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Computación

Cinco posibles alternativas del silicio para los transistores

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Se han propuesto muchos sucesores a lo largo de los años, con materiales como el dióxido de titanio o el carbono. Reducir la cantidad de datos para transferir o ser más eficientes energéticamente son algunas de sus características, aunque no han conseguido (aún) desplazar al tradicional componente

  • por Lakshmi Chandrasekaran | traducido por Ana Milutinovic
  • 04 Noviembre, 2021

Cuando se creó el primer transistor, en 1947, pocos podrían haber imaginado el impacto final de este dispositivo, el interruptor que se encuentra en el corazón de los chips lógicos.

Tenemos que agradecer al silicio por la gran toma de poder de la informática. Si se añade una pizca de impurezas al elemento, el silicio forma un material casi ideal para los transistores en los chips de ordenador.

Durante más de cinco décadas, los ingenieros han ido reduciendo los transistores basados en silicio y han creado ordenadores cada vez más pequeños, más rápidos y con mayor eficiencia energética en el proceso. Pero la larga racha de victorias tecnológicas y la miniaturización que eso ha permitido no pueden durar para siempre. "Existe una necesidad de tecnología para vencer al silicio, porque estamos llegando a enormes limitaciones", afirma el científico computacional de AMD en California (EE. UU.) Nicholas Malaya.

¿Cuál podría ser esta tecnología sucesora? No han sido pocos los enfoques informáticos alternativos propuestos en los últimos 50 años. Presentamos cinco de los más memorables. Todos crearon mucha expectativa, pero acabaron derrotados por el silicio. No obstante, quizás todavía haya algo de esperanza para ellos.

La espintrónica

icono de espintrónica

Los chips de ordenadores se construyen alrededor de las estrategias para controlar el flujo de los electrones; más específicamente, su carga. Sin embargo, además de la carga, los electrones también tienen un momento angular, o espín, que se puede manipular con los campos magnéticos. La espintrónica surgió en la década de 1980, con la idea de que el espín se podría usar para representar los bits: una dirección podría representar el 1 y la otra el 0.

En teoría, los transistores espintrónicos se pueden hacer pequeños, lo que permite tener los chips densamente colocados. Pero en la práctica ha sido difícil encontrar las sustancias adecuadas para construirlos. Los investigadores aseguran que todavía se tiene que estudiar una gran parte de la ciencia de los materiales básicos.

No obstante, las tecnologías espintrónicas se han comercializado en algunas áreas muy específicas, según afirma el físico aplicado de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York (EE. UU.) Gregory Fuchs. Por ahora, el mayor éxito de la espintrónica ha sido la memoria no volátil, que evita la pérdida de datos en caso de corte de energía. STT-RAM ("memoria de acceso aleatorio de fuerza de torsión de transferencia de espín") ha estado en producción desde 2012 y se puede encontrar en las instalaciones de almacenamiento en la nube.

Los memristores

La electrónica clásica se basa en tres componentes: condensador, resistor e inductor. En 1971, el ingeniero eléctrico Leon Chua teorizó un cuarto componente que denominó memristor, por memory resistor o resistor con memoria. En 2008, los investigadores de Hewlett-Packard desarrollaron el primer memristor práctico utilizando dióxido de titanio.

Fue emocionante porque, en teoría, los memristores se pueden usar tanto para la memoria como para la lógica. Estos dispositivos "recuerdan" la última tensión aplicada, por lo que retienen la información incluso si están apagados. También se diferencian de los resistores ordinarios en que su resistencia puede cambiar dependiendo de la cantidad de la tensión aplicada. Esta modulación se puede utilizar para realizar operaciones lógicas. Si se llevan a cabo dentro de la memoria de un ordenador, esas operaciones pueden reducir la cantidad de datos que se deben transferir entre la memoria y el procesador.

Los memristores tuvieron su debut comercial como almacenamiento no volátil, llamado RRAM o ReRAM, para "memoria de acceso aleatorio resistivo". Pero el campo sigue avanzando. En 2019, los investigadores desarrollaron un chip de 5.832 memristores que se puede usar para la inteligencia artificial.

Nanotubos de carbono

El carbono no es un semiconductor ideal. Pero en las condiciones adecuadas puede formar nanotubos que sí que son excelentes semiconductores. Los nanotubos de carbono se crearon por primera vez en transistores a principios de la década de 2000, y los estudios mostraron que podrían ser 10 veces más eficientes en energía que el silicio.

De hecho, de los cinco transistores alternativos presentados aquí, los nanotubos de carbono puede que sean los más avanzados. En 2013, los investigadores de la Universidad de Stanford (EE. UU.) construyeron el primer ordenador funcional del mundo impulsado completamente por los transistores de nanotubos de carbono, aunque bastante sencillo.

Pero los nanotubos de carbono tienden a enrollarse en bolitas y agruparse como espaguetis. Además, la mayoría de los métodos convencionales de síntesis hacen que los nanotubos metálicos y semiconductores sean una combinación complicada. Los científicos de materiales e ingenieros han estado investigando distintas formas para corregir y solucionar estas imperfecciones. En 2019, los investigadores del MIT utilizaron técnicas mejoradas para fabricar un microprocesador de 16 bits con más de 14.000 transistores de nanotubos de carbono. Eso todavía está lejos de ser un chip de silicio con millones o miles de millones de transistores, pero de todos modos es un progreso.

Computación con el ADN

En 1994, el informático de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles (EE. UU.)) Leonard Adleman creó un ordenador con una sopa de ADN. Demostró que el ADN podía autoensamblarse en un tubo de ensayo para explorar todos los posibles caminos en el famoso problema del "vendedor ambulante o viajero". Los expertos predijeron que la computación del ADN superaría a la tecnología basada en silicio, especialmente con la computación paralela masiva. Más tarde, los investigadores concluyeron que la computación del ADN no era lo suficientemente rápida para lograrlo.

Pero el ADN tiene algunas ventajas. Los investigadores han demostrado que es posible codificar la poesíalos gif y las películas digitales en las moléculas. La posible densidad es asombrosa. Los ingenieros biológicos del MIT estimaron en un artículo a principios de este año que todos los datos digitales del mundo se podrían almacenar en una taza de café llena de ADN. El problema es el coste: un coautor especificó más tarde que la síntesis de ADN tendría que ser seis órdenes de magnitud más barata para competir con la cinta magnética.

A menos que los investigadores puedan reducir el coste del almacenamiento de ADN, la materia de la vida permanecerá atrapada en las células.

Electrónica molecular

icono de molécula

Se trata de una visión convincente: los transistores son cada vez más pequeños, así que ¿por qué no dar un paso adelante y convertirlos en moléculas individuales? Los interruptores de escala nanométrica darían un chip sumamente rentable y denso. Los chips incluso podrían ensamblarse por sí mismos gracias a las interacciones entre las moléculas.

Los grupos de Hewlett-Packard y de otros lugares competían a principios de la década de 2000 para que la química y la electrónica funcionaran juntas.

Pero después de varias décadas de trabajo, el sueño de la electrónica molecular sigue siendo solo eso. Los investigadores han descubierto que las moléculas individuales pueden ser delicadas, ya que funcionan como transistores solo en unas condiciones muy concretas. "Nadie ha demostrado cómo los dispositivos de una sola molécula pueden integrarse de manera fiable en la microelectrónica masivamente paralela", afirma el químico de la Universidad de Alberta (Canadá) Richard McCreery.

El sueño de la electrónica molecular no ha muerto por completo, pero en la actualidad está relegado en gran medida a los laboratorios de física y química, donde los investigadores siguen luchando para controlar esas moléculas infinitamente inconstantes.

¿Qué viene después?

El silicio aún reina a lo grande, pero se está acabando el tiempo para el semiconductor favorito de todos. La última hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas (IRDS) sugiere que se espera que los transistores dejen de reducirse después de 2028 y que los circuitos integrados deban acabar en tres dimensiones para seguir haciendo posible la creación de chips más rápidos y eficientes.

Este podría ser el momento en el que otros dispositivos informáticos encuentren un hueco, pero solo en conjunto con la tecnología de silicio. Los investigadores ya están explorando algunos enfoques híbridos para fabricar los chips. En 2017, los científicos que habían progresado con los transistores de nanotubos de carbono los integraron con capas de memristores no volátiles y dispositivos de silicio, como prototipo de un enfoque para mejorar la velocidad y el consumo de energía en la computación alejándose de la arquitectura tradicional.

Los chips clásicos basados en silicio seguirán avanzando, opina Malaya, de AMD. Pero añade: "Creo que el futuro será heterogéneo, en el que todas las tecnologías se utilizarán probablemente de forma complementaria a la computación tradicional".

En otras palabras, el silicio seguirá siendo el futuro. Pero otras cosas también lo serán.

Lakshmi Chandrasekaran es una escritora científica independiente con sede en Chicago.

Computación

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