fabricar cosas”

3. La importancia del chip

El producto tangible de la idea que ambos fueron capaces de materializar, conocido en la actualidad por los científicos como circuito integrado y por el mundo en general como chip semiconductor, ha cambiado el mundo de forma tan fundamental como lo hicieron en momentos anteriores de la humanidad el teléfono, la bombilla, el vehículo de motor o el avión, por citar solo algunos ejemplos. El circuito integrado está en el corazón de relojes, ordenadores, teléfonos móviles, sistemas GPS, electrodomésticos, vehículos de todo tipo, servidores de Internet, etc. La Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. declaró al circuito integrado como el progenitor de la “Segunda Revolución Industrial”.

La Primera Revolución Industrial mejoró las capacidades físicas del ser humano y liberó a la gente de la pesada carga del trabajo manual; la revolución generada por el chip mejora día a día nuestra destreza intelectual (ya sé que hay gente que no comparte esto, pero yo lo creo firmemente) y libera a la gente de la pesada carga del trabajo de cálculo que deberíamos hacer si no existieran los ordenadores. Un físico británico, Sir Ieuan Madlock, calificó el circuito integrado como “la tecnología más extraordinaria que jamás haya llegado a la humanidad”. Al otro lado del Atlántico, un empresario californiano, Jerry Sanders, uno de los fundadores de Advanced Micro Devices, Inc, una de las empresas más grandes de fabricación de chips, ofreció en la década de 1980 una valoración más pragmática de lo que es el chip: "Los circuitos integrados son el petróleo de los ochenta". Hoy en día, nadie duda del valor estratégico que tienen estos dispositivos . Durante su comparecencia reciente en el Congreso de los Estados Unidos el 7 de marzo, el Presidente Joe Biden resaltó la crucial necesidad de fortalecer las cadenas de suministro de semiconductores en el país, subrayando así el papel fundamental que desempeña la industria de los chips en el contexto global del siglo XXI.

4. Lo que viene

Tal como mencioné al inicio de este texto, en los meses venideros me adentraré en los detalles y avatares de la invención del circuito integrado, explorando las empresas involucradas y los principales actores de esta fascinante historia. Es importante destacar que, aunque figuras como Jack Kilby y Robert Noyce jugaron un papel crucial, la historia va más allá de ellos, como seguramente el lector podrá intuir.