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¿Qué son los memristores?

En 1971 un ingeniero eléctrico llamado Leon Chua que tenía cierta inclinación por las matemáticas, se dio cuenta de que la electrónica carecía de fundamentos matemáticos rigurosos, por lo que se propuso derivarlos.

Creía que en el conjunto de componentes básicos para circuitos (compuesto por el clásico trío: resistor, capacitor e inductor) había algo que faltaba.

Para comprobarlo Chua examinó las cuatro magnitudes básicas que definen un circuito eléctrico: carga eléctrica, corriente, flujo magnético y voltaje. Las matemáticas indicaban que con cuatro magnitudes interrelacionadas, deberían aparecer seis clases de relaciones.

La carga eléctrica y la corriente se relacionan entre si por definición, puesto que la segunda es la variación que se da en la primera a lo largo del tiempo.

Lo mismo sucedía con el flujo magnético y el voltaje. Por definición, el voltaje es la variación en el tiempo que experimenta el flujo magnético.

Chua ya tenía dos de las 6 asociaciones posibles, y sabía que otras 3 correspondían a los tres elementos básicos de los circuitos tradicionales:

Un resistor (o resistencia) es un dispositivo que crea un voltaje cuando la corriente pasa a su través.

Un capacitor (o condensador) es un dispositivo que para cierto voltaje dado almacena cierta cantidad de carga.

Un inductor (o bobina) es un dispositivo que crea un flujo magnético cuando es atravesado por una corriente.

La sexta (y desconocida) relación sugería entonces que debería existir un cuarto tipo de dispositivo que relacionase la carga y el flujo magnético. ¿Pero dónde estaba ese dispositivo? No se sabía.

Lo único que pudo hacer Chua entonces fue ponerle nombre (lo bautizó memristor, un cruce entre los términos memory y resistor que podríamos definir como “resistencia con memoria”) y determinar la clase de cosas que este dispositivo podría hacer.

Según él, el memristor debería generar un voltaje a partir de una corriente al igual que hacen las resistencias pero de un modo mucho más complejo y dinámico. Chua imaginó que este eslabón perdido de la electrónica podría “recordar” la corriente que había fluido a su través en instantes pasados.

Su trabajo era teóricamente muy elegante pero indemostrable. ¿Cómo es posible que nadie hubiera visto algo así nunca? No es de extrañar que poco después del nacimiento ideológico del memristor, Chua abándonase el concepto.

Y así permaneció 29 años hasta que Stan Williams (de los Laboratorios Hewlewtt-Packard en Palo Alto, California) creó accidentalmente en el año 2000 el primer dispositivo resistencia-con-memoria.

Williams y su equipo se preguntaban si podría crearse un interruptor rápido de de baja potencia conectando entre si dos diminutas resistencias de dióxido de titanio, de modo que la corriente de una pudiera usarse para – de algún modo – conmutar la resistencia en la otra en forma de encendido y apagado.

Y Williams descubrió que en efecto podía, pero que la resistencia en esta clase de interruptores se comportaba de un modo tan errático que resultaba imposible de predecir empleando modelos convencionales.

Durante tres años Williams no pudo explicar lo que sucedía, y entonces – gracias al chivatazo de un colega – descubrió el trabajo de Leon Chua en 1971. ¡Aquello fue una revelación! Las ecuaciones que Williams había creado para tratar de describir el funcionamiento de sus resistencias interconectadas se parecían muchísimo a las derivadas por Chua en su trabajo teórico.

Además Williams pudo explicar por qué nunca se había visto un memristor con anterioridad. Su efecto depende de movimientos a escala atómica, por lo que solo pude apreciarse cuando se trabaja con dispositivos a nanoescala. En escalas milimétricas, los memristores son esencialmente invisibles.

¿Pero qué es lo que sucedía en las resistencias interconectadas de Williams?

En su estado puro de unidades de repetición compuestas por un átomo de titanio y dos de oxígeno, el dióxido de titanio es semiconductor. Pero si calentamos el material, algunos átomos de oxígeno se van dejando burbujas cargadas eléctricamente que hacen que este comience a comportarse como un metal.

En los interruptores de Williams, la resistencia superior está hecha con un semiconductor puro, y la inferior de un metal deficiente en oxígeno. Cuando se aplica un voltaje al dispositivo, este empuja a las burbujas con carga del metal hacia arriba, lo cual reduce radicalmente la resistencia del semiconductor, convirtiéndole en un verdadero conductor. Cuando se aplica un voltaje en la otra dirección el tiovivo gira en sentido contrario; las burbujas descienden de nuevo a la capa inferior y la resistencia superior vuelve a su estado de semiconductor.

Lo increíble es que cada vez que se desconecta el voltaje, el tiovivo se detiene y la resistencia permanece congelada. Cuando se vuelve a conectar el voltaje, el sistema es capaz de “recordar” en qué punto se encontraba “despertando” en el mismo nivel de resistencia que mostraba antes del apagado.

No hace falta que os diga el potencial de esta tecnología. Imaginaos que podamos remplazar las memorias flash por otras mucho más pequeñas, densas y rápidas (se podría grabar información en unos pocos nanosegundos, empleando apenas unos picojulios de energía) que careciesen de transistores, y que una vez escritas conservaran los datos incluso aunque se les privase de energía. Una nueva treta para que siga cumpliéndose la ley de Moore.

¿Es este el fin de la historia? Si solo hablásemos de un gran avance en componentes electrónicos así sería. Pero es que los memristores parecen tener también la respuesta al modo en que funciona nuestro cerebro.

Si queréis saber cómo, mañana os hablaré de un ser monocelular (un extraño moho baboso llamado Physarum polycephalum) que es capaz de recordar cosas a pesar – lógicamente – de carecer de neuronas. Y por supuesto, también hablaré de las sinapsis en nuestros cerebros y de cómo el flujo de los iones de sodio y potasio a través de las membranas de nuestras neuronas recuerda tremendamente al funcionamiento de los memristores.

¿Marcará este nuevo conocimiento el nacimiento de una nueva era en inteligencia artificial? Solo el tiempo lo dirá.

Información obtenida del artículo Memristor minds: The future of artificial intelligence (autor: Justin Mullins para New Scientist).

Fuente: Maikelnai’s blog

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