Seguramente más de una vez te has frustrado por la lentitud de tus aparatos electrónicos: computadora, teléfono celular, tableta, video juego o smart TV. Son varios los factores que pueden ocasionarla, como hardware obsoleto, memoria llena, software desactualizado, configuración y ajustes inapropiados. Enfoquemos nuestra atención en el hardware, especialmente en la unidad central de procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés), que es el “cerebro” de estos dispositivos y desempeña un papel crucial en su velocidad.
Para que los aparatos electrónicos funcionen, sus CPUs requieren una gran cantidad de transistores.
Los avances en tecnología han llevado a mejoras significativas en la velocidad intrínseca de los CPUs. Pero, ¿cómo realizan los procesos estos dispositivos? Trabajan en un lenguaje de dos estados (para llevar a cabo diferentes operaciones): “prendido-apagado”, “arriba-abajo”, o “1-0”, un lenguaje binario donde a cada estado se le conoce como “bit” (ver Figura 1). Los humanos usamos lenguajes de programación y compiladores para convertir nuestras instrucciones al lenguaje binario de las computadoras.
Figura 1. El número decimal 10 en binario está representado por la secuencia 1010.
En un CPU, el dispositivo elemental que produce los estados “1” y “0” es el transistor que, mediante una compuerta, permite el paso (estado “1”) o bloquea el paso (estado “0”) de una corriente eléctrica (flujo de electrones)1. Los transistores controlan el flujo de corriente eléctrica con la carga del electrón. Así, la electrónica es la disciplina que se dedica a producir sistemas físicos que emplean la carga eléctrica para el control de un flujo de electrones.
Para que nuestros aparatos electrónicos funcionen, sus CPUs requieren una cantidad enorme de transistores que les permitan realizar operaciones de forma rápida y eficiente. Estos están integrados en un elemento fundamental de la electrónica: el chip, que es un trozo de silicio, aproximadamente del tamaño de una uña (ver Figura 3).
A mayor cantidad de transistores en un chip, se pueden realizar más operaciones y cálculos simultáneos.
A medida que aumenta la cantidad de transistores en un chip, se pueden realizar más operaciones y cálculos simultáneos, lo que permite a los CPUs ejecutar tareas más complejas en menos tiempo y con mayor eficiencia energética. Un chip de computadora contiene decenas de miles de millones de transistores (ver Figura 4).
Figura 2. En mecánica cuántica, el espín se describe en términos de dos valores: ms = + ½ o ms = – ½.
Parecería lógico entonces que es necesario reducir el tamaño de los transistores para incorporar más en un chip. Hoy en día, el menor tamaño de un transistor en un chip avanzado es, aproximadamente, de 5 nanómetros (1nm es una millonésima parte de un milímetro). En dimensiones tan pequeñas surgen nuevos fenómenos físicos y químicos, por lo que la electrónica tendrá que evolucionar a la nanoelectrónica, una rama de la nanociencia y la nanotecnología.
El progreso en esta área requiere de nano-dispositivos que se encuentran en desarrollo, como los transistores de nanotubos de carbono o grafeno. Sin embargo, la reducción en las dimensiones de los materiales y dispositivos usados en la electrónica tiene un límite físico.
A medida que nos acercamos a escalas de fabricación menores a nanómetros, los desafíos tecnológicos aumentan significativamente. Aparecen problemas como fugas de corriente eléctrica y limitaciones en la precisión de los procesos de fabricación, lo cual complica la continua reducción del tamaño de los transistores, y hace más difícil mantener la fiabilidad y la eficiencia energética.
Figura 3. Un chip semiconductor está compuesto fundamentalmente por silicio. Crédito de fotografía: www.engineering.com/
Científicos y tecnólogos investigan y exploran diversas soluciones; una de las más prometedoras es el desarrollo de tecnologías alternativas, como la espintrónica, que podría ofrecer formas completamente diferentes para aumentar el poder de procesamiento sin depender de la miniaturización de los transistores.
En dimensiones tan pequeñas surgen nuevos fenómenos físicos y químicos.
Los electrones, además de carga eléctrica, tienen otra propiedad intrínseca conocida como espín2 (ver Figura 2). La espintrónica utiliza esta propiedad para almacenar, procesar y transmitir información en dispositivos electrónicos. Busca aprovechar el espín para crear dispositivos más eficientes en términos de consumo de energía, velocidad y capacidad de almacenamiento de información.
En la electrónica tradicional, cambiar un bit (un estado “1” o “0”) de información implica mover electrones, lo que consume energía. En la espintrónica, la información se procesa o almacena mediante la manipulación de los dos estados de espín de los electrones (“arriba” o “abajo”), lo cual puede ocurrir a velocidades significativamente más altas que las de los electrones moviéndose a través de un circuito electrónico. Esta manipulación se realiza utilizando campos magnéticos; los cambios de estados de espín pueden ocurrir con mucho menos energía en comparación con la utilizada para el control de la carga de los electrones que se realiza en la electrónica convencional. Por eso, la espintrónica tiene el potencial de ser más rápida y eficiente.
Figura 4. Evolución del número de transistores en un chip a lo largo de los años. Estamos próximos a alcanzar la asombrosa cifra de un billón de transistores en un solo chip.
La espintrónica puede ir más allá del lenguaje binario sencillo de la computación clásica. En la mecánica cuántica, un electrón puede estar en un estado de superposición de sus dos estados de espín (estado cuántico), simultáneamente, hasta que se mide y “colapsa” a un estado específico. Es un sistema que no solo tiene dos opciones para representar información, sino una extensa variedad.
La espintrónica tiene el potencial de ser más rápida y eficiente.
Esa capacidad de estar en múltiples estados a la vez abre la puerta a la codificación de información más compleja, en comparación con la electrónica convencional, y se conoce como computación cuántica, misma que da pie a nuevas posibilidades para la transmisión de datos, la comunicación y procesamiento de información.
Todavía está en una fase de investigación y desarrollo, por lo que la espintrónica se enfrenta a desafíos técnicos significativos en términos de diseño de dispositivos, nuevos materiales y métodos de control de espín. Abordarlos requiere de investigación en física, ciencia de materiales, ingeniería de dispositivos y avances en procesos de fabricación. Lo cierto es que hay un gran interés por explorar el potencial de la espintrónica, para desarrollar la próxima generación de dispositivos computacionales, más avanzados y con aplicaciones mucho más amplias y complejas.
Máximo López López
Centro de Investigación y Estudios Avanzados, IPN
