NANOPROCESADORES : Increíblemente pequeños y rápidos

(Última Actualización: mayo 31, 2019)

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La nanotecnología y los microprocesadores

Un procesador normal de computadora hoy en día es del tamaño de una uña y consiste en más de mil millones de transistores. El número de transistores se ha duplicado cada 18 meses. Pero con esta tendencia en el desarrollo de hardware conocida como «Ley de Moore», los ingenieros informáticos están empezando a tener problemas. Hoy en día, los transistores tienen un tamaño promedio de 30 nanómetros. Son 30 mil millonésimas de metro. Son 800 veces más delgadas que un cabello humano.

Si su número se duplica a dos mil millones con un procesador de computadora convencional, un solo transistor puede tener un tamaño de sólo 16 nanómetros. De acuerdo con la Ley de Moore, un tamaño de transistor de dos a tres nanómetros debería ser alcanzado a finales de esta década. Esto conduce a dificultades masivas. «Entonces tendremos que tratar con dimensiones tan pequeñas que el flujo controlado de electrones ya no puede ser controlado», dice Paul Seidler del Centro de Nanotecnología, que el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich e IBM operan conjuntamente en Rüschlikon, Suiza.

«Nuevos transistores y materiales»

Increíblemente pequeño y rápido

«La solución es fabricar nanoestructuras con nuevos transistores y materiales», dice el Premio Nobel de Física Gerd Binnig: «Sólo tenemos que aplicar sistemáticamente la mecánica cuántica y construir el nanoprocesador.

Para el físico Binnig de Frankfurt, todo esto no va lo suficientemente rápido. Por eso, en conferencias y congresos internacionales, anima a sus colegas no sólo a desarrollar los elementos individuales para el futuro nanoprocesador de forma aislada, sino también a crear al mismo tiempo una estructura para el nanoprocesador. «Incluso el ordenador actual consiste no sólo en un conjunto de elementos de conmutación, sino también en una estructura», dice Binnig con una advertencia.

Sólo quedan tres nanómetros

Los nanocables y la computación con espín de electrones ya son conceptos actuales para los componentes individuales de un futuro nanoprocesador. «Los nanocables se parecen al cabello humano, pero son entre 2000 y 5000 veces más delgados», explica Heike Riel, del Centro de Nanotecnología de Rüschlikon.

Heike Riel y su equipo están utilizando nanocables para construir transistores muy pequeños y potentes de sólo tres nanómetros de tamaño. El pequeño diámetro del nanocable y su forma cilíndrica son especialmente importantes. Esto permite que el electrodo que conmuta la corriente eléctrica sea enrollado completamente alrededor de un nanocable.

Cero y uno – en algún momento esto ya no funciona.

En el transistor, un electrodo activa y desactiva el flujo de corriente. Relevante para los sistemas digitales: Si la corriente fluye, se aplica el estado On o 1; si no fluye la corriente, se muestra un 0 (Off). El PC calcula con estos dos valores 0 y 1. Con la miniaturización convencional, el electrodo ya no puede controlar completamente el flujo de corriente en el transistor. Por lo tanto, el transistor ya no puede conectarse y desconectarse con precisión.

Esta dificultad se puede resolver con un nanocable. Debido a que el electrodo encierra completamente el nanocable, también puede controlar el flujo de corriente a través del nanocable desde todos los lados. Esto permite controlar el flujo controlado de electrones. Tampoco hay más corrientes de fuga como en el caso de los microprocesadores convencionales, donde se pierden electrones. El electrodo tiene todos los electrones del nanocable bajo su control.

En el caso de los transistores basados en nanocables, diferentes materiales -como el costoso arseniuro de galio o el arseniuro de indio, que es difícil de fabricar- también pueden combinarse con el material de procesador clásico, el silicio de bajo coste. La ventaja decisiva es la increíblemente pequeña sección transversal del nanocable.

Un billón de operaciones aritméticas por segundo

Si, por ejemplo, un superordenador con una salida de un billón de operaciones aritméticas por segundo debe estar equipado con un semiconductor hecho de arseniuro de indio sobre silicio, los nanocables evitan las grietas que se observan a menudo en la producción de semiconductores. «La distancia entre los átomos del cristal de silicio y la distancia entre los átomos del cristal de arseniuro de indio es diferente», explica Heike Riel.

Si se coloca un cristal de arseniuro de indio sobre un cristal de silicio, entonces una distancia entre los átomos debe ser ligeramente comprimida y la otra ligeramente estirada para que los átomos en las celosías cristalinas de diferentes longitudes se encuentren exactamente en la interfaz. «Esto lleva al estrés en el material y por lo tanto a grietas en el cristal», ha experimentado Riel a menudo durante la producción de chips de ordenador.

no hay flujo de electricidad, el consumo de energía incluso baja a cero.

El nanocable tiene una sección transversal tan pequeña que las distancias entre los átomos en la red cristalina ya no juegan ningún papel. «Debido a que la superficie de contacto del nanocable es tan pequeña, las distancias entre los átomos en la red cristalina ya no tienen que ser distorsionadas», explica Riel, «la superficie de contacto es tan pequeña que cabe en cada átomo en cualquier punto de la red cristalina. Estas combinaciones de materiales, en las que se pueden combinar materiales semiconductores anteriormente incompatibles como el arseniuro de indio y el silicio, son especialmente adecuadas para la producción de transistores de efecto túnel con un consumo de energía muy bajo. Anteriormente, se requería una tensión de funcionamiento de un voltio para encender y apagar un transistor de diseño convencional. Sin embargo, una mayor potencia de cálculo requiere que se enciendan y apaguen más transistores de forma más rápida. «Esto conduce a un mayor consumo de energía y a un gran esfuerzo de enfriamiento», señala Riel. Con los transistores de efecto de campo de túnel hechos de nanocables, una tensión de funcionamiento de 0,3 voltios es suficiente para poder representar un 1 digital con el transistor encendido. Si no fluye corriente, el consumo de energía en este estado de espera incluso baja a cero. Estos transistores consumen aproximadamente diez veces menos energía.

Hasta ahora, los bits a procesar por el PC han sido codificados con la carga eléctrica de los electrones. Los nanotecnólogos quieren lograr un mayor ahorro de energía, combinado con una considerable miniaturización del nanoprocesador, utilizando el momento magnético de los electrones para codificar los bits y no la carga de los electrones. El momento magnético proviene del momento angular intrínseco del electrón y se llama espín. Tal electrón puede girar alrededor de sí mismo. Los informáticos sólo tienen que determinar el eje de rotación si quieren representar secuencias de bits en el sistema binario.

La rotación inherente de los electrones entra en juego

El electrón también puede girar a la izquierda o a la derecha. La rotación izquierda puede ser un uno, la rotación derecha un cero. Aquí los científicos todavía tienen que ponerse de acuerdo sobre la dirección de la rotación y su definición. El transistor se puede cambiar muy rápidamente y con poca energía de 0 a 1 simplemente cambiando el eje de rotación del giro en 180 grados.

«Esto no sólo permite operaciones lógicas muy rápidas y energéticamente eficientes, sino que también puede utilizarse para construir un ordenador cuántico», afirma el profesor Klaus Ensslin, del Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich. Los ordenadores cuánticos no sólo conocen los estados 0 y 1 como sus predecesores digitales, sino también un estado en el que tanto 0 como 1 son posibles.

Los investigadores hablan aquí de una «superposición coherente de los dos estados». En un ordenador cuántico, los estados 0 y 1 pasan simultáneamente. Los bits cuánticos se encuentran entonces en el estado de superposición. Y como 0 y 1 están presentes simultáneamente, también se pueden calcular simultáneamente. Los ceros y los unos se siguen utilizando para el cálculo, de modo que las manipulaciones de bits se pueden llevar a cabo como con los ordenadores convencionales. Los bits se representan generalmente como corriente que fluye o no fluye. Por lo tanto, los bits también se activan o desactivan en los ordenadores cuánticos. Pero como los estados 0 y 1 están presentes simultáneamente, también se pueden calcular simultáneamente. Esto resulta en la alta velocidad de los futuros ordenadores cuánticos.

Superordenador exaflops

Klaus Ensslin ahora toma los giros, es decir, la rotación intrínseca de los electrones, como portadores de bits cuánticos. Los electrones están atrapados en una capa de átomos de carbono conectados por dos contactos. «Por lo tanto, se puede ver que un nanoprocesador también se puede utilizar en ordenadores cuánticos», dice Gerd Binnig. A diferencia de los transistores basados en nanocables, que se espera que estén listos para el mercado en unos cinco años, no se espera que estos ordenadores cuánticos se lancen en los próximos años. Sin embargo, el enfoque generalmente está avanzando en el trabajo de desarrollo del nanoprocesador, porque el transistor individual se lleva a una estructura a nivel nano, dicen los científicos.

Sin embargo, los investigadores no tienen mucho tiempo. El desarrollo del superordenador exaflops, que el profesor Hans Meuer y otros expertos en supercomputación pronostican que estará listo para el mercado en 2019, ya requiere numerosos elementos de conmutación nano. Si el ordenador exaflops, que se espera que cree un billón de operaciones informáticas, tendrá ya un nanoprocesador completo, es un tema de disputa entre los desarrolladores de superordenadores. «Apenas se puede comprometer a tres o cinco años», dice Hans Meuer, quien anualmente calcula y establece el ranking de las 500 supercomputadoras más rápidas del mundo.

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