Focos Tecnológicos: Diseño de Micro y Nanoelectrónica (MNE)

1. Breve descripción

La idea de encapsular circuitos electrónicos en un sólo dispositivo surge a principios de la década de 1950 como resultado de la aplicación del transistor (1948). El concepto se transforma en producto destinado al público en general recién en los años setenta, cuando los progresos en la tecnología de semiconductores permiten el desarrollo del circuito integrado. Rápidamente la industria adopta esta nueva tecnología, y a su vez esta hace posible la evolución y creación de otras: comunicaciones, satélites, computación móvil, telefonía, seguridad, digitalización de la información en diversas áreas como audio y video por citar las más difundidas. Menores costos, mayores prestaciones, mayor robustez y confiabilidad, reducción de tamaño y consumo son sólo algunos de los beneficios directos de la aplicación de la microelectrónica en la industria de consumo. Todos ellos, si bien importantes, no pueden compararse con el extraordinario aumento en las prestaciones y en complejidad de los diseños electrónicos con un costo marginal prácticamente nulo. Esta es una de las razones fundamentales que hacen que la microelectrónica se constituya en uno de los mayores factores impulsores de los procesos de innovación.

A partir de finales de los años 90, la tecnología de circuitos integrados comienza a incursionar en tamaños de canal de transistores, por debajo de los 100 nanómetros (nm). Actualmente, se encuentran en producción comercial procesos de 45nm. El ITRS (Internacional Technology Roadmap for Semiconductors) publica periódicamente “roadmaps”, que definen las metas a alcanzar a futuro, especifican los siguientes avances para la década siguiente (ver Tabla A).

Tabla A: ITRS; Nodos tecnológicos para el tamaño físico de compuerta en el corto plazo.

Año de Producción 2005 2006 2007 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Tamaño físico de compuerta (nm) 32 28 25 23 20 18 16 14 13

El desarrollo de productos de microelectrónica involucra generalmente varias etapas en las que el nivel de valor agregado disminuye a lo largo del proceso total (R&D vs. manufactura).
Los grandes eslabones del proceso son:
• Diseño de circuitos. Producto de alto valor agregado resultante de la aplicación de conocimientos y experiencia del diseñador.
• Herramientas de Software de diseño (CAD), verificación y simulación.
• Fabricación de prototipos y ensayo.
• Fabricación de chips con prueba en línea.
• Encapsulado y prueba final de integrados.
• Integración de chips, electrónica y software en sistemas (e.g., teléfonos celulares, PDA).

2. Focos tecnológicos corto/mediano plazo (<>

Desarrollo de la industria de propiedad intelectual en diseño de circuitos integrados (microelectrónica y nanoelectrónica) Desarrollo de software asociado para diseño y verificación (EDA-CAD) Desarrollo de la industria de servicio de diseño Mejoras en la competitividad de la industria electrónica nacional 3. Focos tecnológicos largo plazo (> 10 años) .

Desarrollo de la industria de valor agregado basada en post-procesamiento de circuitos integrados (donde el microchip se diseña localmente, se encarga a fábricas fuera del país, y se aplican pasos de procesamiento posterior en el país) para su integración híbrida con: (1) estructuras MEMS; (2) nanotubos y nanopartículas; (3) microfluídica; (4) accionadores de RF y de potencia; para aplicaciones en: (1) biomedicina; (2) monitoreo ambiental; (3) agricultura y ganaderia; (4) energía.

Desarrollo de Electrónica no-convencional (por ejemplo, plástica). Desarrollo de la cadena de valor completa, diseño y fabricación de circuitos integrados.

4. Mercado Local

Un reciente estudio encargado por el INTI, denominado “Estudio sobre la Industria Electrónica Argentina”, a través del Proyecto de Cooperación Internacional “Mejora de la Eficiencia y de la Competitividad de la Economía Argentina” encuestó 484 empresas, de las cuales 384 fueron empresas ofertantes y 100 empresas demandantes del sector electrónico. Este estudio se enmarca además dentro de las actividades promovidas por el proyecto de Areas Estratégicas (PAE) en Microelectrónica del MINCyT.

El estudio fue realizado por Mercados Horizontales ó Areas Tecnológicas, comprendiendo: Telecomunicaciones, Informática, Control Automático, Instrumental y otros equipos, Electrónica de entretenimiento y Consumo, Componentes y Materiales e Ingeniería de Integración. Se constató la existencia de 797 empresas del sector electrónico, que ocupan en promedio 25 empleados por empresa - representando 20.000 personas empleadas en el conjunto - con una facturación promedio del orden de $ 1,5 millones por empresa, y una facturación total anual del orden de los 400 millones de dólares (20.000dólares por empleado/año, ó sea 1.666 dólares por empleado/mes).

Cabe destacar que, el 78,6% de las empresas utiliza diseños propios y el 81,8 % manifiesta desear proteger su diseño con un integrado propio, mientras que el 80,7% expresó que integrar parte ó la totalidad de sus circuitos electrónicos le resultaría una ventaja competitiva importante. En particular, el siguiente grupo de empresas inició gestiones para la definición de proyectos concretos:

- TRONIK, fabricante de fuentes y convertidores de energía eléctrica
- ECAMEC, fabricante de instrumentos de medición de energía eléctrica
- SYSTELAB / AMR, fabricante de equipos para telemedición y gestión de energía eléctrica
- RMI, fabricante de radioenlaces de microondas y repetidores e inhibidores para telefonía móvil.
- EXEMYS, fabricante de interfaces industriales
- HIBRICOM, fabricante de circuitos híbridos
- MEGATECH, fabricante OEM de centrales de conmutación telefónica IP
- INVAP, desarrollo de radares, satélites, reactores nucleares
- PENTACOM, Gestión de distribución de la energía

5. Mercado Global

A partir de medidos de los años 80 la industria microelectrónica forjó su camino de especialización separándose en dos grandes áreas de valor. La primera área se corresponde al desarrollo de las tecnologías de fabricación. Esta área extremadamente competitiva y cara llevó a la especialización de empresas que brindan acceso a las tecnologías a las que se las denomina “foundries”. En el otro extremo de la cadena de valor, un producto integrado pasó a ser solo un problema de diseño y de servicio de integración y con la creciente disponibilidad de herramientas de diseño el número de diseñadores creció así como las buenas ideas resultando en un motor de empuje sostenido de la industria desde entonces.

En la actualidad, muchas de las grandes empresas internacionales han recurrido al “outsourcing” de servicios, tanto de fabricación como de diseño. En el primer caso como resultado de los costos requeridos para mantener actualizada una planta de fabricación de última tecnología, siendo el caso de Texas Instruments el más emblemático. En el caso de diseño, las empresas o “design houses” sufren a nivel global de una escasez de recursos humanos calificados, lo cual resulta en una demanda de diseños que no se puede satisfacer por completo. Esto hace necesaria la tercerización de servicios a otras compañías, o a diseñadores freelance, o a grupos en universidades. A los actores existentes en el plano internacional, se suma Brasil, con la apertura en el año 2007 del centro de Fabricación CEITEC de tecnología de señal mixta de 0.65um (http://www.ceitecmicrossistemas.org.br/portal/). Alrededor de este centro se encuentran ya operando cinco casas de diseño, con el objetivo de producir soluciones para la industria local, especialmente en rubros como los siguientes: Automatización Industrial y Comercial, Tecnología de la Información, Telecomunicaciones, TV digital, Electrónica Automotriz, Electrónica de Consumo, Aeronáutica, y RFID (Identificación por Radio Frecuencia).

Esta situación internacional es favorable a la instalación de casas de diseño en la Argentina, que funcionen como exportadoras de diseño, a la vez que provean servicios para la industria nacional.

6. Capacidades locales actuales (científicas, técnicas, empresarias, gubernamentales)

Sector científico
Dentro del sector científico, se están desarrollando con éxito líneas de investigación en circuitos integrados analógicos y digitales, circuitos de telemetría para marcas inteligentes (RFID), sensores, circuitos de bajo consumo e imagers, MEMS para sensado de variables ambientales y biológicas e instrumentación. Esto se está llevando a cabo en laboratorios de UNS, UCC, INTI, UNR.

UNS y UCC poseen grupos de investigación en la temática de diseño de circuitos integrados analógicos, digitales y de señal mixta. Gracias a colaboraciones entre centros de desarrollo como CNEA, INTI, UNSAM, y UNS se están aprovechando capacidades de nuestro país en el diseño de dispositivos microelectromecánicos y nanotecnológicos como: (1) componentes MEMS de radiofrecuencia y circuitos para antenas de satélites de muy bajas pérdidas de señal, que no requieren posicionamiento mecánico, logrando un bajo consumo de energía y ventajas en el control de actitud del satélite; (2) olfateadores portátiles y de prestaciones diversas para los sectores de seguridad nacional e industrial, narices electrónicas, sensores de gases y dispositivos afines; (3) sistemas de liberación controlada de drogas medicinales en el cuerpo humano, con sensores inteligentes y/o reservorios autocontrolados; (4) biosensores MEMS para diagnósticos instantáneos compuestos por circuitos avanzados y nanotubos, nanocables o nanohilos; (5) Nanopartículas específicas para el análisis in vivo de tejido pancreático usando Positron Emission Tomography (PET).

Sector técnico
Desafortunadamente, el sector técnico debe reconstruirse a nivel nacional y no existe disponibilidad en la actualidad de técnicos capacitados en la temática.

Sector empresario
El sector empresario en el area de diseño es casi inexistente. Solo hay dos empresas, Allegro Microsistemas (Buenos Aires), y Clariphy Argentina (Córdoba), dedicadas al diseño de circuitos integrados analógicos, y de comunicaciones, respectivamente. Cada una de estas empresas tiene en la actualidad unos 20 empleados promedio, y emplea al grueso de los graduados con conocimientos en Microelectrónica producidos en las universidades. Una tercer empresa, EMTECH, de menor tamaño (4 a 5) empleados, provee soluciones integradas basadas en FPGA o en integración rápida de chips mediante diseño de las capas superiores de metal y celdas estándar, servicio provisto por la empresa ChipX.

Sector gubernamental
Dentro del sector gubernamental, se cuenta con laboratorios de alta complejidad como los que poseen INTI, CNEA y CONAE. En particular, INTI tiene las capacidades para desarrollar microsensores para la medición de variables bioambientales, encapsur, soldar y testear circuitos integrados. Cuenta además con una sala limpia para post-procesamiento de circuitos integrados.
CNEA-CAC está terminando su sala de fabricación de MEMS, y desarrolla biosensores y detectores basados en nanocomponentes. También dispone de equipamiento para irradiación de muestras de relevancia para simular las condiciones de radiación a las que se ven sometidos los circuitos en el espacio y en equipamiento médico de alta complejidad. CNEA-CAB tiene laboratorios para la manipulación de MEMS, nanoestructuras, nanopartículas, tubos, hilos y cintas, y para el estudio de sus propiedades magnéticas.

7. Actores clave

Dentro de los socios locales se pueden nombrar los siguientes: En la academia, se cuenta con los grupos de investigación de UNS y de UCC. Dentro del sector gubernamental, organismos como INTI, CNEA y CONAE son actores demandantes de tecnología para aplicaciones específicas. En la actualidad, estas aplicaciones incluyen, circuitos integrados calificados para vuelo, interfaces para sensores bioambientales, interfaces para telemetría inalámbrica en ganadería/agricultura, circuitos de ultra-baja temperatura, interfases para nanotubos de carbón y MEMS, interfases para sensores infrarrojos, etc.

En particular, INTI juega un rol fundamental en la articulación de un proyecto nacional de desarrollo de la industria de diseño de Microelectrónica. El establecimiento de la Escuela Argentina de Microelectrónica, Tecnología y Aplicaciones (EAMTA: www.eamta.com.ar), se ha constituido en un centro nuclear de encuentro de todos los actores científicos, de empresas (nacionales y extranjeros) y estudiantes, con dinámica propia y que juega un rol preponderante en la actualidad.

8. Socios locales e internacionales

La sociedad local más importante se dá en torno a UNS, UCC, INTI, CNEA y CONAE por la complementación entre la tecnología que estos actores son capaces de producir, y el diseño de microchips dedicados.

INVAP es un socio de importancia, por sus varios proyectos de alto vuelo tecnológico.
Clariphy Argentina S. A. y Allegro Microsistemas son dos compañías de diseño de circuitos integrados, en las areas de Convertidores de datos de alta velocidad y Diseño analógico para electrónica de consumo, respectivamente. Estas dos empresas están en pleno proceso de crecimiento, y empleando de 2 a 3 personas por año, cada una. En la actualidad, este crecimiento se haya limitado por la disponibilidad de RRHH más que por ningún otro factor.

En el plano internacional, se cuenta con lazos consolidados con múltiples instituciones, con las cuales se han realizado/presentado propuestas de colaboración. Las instituciones son las siguientes:

1. Johns Hopkins University EEUU
2. University of California at San Diego, EEUU
3. Centro Microelectrónica de Sevilla, España
4. ETH, Suiza
5. Universidad de Sao Paulo, Brasil
6. Universidad Federal de Rio Grande do Sul, Brasil
7. INAOE, Mexico
8. Chonbuk, National University, Corea del Sur
9. National Chiao Tung University, Taiwan
10. Universidad de la República, Uruguay.

Resulta de particular importancia, la relación que se mantiene con centros nacionales de micro y nano electrónica. Dentro de ellos, se pueden destacar:

A. Centro Nacional de Microelectrónica de Sevilla. Contacto: Dr. José Luis Huertas; Director.
B. National System on Chip Program Office of Taiwan: Contacto: Dr. Chung-Yu Wu; Director.
C. CEITEC (Brasil). Contacto: Dr. Sergio Bampi; Gerente Técnico.
D. LETI (Grenoble). Contacto: Dr. Jean Bletry; Relaciones Institucionales.

9. Objetivos en el corto/mediano plazo (desarrollo de líneas y equipos de R&D, desarrollo empresario y comercial, desarrollo de recursos humanos)

Los objetivos en el corto y mediano plazo a conseguir para lograr un impacto en el sector productivo a través del desarrollo de Micro y Nanotecnología, son los siguientes:

- En primer lugar, lograr una masa crítica de cincuenta nuevos doctores en las universidades e instituciones de I+D del país. Esto es equivalente a multiplicar por cinco, aproximadamente, la cantidad de investigadores actualmente en la academia. Los nuevos doctores deberían formarse en diversas modalidades: a) en programas de posgrado en el país; b) idem a (a) pero con períodos intermedios en el exterior; c) en programas de posgrado en el exterior. Las temáticas de formación de estos RRHH son: Diseño analógico, diseño en radiofrecuencia (RF), diseño digital, diseño mixto, diseño tolerante a radiación, CAD-EDA y software de soporte, interfaces biológicas y biomédicas, interfaces a sensores, sensores, MEMS, NEMS, manejo de energía, Sistemas en chip (SoC), módulos híbridos, Sistemas en Encapsulado (SoP), Encapsulado, Testeo y verificación.

- En segundo lugar, lograr una masa crítica de magísters tecnológicos en condiciones de integrarse al sector productivo, en dos modalidades. La primera modalidad consiste en la formación de un volumen aproximado de 25 magísters por año (en 4 años) en el exterior en temáticas de alto interés comercial, en el marco de un programa shock de activación del sector productivo tecnológico. La segunda modalidad apunta a generar una producción continua de magisters/especialistas en el país, a razón de cinco de ellos por cada investigador por año, en las universidades e instituciones de I+D. En todos los casos, el objetivo principal de estos magíster/especialistas es volcarse al medio productivo, en las compañías de diseño existentes, en las compañías futuras, en emprendimientos propios, y en emprendimientos con empresas del rubro electrónico interesadas en incorporar tecnología de circuitos integrados.

- En tercer lugar, contar con un Instituto Nacional de Diseño, que coordine y articule esfuerzos, que asista y atienda las necesidades de las PYMES, promueva y difunda la incorporación de alta tecnología electrónica, negocie licencias y acuerdos con empresas e instituciones extranjeras. El instituto debería también coordinar estudios necesarios para una definición clara de las posibles unidades de negocio en torno a un nuevo sector como sería el de la industria argentina del semiconductor. Mas aún, este Instituto debería delinear un plan integral de desarrollo del negocio del diseño micro y nanoelectrónico en el país, estableciendo pautas sobre el manejo de la propiedad intelectual, la seguridad jurídica y cuestiones aduaneras.

- En cuarto lugar, posicionar la imagen del país como polo de generación tecnológica, mediante un fuerte apoyo logístico del estado (Relaciones Exteriores) en la ejecución de un plan integral de comunicación. Para ello se deben utilizar eficientemente sus recursos físicos (Embajadas y Consulados) y humanos (agregados comerciales y culturales) de manera de lograr penetrar altos centros de decisión (Empresas y Universidades) y así seducir inversiones genuinas a largo plazo.

- En quinto lugar, y complementando el punto anterior, contar con una decena de compañías de diseño instaladas en el país, alrededor de los centros de investigación y desarrollo que cuentan con masa crítica. Es deseable lograr incorporar entre estas compañías la participación de empresas especializadas de renombre internacional. Estas empresas deberán ser tentadas con el énfasis puesto en la generación de recursos humanos (un bien escaso en el mundo) y empleo, con medidas que aceleren la radicación de las mismas. El efecto de tracción que esto generaría recompensaría la inversión requerida.

10. Objetivos en el largo plazo (desarrollo de líneas y equipos de R&D, desarrollo empresario y comercial, desarrollo de recursos humanos)

El objetivo principal de largo plazo es el desarrollo de un medio privado de alto perfil tecnológico, que genere trabajo con un impacto apreciable en la economía del país. Uno de los objetivos principales es la generación de pequeñas y medianas empresas que produzcan productos (núcleos de propiedad intelectual, sistemas en chip, sensores inteligentes, sistemas electrónicos complejos) para el mercado externo e interno. Otro, es la instalación de empresas tecnológicas ya consolidadas en terreno nacional.

Otro objetivo es multiplicar los grupos de investigación y desarrollo, y los grupos tecnológicos a lo largo del país, de manera que el sector científico cuente con una masa crítica suficiente para apoyar y enriquecer a través de la innovación el desarrollo de la actividad privada. Se debería contar con más de diez centros de I+D y tecnológicos, con una masa crítica no menor a diez doctores en cada uno de ellos.

Se debería contar con una infraestructura de equipamiento de avanzada para el desarrollo de MEMS, nanoestructuras, comunicaciones de alta frecuencia (GHz) y sistemas mixtos bio-electrónicos, suficiente para liderar desarrollos tecnológicos en estas áreas. Además haría falta una línea de fabricación de circuitos integrados de baja escala (NO de avanzada) -mayormente para diseños analógicos- que sirva para ampliar la base de conocimiento en tecnologías de fabricación, proveer la electrónica de consumo nacional, la formación de tecnólogos, magísters y PhD’s, y liderar la fabricación de prototipos del sistema educativo.

11. Factibilidad de alcanzar los objetivos, considerando escenarios optimista, pesimista y muy optimista.

En un escenario muy optimista, el estado provee un apoyo inicial decisivo a la formación de RRHH con colaboración internacional y atrae un buen número (más de cinco) de empresas de diseño. En este escenario, resulta muy factible esperar que se logre un número de graduados de magíster que se vuelquen a la actividad privada, tanto en las empresas atraídas, como en emprendimientos propios exportando tecnología. Asimismo, las compañías nacionales de electrónica aceptan el salto tecnológico, y lo financian, produciendo una oferta de empleo, incorporando circuitos integrados, y elevando el valor agregado de sus productos. En este escenario, también es muy factible un desarrollo de la capacidad académica que logra una masa crítica en las universidades, suficiente como para abastecer el volumen requerido de magisters en el sector privado, y para enfrentar los desafíos tecnológicos futuros. Argentina aparece en el mapa internacional como un exportador de producción de tecnología, dinamiza y actualiza su industria nacional de tecnología.

En un escenario optimista, el estado provee un apoyo mediano, brindando un número satisfactorio de becas de magíster y doctorado, con algunas de ellas destinadas a especialización en el exterior. Se atraen un par de empresas de diseño. En este escenario, se logra una masa crítica de tecnólogos/investigadores en las universidades. Se produce también un número adecuado de maestrías. Las empresas toman un buen número de los especialistas formados, lo cual mantiene un ritmo de crecimiento sostenido tanto al nivel de formación de RRHH como de empleo. La falta de formación en el exterior, hace que no se dé inicialmente una cantidad nutrida de emprendimientos para la exportación de tecnología. Surgen emprendimientos locales en conjunción con empresas nacionales de electrónica, las cuales dinamizan la producción de tecnología y empleo. Argentina dinamiza y actualiza su industria nacional de tecnología. Consigue las bases suficientes para encarar una fase siguiente y transformarse en exportador de tecnología.

En un escenario pesimista, no hay un apoyo decisivo, se consigue un número reducido de becas, solamente doctorales. Las becas de maestrías son provistas en números bajos por las empresas existentes en el medio. No se logra atraer ninguna empresa. En este escenario, la formación de RRHH se torna lo suficientemente lenta como para no producir el efecto multiplicativo. Se producen algunas maestrías, las cuales obtienen trabajos fácilmente en las empresas financiadoras, no obstantes, éstas no alcanzan a satisfacer sus necesidades de incorporación de personal. El crecimiento en la academia es lento, y no alcanza a potenciar el sector privado. No hay masa crítica para proveer la demanda de las industrias nacionales de electrónica, ni se genera en ellas un interés notable. No se exporta tecnología.

12. Porque Argentina debería invertir recursos en esta área? (seria interesante un análisis tipo FODA)

Fortalezas: Independencia tecnológica, aprovechamiento de recursos hasta ahora invertidos, capacidades distribuidas, Nivel educativo de los estudiantes de ingeniería, Costos competitivos
Oportunidades: Ámbito industrial floreciente, etapa histórica en Sudamérica, RRHH en formación, centros académicos y de capacitación robustos, laboratorios tecnológicos estatales de alta complejidad, posible acompañamiento de microelectrónica con el crecimiento de IT en el país.

Debilidades: falta de comunicación y desconocimiento industria-academia, falta de masa crítica de RRHH, falta de un programa específico financiado por el estado, ausencia de un medio productivo que provea inversiones de riesgo y empleo
Amenazas: falla en la asociatividad entre el sector de diseño y los sectores de producción de tecnología y software; ausencia de acompañamiento del estado con políticas de apoyo; falta de interés de ingenieros y fondos insuficientes para la producción de una masa crítica de RRHH

13. Medidas concretas para alcanzar los objetivos, realizables entre 2008 y 2011.

Financiar un programa de formación de Maestrías y Doctores, con la flexibilidad adecuada para la concreción de los objetivos deseados, contemplando la formación en el exterior.
Completar la formación del Instituto de Diseño con una estructura geográfica distribuida. Garantizar el financiamiento para la obtención de licencias comerciales y servicios de fabricación.
Crear un programa especial que financie los puestos de los especialistas generados en empresas tecnológicas existentes y en nuevos emprendimientos.
Fomentar la instalación de 3 empresas extranjeras con fuertes lazos a los proyectos de generación de recursos humanos y establecimiento de desarrollo tecnológico en Argentina.

Personas involucradas en la confección de este documento

Pedro Julián, UNS
Pablo Mandolesi, UNS
Alejandro Oliva, UNS
Javier Orozco, UNS
Osvaldo Agamennoni, UNS
Luis Toledo, UCC
Pablo Petrashin, UCC
Walter Lancioni, UCC
Manuel Greco, XOLSA
Alberto Anesini, INTI
Daniel Lupi, INTI
Maximiliano Fischer, CNEA
Gerardo Monreal, Allegro Microsistemas SA