Envejecimiento acelerado: el efecto del verano en nuestros aparatos electrónicos

Las condiciones térmicas en las que se usan los dispositivos electrónicos aceleran los procesos de degradación interna de los componentes electrónicos, reduciendo su fiabilidad y acortando su vida útil. Este fenómeno, conocido como envejecimiento acelerado, está directamente relacionado con los mecanismos físicos que tienen lugar dentro de los chips cuando operan bajo estrés térmico. Los circuitos se calientan de forma natural, debido al efecto Joule, un proceso que se ve agravado si la temperatura ambiental es alta. Esto obliga a que la refrigeración sea un aspecto fundamental de cualquier dispositivo electrónico, especialmente en aquellos más potentes como los ordenadores personales o las videoconsolas.

Específicamente, las altas temperaturas hacen que los transistores, el bloque fundamental de los circuitos electrónicos, sean más lentos. Imaginemos que un transistor es como una gran autopista por la que circulan millones de coches. Esos coches representan a los electrones, que llevan la corriente eléctrica de un punto a otro, haciendo que todo funcione. Al principio, la autopista es nueva: el asfalto está liso, bien señalizado, no hay baches ni obstáculos. Los coches (los electrones) pueden circular rápido, de forma ordenada, sin problemas. Pero, con el tiempo, esa autopista se va desgastando. Aparecen grietas en el pavimento, zonas con baches, la pintura de las señales se borra. Y en determinadas condiciones como cuando hace mucho calor ese desgaste ocurre más rápido.

Cuando sube la temperatura, los átomos del material del chip (el “asfalto” de nuestra autopista) empiezan a vibrar con más energía. Esas vibraciones son como pequeños terremotos que sacuden el camino de los electrones. Como consecuencia, los electrones chocan más con esos átomos, se desvían de su trayectoria, y en algunos casos incluso dañan permanentemente el material, como si un coche, al chocar muchas veces, dejara marcas o hiciera agujeros en la carretera. Además, en ciertas zonas de los transistores, el calor puede dejar huecos o acumulaciones de cargas que empeoran aún más el tráfico. Esto se traduce en que, con el tiempo, los electrones pasan cada vez más lentos, hasta que llega un punto en el que no llegan a tiempo a dónde deben estar y el circuito falla.

Para evitar estos problemas, es fundamental entender a fondo los procesos físicos que causan este envejecimiento. De este modo, podemos anticipar la degradación que va a sufrir el circuito, y ajustar el diseño de forma que su funcionamiento esté garantizado durante muchos años. El desafío es que un circuito tiene billones de transistores, el envejecimiento depende de qué transistores estén encendidos y es muy difícil hacer los cálculos para simular este envejecimiento de forma precisa y rápida.

Esto supone un desafío de gran importancia para la industria de los semiconductores, ya que los circuitos deben operar de forma rápida y fiable en condiciones de altas temperaturas como en los automóviles. El envejecimiento de circuitos se está convirtiendo también en un factor clave para la financiación de los centros de datos, que cada vez deben tener mayores prestaciones para suplir la demanda en computación requerida por la sociedad moderna, especialmente con el auge de las inteligencias artificiales. Adicionalmente, a medida que los transistores se hacen cada vez más pequeños, alcanzando escalas de apenas unos pocos nanómetros, los efectos del envejecimiento no solo se vuelven más pronunciados, sino también más difíciles de simular y predecir con precisión. Esto obliga a desarrollar herramientas más sofisticadas y eficientes que permitan anticipar estos efectos desde las etapas tempranas del diseño, garantizando así dispositivos más robustos, duraderos y sostenibles en un entorno tecnológico cada vez más exigente.

Al prolongar la vida útil de los dispositivos, se reduce la necesidad de reemplazos frecuentes, lo cual implica un ahorro significativo de recursos naturales, materias primas críticas y energía asociada a los procesos de fabricación

En este contexto, parte de nuestro trabajo en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla ha consistido en desarrollar una metodología para hacer estos cálculos más rápidos matemáticamente, lo que se traduce en mayor velocidad de computación. Esto se logra mediante la compresión de la información requerida por los modelos de simulación. Gracias a esta compresión, los modelos complejos que antes tardaban horas o días en ejecutarse ahora pueden funcionar en mucho menos tiempo, y lo más importante, sin perder precisión. Esto hace posible aplicar modelos avanzados a diseños de circuitos grandes y reales, algo que antes era prácticamente inalcanzable por las limitaciones de tiempo y cálculo. En definitiva, nuestro método ayuda a predecir con mayor eficiencia cómo se comportarán los dispositivos electrónicos con el paso del tiempo, lo que es clave para hacerlos más fiables y duraderos.

Adicionalmente, hemos diseñado un chip que nos permite medir de forma directa el efecto de este envejecimiento en la velocidad de las puertas lógicas que forman un circuito. Ya que no vamos a medir durante años en el laboratorio, uso condiciones especialmente adversas (altas temperaturas y/o tensión) para emular años de operación en horas, usando el envejecimiento acelerado a nuestro favor. De este modo, podemos medir la velocidad de los electrones a medida que la “carretera” se va degradando, lo que nos aporta una información muy valiosa de cara a entender estos fenómenos a fondo.

Además del valor técnico y científico de este trabajo, cabe destacar su relevancia en el contexto de la sostenibilidad. Comprender y predecir con mayor precisión el desgaste de los circuitos electrónicos permite diseñar sistemas más duraderos y resistentes, lo que contribuye de forma directa a la lucha contra la obsolescencia prematura de los equipos electrónicos. Al prolongar la vida útil de los dispositivos, se reduce la necesidad de reemplazos frecuentes, lo cual implica un ahorro significativo de recursos naturales, materias primas críticas y energía asociada a los procesos de fabricación. Esta eficiencia redunda en un impacto ambiental positivo, haciendo que el diseño de microelectrónica más robusta sea un pilar esencial para la conservación del planeta y el avance hacia una electrónica más sostenible y responsable.