Los orígenes del almacenamiento de la información (IX): llegan los semiconductores

Ignacio Mártil

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

(El contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Capítulo 5 de mi libro: “Microelectrónica. La historia de la mayor revolución silenciosa del siglo XX”; 2018, Ediciones Complutense).

Tras la aparición de los medios magnéticos de almacenamiento, que he descrito en un artículo anterior de esta serie, llegó el momento de los semiconductores, materiales cuyas propiedades les hacen especialmente adecuados para guardar información en dispositivos de tamaño muy reducido. Aquí describo los comienzos de las memorias basadas en estos materiales y en artículos sucesivos, analizaré cómo funcionan estos dispositivos.

1. Los orígenes de las memorias de semiconductores

Pocos años después de la invención del transistor a finales de 1947, se pusieron claramente de manifiesto las ventajas de los dispositivos basados en semiconductores sobre las válvulas de vacío para su uso en ordenadores. Este proceso irreversible comenzó en 1953 con el Manchester TC (Transistor Computer), un prototipo de ordenador fabricado en la Universidad de Manchester, que utilizaba 92 transistores bipolares de punta de contacto y 550 diodos; tenía una capacidad de almacenamiento de 48 bits. En 1954 los Bell Labs, laboratorios de investigación de la empresa estadounidense A.T. & T, diseñaron el TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer), equipo que contenía cerca de 800 transistores que reemplazaron a las habituales válvulas de vacío y que podía trabajar disipando una potencia inferior a 100 W, la vigésima parte de la necesaria para el funcionamiento de un ordenador de válvulas con prestaciones comparables. Estos primeros diseños empleaban transistores discretos en pequeños circuitos de memoria (de tipo flip-flop) para uso por parte de la CPU, y como controladores y amplificadores para la memoria de núcleo magnético de esos ordenadores.

Poco después, dos acontecimientos supusieron un salto de gigante en la tecnología de semiconductores: por una parte, la invención del circuito integrado casi simultánea en Texas Instrument (TI) y Fairchild Semiconductors en 1958-59 y por otra, la del transistor de efecto campo, el MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) en los Bell Labs en 1960. Como veremos en los siguientes párrafos, ambos acontecimientos tuvieron una influencia decisiva en la aparición de las primeras memorias basadas en semiconductores.

Los primeros fabricantes de circuitos integrados (IC) pronto se introdujeron en este mercado. Texas Instruments (TI) anunció en marzo de 1960 el "Circuito sólido SN 502", un flip-flop, que es el nombre común que se le da un dispositivo de dos estados que sirven como memoria básica, ya que solo almacena un bit; son ampliamente usados para el almacenamiento y transferencia de datos binarios. El circuito de TI integraba 2 transistores, 4 diodos, 4 condensadores y 6 resistencias. Los componentes de este circuito estaban aislados entre sí por zonas donde se había eliminado selectivamente el sustrato semiconductor mediante ataque químico, e interconectados entre ellos mediante hilos de oro muy finos, siguiendo la idea original de Jack. Kilby respecto a su invención del circuito sólido. Ese circuito se vendía al astronómico precio de 450 $ la unidad (a precios de 2020, 3500 euros; no obstante, la compañía decía que perdía dinero con cada dispositivo vendido. Era finales de 1960, principios de 1961):

Izquierda: SN 502 de TI, el primer chip comercial de esta compañía. Derecha: hoja de datos del SN 502; TI lo presentó en Nueva York en marzo de 1960 y comercializó diez unidades hasta agosto de ese año. Esta fotografía es de la hoja de datos que acompañaba a cada circuito vendido. Cada unidad se probaba y los resultados de los test se escribían a mano en la hoja de datos. Claramente, los tiempos han cambiado mucho…

Poco después, Fairchild fabricó el Micrologic Type "F", que fue el primer CI monolítico, de nuevo un flip-flop que estaba constituido por 4 transistores y 6 resistencias, fue el primer circuito integrado comercial propiamente dicho. Estaba fabricado con tecnología planar, siguiendo las ideas de la patente de Robert Noyce de lo que era el auténtico circuito integrado. En ella, mostraba cómo se podía fabricar un circuito electrónico en una sola pieza de silicio utilizando un proceso de fabricación en la que las interconexiones entre los diferentes componentes del circuito se realizaban mediante depósitos de láminas delgadas de metales sobre un óxido térmico sobre el que se abrían ventanas localizadas en las regiones del contacto mediante fotolitografía. Se muestra en la figura siguiente:

Célebre imagen del primer CI Micrologic Type “F” fabricado con tecnología planar

En la figura anterior, los transistores son las regiones características con forma de punta de nariz, en color azul brillante, situados hacia el centro de la imagen. Las resistencias son las tiras horizontales y verticales, también en tonalidades azules brillantes. Las líneas blancas son capas muy finas de aluminio que interconectaban los diferentes elementos del circuito entre ellos. Se conectaban con el mundo exterior mediante cables (no mostrados en la imagen) soldados a las almohadillas situadas en la periferia del dispositivo. Las manchas negras irregulares son imperfecciones existentes en la superficie del chip. El siguiente vídeo muestra los orígenes del circuito integrado:

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1.1 El Programa Apolo, primer usuario masivo de las memorias basadas en semiconductores

Cada uno de estos dos primeros CI contenía solo un bit de memoria y se utilizaron en los primeros ordenadores aeroespaciales como el AC Spark Plug MAGIC, Martin MARTAC 420 y el ordenador que llevaban todas las naves del Programa Apolo, el Apollo Guidance Computer (AGC) de la NASA. Cada nave Apolo llevaba dos AGC que usaban el Micrologic “F”. Uno estaba instalado en el Módulo de Comando y el otro en el Módulo Lunar. Al requerir el uso de unos 200.000 circuitos Micrologic “F”, el AGC fue el mayor usuario de circuitos integrados hasta 1965. El AGC utilizaba una memoria de núcleos de ferrita cableados para almacenar los programas de vuelo (lo que hoy denominaríamos la ROM) y una memoria de núcleos magnéticos distribuidos en forma de matriz para guardar la memoria dinámica, lo que denominaríamos la RAM. El AGC usaba 36.000 palabras de 16-bit en su memoria de núcleos cableados, contenida en un volumen de 61 × 32 × 15 cm³ (aproximadamente, un pie cúbico) y 4.000 palabras de memoria de núcleos magnéticos. Utilizaba el Micrologic Type “F” para los circuitos lógicos. Esta última fue una elección arriesgada, ya que la tecnología de semiconductores se consideraba no suficientemente probada en ese momento, pero era necesaria para cumplir con los requisitos de disponer de un sistema de peso y tamaños reducidos, condiciones absolutamente imprescindibles para las naves de la misión Apolo.

2. Las memorias de semiconductores se afianzan en el mercado

Los primeros chips comerciales de memorias de semiconductores propiamente dichos aparecieron en 1965 cuando la compañía estadounidense Signetics, produjo una memoria RAM de 8 bits utilizando tecnología bipolar. En 1968 Fairchild Semiconductor montó dieciséis SRAM de 64 bits cada una en un soporte cerámico para componer una memoria de 1024 bits para Burroughs Corporation, la empresa de fabricación de ordenadores más antigua de los EEUU −se fundó en 1886 con el nombre American Arithmometer Company para dedicarse a la venta de máquinas sumadoras inventadas por William Seward Burroughs. En 1986 se fusionó con Sperry UNIVAC y pasó a llamarse Unisys−.

En 1965, la compañía estadounidense Sylvania Electronic Components, produjo una ROM-TTL (Transistor Transistor Logic) con tecnología de transistores bipolares de 256 bits para los ordenadores de Honeywell. A principios de la década de 1970, varias compañías fabricantes de circuitos integrados (Fairchild, Intel, Motorola, Signetics, TI) ofrecían ROM bipolares de alta velocidad de 1024 bits, mientras que otras como AMD, General Instrument, National, Rockwell y otras, producían dispositivos ROM con tecnología MOS de 4096 bits. No obstante, las memorias ROM basadas en semiconductores no conocerían grandes éxitos comerciales hasta bien entrada la década de 1980. En pocos años, las memorias de semiconductores dejarían obsoletas a las de núcleo magnético:

Imagen aumentada de un chip de memoria SRAM IBM de 1968, con 64 bit fabricado con tecnología bipolar, colocado encima de su predecesor, una zona de una memoria de núcleo magnético. El tamaño reducido de las memorias de semiconductor sería uno de los factores clave que posibilitaría la hegemonía de estas memorias sobre todos sus predecesores

El salto de gigante en las memorias basadas en semiconductores se produjo tras la fundación de la empresa Intel en 1968. Dada la importancia que esto supuso, lo detallaré en el próximo artículo de esta serie.