La utilización de materiales semiconductores para emular la funcionalidad de los dispositivos electrónicos basados en válvulas de vacío dio origen, a mediados del siglo pasado, a la aparición de la Microelectrónica, una de las tecnologías que ha contribuido en mayor medida al desarrollo y transformación de las sociedades modernas. Los primeros dispositivos electrónicos basados en semiconductores se fabricaron como componentes aislados, pero la evolución de las tecnologías de fabricación de circuitos integrados permitió pronto combinar varios dispositivos sobre un mismo sustrato de material semiconductor facilitando la implementación de bloques funcionales cada vez más complejos en un único Chip.

A lo largo de sus poco más de 50 años de historia, el desarrollo de la Microelectrónica ha estado ligado a las constantes mejoras en las tecnologías, dirigidas principalmente a reducir el tamaño de los dispositivos para aumentar el número de transistores por unidad de área, con objeto de incrementar la funcionalidad de los sistemas que pueden ser incluidos en un circuito integrado. Las tecnologías actuales permiten fabricar chips con más de un millón de transistores por mm2. Diseñar circuitos y sistemas electrónicos que aprovechen de forma eficiente esta capacidad de integración es el principal objetivo de las actividades que se llevan a cabo en el Instituto de Microelectrónica de Sevilla (IMSE-CNM).

El diseño de un circuito integrado consiste en recorrer las diferentes etapas que permiten pasar desde la concepción de un sistema microelectrónico a la obtención del conjunto de patrones geométricos (máscaras) utilizados para su fabricación en una determinada tecnología. Este proceso es una tarea compleja que requiere la utilización de potentes herramientas informáticas capaces de manejar las sucesivas representaciones del sistema a nivel funcional, lógico, eléctrico y geométrico, así como de verificar que se cumplen las especificaciones previstas para el sistema.

Las líneas de investigación relacionadas con el diseño de circuitos integrados que se desarrollan en el IMSE-CNM persiguen tres objetivos básicos: dar respuesta a los retos científicos y tecnológicos que plantea el sector de la microelectrónica; sacar partido de los avances que se producen en el campo de la micro y nanotecnología, así como de los nuevos paradigmas propuestos por la comunidad científica; y aportar soluciones concretas a algunos de los retos sociales identificados en los programas de investigación de las distintas regiones de la Unión Europea.

En relación con el primero de estos objetivos, entre las soluciones tecnológicas aportadas por el IMSE-CNM en los últimos años cabe destacar la fabricación de numerosos prototipos de circuitos integrados avanzados, que se utilizan para realizar diferentes funciones relacionadas con la adquisición, procesado y transmisión de señales eléctricas, con aplicación en sistemas convencionales de computación o comunicaciones, así como en los modernos dispositivos desarrollados dentro del marco de “la internet de la cosas” (la interconexión masiva a la red de objetos cotidianos). Otras demandas de la industria de semiconductores, motivadas por la necesidad de reducir los costes de producción y acortar los tiempos de desarrollo de nuevos productos para facilitar su introducción en el mercado, encuentran respuesta en el Instituto mediante la propuesta de nuevas metodologías de diseño y test de circuitos integrados y la generación de diversas herramientas de software para diseño microelectrónico.

La experiencia acumulada por los investigadores del IMSE-CNM les ha permitido también aportar importantes soluciones tecnológicas para aplicaciones de menor interés comercial pero de gran importancia estratégica, como los circuitos integrados resistentes a radiaciones, imprescindibles para el desarrollo de instrumentación para biomedicina, altas energía o espacio. En relación con este último tema, entre los sistemas que incorporarán chips diseñados en el Instituto cabe destacar el chip para el sensor de irradiancia solar para la misión “Exomars 2018” de la ESA y el sensor de viento del conjunto de instrumentos para la misión “Mars 2020” de la NASA.

Como complemento a las líneas de investigación anteriores que tratan de dar respuestas a problemas actualmente planteados por la propia Industria Microelectrónica u otras áreas de conocimiento, los grupos de investigación del IMSE abordan otras líneas de trabajo cuyos efectos socio-económicos se pondrán de manifiesto a medio y largo plazo pero que constituirán, sin duda, las bases para el desarrollo de tecnologías y aplicaciones futuras. Estas líneas contemplan la utilización de nuevas técnicas de fabricación de circuitos integrados (como las tecnologías de integración 3D que permitirán incrementar de forma significativa el número de dispositivos incluidos en un chip); la incorporación de las funcionalidades que ofrecen los “dispositivos emergentes” (nanotubos de carbono y grafeno, memresistores, etc.) que facilitarán la construcción de sistemas electrónicos de elevada eficiencia energética; y la aplicación de nuevos paradigmas, como los sistemas neuromórficos y evolutivos, inspirados en la estructura funcional y en la conducta de los sistemas biológicos.

Por último, además de contribuir a la generación de conocimientos, las líneas de investigación del IMSE-CNM proporcionan soluciones eficientes para resolver algunos de los retos o problemas que se plantea actualmente nuestra sociedad. Por ejemplo, el desarrollo de Circuitos y sistemas biomédicos aporta soluciones para el diseño de bio-instrumentación médica y dispositivos implantables o portables para la vigilancia de la salud. La línea de Microelectrónica para seguridad, aborda, entre otros, los aspectos de la seguridad del hardware de los dispositivos y redes que soportan las TICs, cuya incidencia resulta muy significativa a la hora de sentar las bases de confianza que permitan el desarrollo futuro de la administración digital y el comercio electrónico. La de Sistemas para inteligencia computacional explora metodologías de diseño y propone soluciones de circuito para añadir inteligencia en distintos sistemas de control de procesos industriales y líneas de producción con los objetivos de incrementar su rendimiento y mejorar la calidad de los productos. Finalmente, el desarrollo de Sistemas de visión artificial que resultan hoy día esenciales, no solo como componentes de muchos de los dispositivos ya habituales en la red, sino también como elementos básicos para aplicaciones como sistemas de detección de incendios, redes de sensores para monitorización medioambiental y sistemas de inspección industrial.