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Un nuevo componente electrónico para reemplazar el almacenamiento ‘flash’
Investigadores financiados por la Fundación Nacional de Ciencia de Suiza han creado un nuevo componente electrónico que podría reemplazar el almacenamiento flash. Este dispositivo denominado memristor podría utilizarse también para nuevos tipos de equipos.
Dos gigantes de las TIC, Intel y HP, han entrado en una carrera para producir una versión comercial de memristores, un nuevo componente de la electrónica que podría reemplazar algún día a la memoria flash (DRAM) usada en dispositivos de memoria USB, tarjetas SD y discos duros SSD. «Básicamente, los memristores requieren menos energía ya que trabajan con tensiones más bajas«, explica Jennifer Rupp, profesor en el Departamento de Materiales en la ETH Zurich . «Se pueden hacer mucho más pequeños que los módulos de memoria actuales, y por lo tanto ofrecen mucha mayor densidad. Esto significa que pueden almacenar más megabytes de información por milímetro cuadrado.» Pero actualmente los memristores tan solo están en la fase de prototipo.
Computación menos rígida
Junto con su colega químico Markus Kubicek, Jennifer Rupp ha construido un memristor basado en una lámina de perovskita de solo cinco nanómetros de espesor. Y lo interesante es que ha demostrado que el componente tiene tres estados resistivos estables. Como resultado, no sólo puede almacenar el 0 o 1 de un bit estándar, sino también puede ser utilizado para la información codificada por tres estados – el 0, 1 y 2 de un «trit». «Nuestro componente podría por lo tanto también ser útil para un nuevo tipo de TIC que no se base en la lógica binaria, sino en una lógica que proporciona información situada» entre «el y el 1,» continúa Jennifer Rupp. «Esto tiene implicaciones interesantes para lo que se conoce como la lógica difusa, que busca incorporar una forma de incertidumbre en el tratamiento de la información digital. Usted podría describir como la computación menos rígida«.
Otra aplicación potencial es la computación neuromórfica, cuyo objetivo es utilizar componentes electrónicos para reproducir la forma en que las neuronas en el cerebro procesan la información. «Las propiedades de un memristor en un punto dado en el tiempo dependen de lo que ha sucedido antes«, explica Jennifer Rupp. «Esto imita el comportamiento de las neuronas, que sólo transmitir la información una vez que se ha alcanzado un umbral de activación específica«.
En primer lugar, los investigadores de ETH Zurich han caracterizado en gran detalle las formas en las que el componente funciona, mediante la realización de estudios electroquímicos. «Hemos sido capaces de identificar a los portadores de carga eléctrica y entender su relación con los tres estados estables«, explica el investigador. «Este es un conocimiento extremadamente importante para la ciencia de materiales que serán útiles en el perfeccionamiento de la forma en el almacenamiento y operar en la mejora de su eficiencia«.
El cuarto componente
El principio del memristor fue descrito por primera vez en 1971, como el cuarto componente básico de los circuitos electrónicos (junto a resistencias, condensadores e inductancias). Desde la década de 2000, los investigadores han sugerido que ciertos tipos de memoria resistiva podrían actuar como memristores.
Ampliar información en: Memristor chip could lead to faster, cheaper computers
Más información:
Markus Kubicek et al. Uncovering Two Competing Switching Mechanisms for Epitaxial and Ultrathin Strontium Titanate-Based Resistive Switching Bits, ACS Nano (2015). DOI: 10.1021/acsnano.5b02752
Serias dudas sobre si el memristor ha sido realmente fabricado
Leon O. Chua predijo en 1971 que existía un cuarto elemento de circuitos eléctricos pasivos que completa al trío de los que tienen dos terminales, la resistencia, el condensador y la inductancia, al que llamó memristor (memory resistor). En 2008 científicos de Hewlett-Packard (HP Labs) liderados por R. Stanley Williams publicaron en Nature la fabricación mediante nanotecnología del primer memristor. Muchos pusimos a Chua (y también a Williams) en la antesala del Premio Nobel de Física. Hoy en día, mucha gente duda del artículo publicado en Nature. Un memristor se basa en el flujo magnético y no se puede usar como dispositivo de memoria, porque es un elemento pasivo; sin embargo, el nanodispositivo de los HP Labs no se basa en el flujo magnético y actúa como un almacén de memoria, como un elemento activo. Estas dudas son poco importantes para los HP Labs y para las tecnologías presentes y futuras basadas en su dispositivo, como las MRAM, pero suponen un duro golpe en la carrera hacia el Nobel de Física si el memristor predicho aún no ha sido fabricado. Nos lo cuenta mucha gente, por ejemplo, Sascha Vongehr, “The Missing Memristor: Novel Nanotechnology or rather new Case Study for the Philosophy and Sociology of Science?,” arXiv:1205.6129, 1 Mar 2012, y Paul Meuffels, Rohit Soni, “Fundamental Issues and Problems in the Realization of Memristors,” arXiv:1207.7319, Subm. 31 Jul 2012.
Las críticas hacia el artículo publicado en 2008 por los HP Labs provienen de varios frentes. Por un lado, el diseño de su memristor es similar a otros dispositivos conocidos desde 1995, pero cuyos autores respectivos en ningún momento proclamaron que se tratara de memristores; si los dispositivos anteriores no eran memristores, por qué iba a serlo el nuevo. Por otro lado, se conocen circuitos basados en resistencias, condensadores e inductancias que describen muy bien el funcionamiento del dispositivo de los HP Labs, algo que debe ser imposible con un memristor; si es posible es porque no es un memristor. Más aún, desde 2008 se ha ido imponiendo una nueva definición del memristor que es compatible con el dispositivo de los HP Labs, pero que viola ciertas propiedades de la propuesta original de memristor de Chua. Finalmente, el modelo teórico utilizado por Williams para validar el funcionamiento correcto de su dispositivo no corresponde con la definición original de memristor de Chua. Pero los críticos tienen un gran problema, se ha apuntado tanta gente al carro de investigar en “memristores,” que lograr que una revista prestigiosa acepte un artículo con críticas razonadas al trabajo publicado en Nature raya lo imposible. Los críticos se han convertido en una minoría disidente.
Más info sobre memristores en este blog:
Un modelo biomimético de la retina humana basado en memristores nanotecnológicos
El futuro de la ley de Moore, el memristor y la Fórmula 1
Publicado en Nature: Memorias flash “inteligentes” que utilizan memristores nanotecnológicos
Memorias flash rápidas basadas en un memristor nanotecnológico
Fuente: Francis (th)E mule Science’s News
¿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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