Imec logra una densidad récord de 3,8 millones de uniones en circuitos superconductores

LOVAINA, Bélgica — El centro internacional de investigación en microelectrónica imec ha alcanzado un hito relevante en la ingeniería de semiconductores criogénicos al fabricar un circuito integrado superconductor que alcanza una densidad récord de 3,8 millones de uniones Josephson por milímetro cuadrado. Según un informe técnico publicado por Aamir Khollam el 8 de septiembre de 2026, el avance se basa en un cableado de interconexión ultrafino de nitruro de titanio y niobio (NbTiN) de 30 nanómetros. Este progreso establece un nuevo punto de referencia estructural para arquitecturas de computación criogénica de alta densidad, ofreciendo una vía de hardware viable para la escala de unidades de procesamiento cuántico y sistemas de control de supercomputación de muy bajo consumo que operan cerca del cero absoluto.

## Datos clave - El centro de investigación imec demostró una densidad récord en circuitos superconductores de 3,8 millones de uniones Josephson por milímetro cuadrado. - La arquitectura del circuito incorpora líneas de nitruro de titanio y niobio (NbTiN) de 30 nanómetros de ancho para interconexiones eléctricas de alta densidad. - La metodología de fabricación aborda persistentes cuellos de botella espaciales y de interconexión en redes lógicas criogénicas y electrónica de control cuántico. - El nitruro de titanio y niobio ofrece una tolerancia superior al campo magnético crítico y temperaturas de transición crítica más elevadas en comparación con el cableado convencional de niobio puro. - El logro técnico se detalló en un informe publicado por Aamir Khollam el 8 de septiembre de 2026.

## Qué ocurrió El hito de integración demostrado por imec marca un salto cuantitativo en la densidad de empaquetamiento de componentes en la microelectrónica superconductora, una clase de hardware informático que conduce la corriente eléctrica con cero resistencia cuando se enfría por debajo de temperaturas de transición crítica. En el núcleo físico de los chips de lógica digital superconductora se encuentran las uniones Josephson, dispositivos a nanoescala formados por dos electrodos superconductores separados por una barrera aislante ultrafina a través de la cual los pares de electrones se desplazan por efecto túnel sin disipar energía.

Para alcanzar una densidad de empaquetamiento de 3,8 millones de uniones por milímetro cuadrado, imec rediseñó tanto la geometría de escalado de las uniones como el esquema de metalización de interconexión subyacente. Las generaciones anteriores de circuitos lógicos superconductores dependían principalmente de pistas de niobio puro (Nb). Sin embargo, el niobio puro sufre una severa degradación física al reducirse a dimensiones inferiores a los 100 nanómetros, mostrando un aumento en la inductancia cinética, una menor densidad de corriente crítica y una alta susceptibilidad al atrapamiento de flujo magnético parásito.

Imec resolvió estas barreras de miniaturización mediante la implementación de líneas de interconexión de 30 nanómetros compuestas de nitruro de titanio y niobio (NbTiN), una aleación superconductora refractaria. Los cables de NbTiN de 30 nm permiten un espacio reducido entre uniones Josephson individuales, conservando al mismo tiempo las sólidas propiedades de transporte eléctrico necesarias para conmutar estados digitales a decenas o cientos de gigahercios. Al reducir tanto las uniones de conmutación activas como las vías de enrutamiento de señales a dimensiones nanoescalares, los investigadores lograron empaquetar millones de componentes activos en un área de chip en la que antes solo cabían decenas de miles.

El flujo de proceso desarrollado en imec aprovecha la infraestructura estándar de fabricación de obleas de silicio de 300 milímetros, lo que indica que los circuitos superconductores de alta densidad pueden producirse mediante líneas de fabricación comercial modificadas en lugar de equipos de laboratorio de bajo rendimiento.

## Por qué es importante El logro de 3,8 millones de uniones por milímetro cuadrado aborda directamente la principal restricción física a la que se enfrenta la computación criogénica avanzada: aumentar el número de componentes sin sobrepasar estrictos presupuestos térmicos. Las supercomputadoras modernas basadas en transistores de silicio estándar consumen decenas de megavatios de potencia eléctrica, generando un enorme calor residual que limita gravemente futuros aumentos de rendimiento. En cambio, la lógica digital superconductora —como el Quantum de Flujo Único (SFQ) y la Lógica Cuántica Recíproca (RQL)— opera con cero resistencia eléctrica, consumiendo hasta tres órdenes de magnitud menos energía por operación lógica mientras funciona a frecuencias de reloj superiores a los 100 gigahercios.

Sin embargo, la lógica criogénica ha adolecido históricamente de una baja densidad de integración. Mientras que los chips de silicio CMOS convencionales albergan decenas de miles de millones de transistores en una sola matriz, los circuitos superconductores se vieron limitados durante mucho tiempo a miles o decenas de miles de uniones. Este déficit de densidad implicaba que los chips de control criogénico eran demasiado grandes para ubicarse junto a procesadores cuánticos dentro de refrigeradores de dilución o placas frías de supercomputación, lo que obligaba a los ingenieros de sistemas a tirar miles de cables coaxiales individuales hacia cámaras de vacío sub-Kelvin.

Al comprimir millones de uniones Josephson en un solo milímetro cuadrado, el diseño de imec permite integrar circuitos complejos de control, lectura y procesamiento de señales directamente en entornos criogénicos. En la computación cuántica, escalar los sistemas desde cientos de cúbits físicos hasta procesadores tolerantes a fallos con millones de cúbits requiere lógica criogénica integrada en el chip capaz de ejecutar corrección de errores en tiempo real y enrutamiento de cúbits. Una densidad de 3,8 millones de uniones permite colocar controladores lógicos digitales complejos a milímetros de matrices de cúbits superconductores que operan a 15 milikelvin, eliminando los masivos cuellos de botella de cableado que actualmente frenan los sistemas cuánticos a gran escala.

Además, para la supercomputación de alto rendimiento a escala exa, los circuitos de NbTiN de alta densidad abren la puerta a coprocesadores criogénicos ultradensos capaces de ejecutar algoritmos intensivos en datos con una disipación de energía insignificante, ofreciendo una vía hacia infraestructuras de supercomputación sostenibles.

## Antecedentes La electrónica superconductora sitúa sus raíces teóricas en 1962, cuando el físico británico Brian Josephson predijo el efecto túnel de pares de electrones superconductores a través de una fina barrera aislante, descubrimiento por el que compartió el Premio Nobel de Física en 1973. A finales del siglo XX, importantes programas de investigación industrial liderados por IBM, AT&T Bell Laboratories y consorcios del gobierno japonés intentaron construir computadoras centrales (mainframes) utilizando uniones Josephson, atraídos por sus velocidades de conmutación de picosegundos y su consumo de energía inferior al microvatio.

Los primeros esfuerzos con mainframes se abandonaron en gran medida a finales de la década de 1980 debido al rápido y rentable escalado de la tecnología CMOS de silicio bajo la ley de Moore, así como a las dificultades de fabricación asociadas con el control de la uniformidad de las uniones en grandes sustratos de silicio. Los primeros circuitos también dependían de la metalurgia del plomo o niobio puro, que sufría degradación estructural bajo ciclos térmicos repetidos entre la temperatura ambiente (295 Kelvin) y las temperaturas del helio líquido (4,2 Kelvin).

En la década de 2010, la aparición de la computación cuántica superconductora renovó el interés global por la microelectrónica criogénica. Agencias científicas y de defensa, como la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia de EE. UU. (IARPA, por sus siglas en inglés), lanzaron importantes iniciativas como los programas Cryogenic Computing Complexity (C3) y SuperTools para modernizar la automatización del diseño electrónico y los protocolos de fabricación de chips superconductores.

Fundado en 1984 en Lovaina, Bélgica, imec (Interuniversity Microelectronics Centre) opera como el principal centro independiente de investigación en nanoelectrónica del mundo, colaborando con líderes mundiales de semiconductores como ASML, TSMC, Intel, Samsung y GlobalFoundries. La estrategia de imec se centra en adaptar herramientas industriales avanzadas de litografía de 300 mm y grabado por plasma a sistemas de materiales no tradicionales, como NbTiN, tantalio y barreras de óxido de aluminio. El nitruro de titanio y niobio se ha consolidado como un material predilecto porque su temperatura de transición crítica (aproximadamente de 14 a 16 Kelvin) y su resistencia al campo magnético crítico superan con creces las del niobio puro (9,2 Kelvin), lo que ofrece un mayor margen operativo y permite geometrías de cableado más estrechas sin pérdida de superconductividad.

## Reacciones Aunque todavía no se han emitido declaraciones públicas formales por parte de los socios de fundición comercial tras el anuncio, los físicos de dispositivos semiconductores y los arquitectos de hardware cuántico consideran que la marca de densidad de imec es un hito de gran relevancia para el diseño de sistemas criogénicos. Los expertos de la industria evalúan habitualmente los nuevos resultados de integración de materiales a través de artículos técnicos revisados por pares en los principales foros internacionales, como la IEEE Applied Superconductivity Conference (ASC) y el International Electron Devices Meeting (IEDM).

Se espera que los desarrolladores de hardware de computación cuántica, incluidos los equipos de ingeniería de IBM Quantum, Google Quantum AI, Rigetti Computing y Oxford Quantum Circuits, examinen de cerca la metodología de fabricación de imec. Estas organizaciones se enfrentan actualmente a graves cuellos de botella en el enrutamiento de señales dentro de los refrigeradores de dilución de helio, donde la conducción térmica a través del cableado de cobre limita el número total de líneas de control que pueden acceder a la etapa más fría del criostato.

También se prevé que los grupos de investigación académica especializados en el diseño de lógica de Quantum de Flujo Único respondan actualizando sus bibliotecas de celdas de automatización de diseño electrónico (EDA). Una mayor densidad de uniones permite a los diseñadores lógicos implementar archivos de registros complejos, unidades aritmético-lógicas (ALU) multibit y densas matrices de memoria criogénica, que antes resultaban imposibles debido a las limitaciones físicas del tamaño de la matriz.

## Lo que aún no se sabe A pesar del avance reportado en la densidad de uniones y el ancho de línea, varios parámetros clave de fabricación y rendimiento físico aún no se han revelado en el informe técnico inicial: - **Rendimiento y uniformidad a escala de oblea:** Actualmente se desconoce qué porcentaje de los 3,8 millones de uniones Josephson por milímetro cuadrado opera dentro de las estrictas tolerancias de corriente crítica ($I_c$) en toda una oblea de 300 mm. En circuitos lógicos superconductores, incluso un pequeño porcentaje de uniones fuera de especificación puede causar errores lógicos sistémicos. - **Estabilidad ante ciclos térmicos:** No se ha detallado públicamente la fiabilidad mecánica a largo plazo de las interconexiones de NbTiN de 30 nm sometidas a repetidos ciclos de enfriamiento térmico entre la temperatura ambiente y los regímenes criogénicos. - **Límites de funcionamiento a alta frecuencia:** Aunque el NbTiN presenta una elevada inductancia cinética, lo que puede afectar a los retrasos en la propagación de señales, no se han especificado completamente la frecuencia de reloj máxima precisa ni la energía de conmutación por unión para esta implementación específica de 30 nm. - **Diafonía y blindaje magnético:** Con un paso de cableado de 30 nanómetros y un espacio entre uniones submicrónico, el atrapamiento de flujo magnético parásito y el acoplamiento electromagnético parásito entre líneas adyacentes representan serios desafíos de ingeniería que requieren verificación empírica.

## Aspectos a seguir En los próximos meses, varios hitos clave aclararán la viabilidad industrial de la arquitectura superconductora de alta densidad de imec: - **Próximas presentaciones técnicas:** Se prevén revelaciones técnicas revisadas por pares y documentos detallados de integración de procesos en los próximos eventos del sector, como el International Electron Devices Meeting (IEDM) o la IEEE International Superconductive Electronics Conference (ISEC). - **Demostraciones de circuitos prototipo:** Habrá que estar atentos a anuncios de seguimiento que demuestren bloques lógicos multibit funcionales, como un acumulador SFQ de alta densidad, una matriz de memoria criogénica o un multiplexor de control de cúbits integrado fabricado con el proceso de NbTiN de 30 nm. - **Integración en fundiciones y líneas piloto:** El avance en la transferencia de este módulo de proceso de NbTiN de 300 mm desde la línea piloto de I+D de imec a fundiciones comerciales especializadas o líneas de fabricación de hardware cuántico. - **Métricas de rendimiento criogénico:** Publicación de las mediciones de temperatura crítica ($T_c$), densidad de corriente crítica ($J_c$) y resiliencia al campo magnético en áreas de obleas de varias pulgadas bajo condiciones criogénicas operativas.

Este informe se basa en las noticias técnicas reportadas por el periodista Aamir Khollam el 8 de septiembre de 2026, que detallan los avances en microelectrónica en el instituto de investigación imec.