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Investigadores están un paso más cerca de la computadora 'sin arranque'

[28/10/2010] Los físicos de la Universidad de California en Riverside han hecho un gran avance en el desarrollo de una "computadora que gira", que combina la lógica con la memoria no volátil, pasando por alto la necesidad de equipos para el arranque.

La nueva tecnología de transistores, que un jefe científico cree que podría ser realidad en unos cinco años, reduciría el consumo de energía hasta el punto en que las computadoras, teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos podrían permanecer encendidos todo el tiempo.
El gran avance vino cuando los científicos de la Universidad de California Riverside inyectaron con éxito un electrón giratorio en un material resistente llamado grafeno, que es esencialmente una capa muy fina de grafito, como la que se puede encontrar en un lápiz. El grafeno -en este caso- es de un átomo de espesor.
El proceso es conocido como "túnel de inyección de vuelta." Se trata de establecer un electrón en el grafeno, que a su vez representa un bit de datos. Mediante la inyección de múltiples bits en el grafeno, no solo se pueden almacenar datos en un estado no volátil (sin necesidad de electricidad), sino que los mismos pueden ser utilizados para los cálculos en el propio grafeno.
La imagen superior muestra el flujo de electrones (línea punteada) cuando no se utiliza aislante. El flujo de la polarización del electrón giratorio es mucho mejor (imagen inferior) cuando un aislante de óxido de magnesio es utilizado, tal como se muestra. (Crédito de la imagen: laboratorio de Kawakami, U.C. Riverside)
Si tienen éxito, los investigadores habrán creado un chip que elimina el cuello de botella de entrada/salida (E/S) creado por el bus del sistema entre la CPU de una computadora y un dispositivo de almacenamiento masivo, como un disco duro o unidad de estado sólido (SSD), también conocido como el cuello de botella Von Neumann.
Uno de los principales científicos del proyecto, Roland Kawakami, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de California Riverside, señaló que la velocidad del reloj de los chips hechos, utilizando la inyección giratoria de túnel, sería "miles de veces" más rápida que los procesadores de hoy en día.
Uno de los principales obstáculos que permanecen es tratar de encontrar un método de bajo consumo para persuadir a los electrones a que sean volteados por un campo magnético, convirtiéndolos en bits que representan los ceros o unos. En la actualidad, la tecnología de centrifugado de grafeno requiere más energía que la DRAM o SRAM para trabajar, indicó Kawakami.
"Si se puede reducir la energía necesaria, entonces se podría reducir el tamaño de los circuitos de apoyo", señaló Kawakami. "Lo que estamos trabajando es un concepto totalmente nuevo. Esto básicamente le dará a la memoria algo de cerebro".
Los investigadores también necesitan construir el circuito de fuera. Ese será el trabajo de los ingenieros electrónicos.
El equipo de Kawakami ha utilizado un láser semiconductor para esencialmente liberar a los electrones, de modo que puedan ser polarizados y se les pueda dar una orientación direccional, llamada "spin" (giro).
Los electrones pueden "girar hacia arriba" o "girar hacia abajo" y permitir una mayor capacidad de almacenamiento de datos que la que es posible con la electrónica actual, de acuerdo a la universidad. Una vez que los electrones se polarizan, permanecen en el lugar durante la vida del chip, que en el caso del grafeno es prácticamente casi una eternidad.
"Así que es el tipo de memoria que puede ser muy rápida y puede ser muy duradera. Está dejando los átomos. No hay un gran campo magnético", indicó Kawakami. "Yo soy uno de aquellos investigadores que realmente se encoge ante la idea de decir que esta (nueva tecnología) puede ser útil. Creo que tal vez dentro de cinco años, podemos obtener un dispositivo de trabajo".
El equipo de Kawakami está trabajando en la inyección eléctrica de giros de un electrodo ferromagnético en el grafeno, que hasta la fecha ha sido ineficiente, añadió. La vida de los giros útiles de los electrones es miles de veces más corta de lo que deberían ser desde una perspectiva teórica. "Nos gustaría giros de mayor vida porque cuanto más tiempo dure la vida útil, se podrán hacer más operaciones computacionales", dijo.
El equipo de Kawakami ha sido capaz de alargar la vida de los giros mediante el uso de una capa aislante de un nanómetro de espesor, conocida como "barrera de túnel", entre el electrodo ferromacgnético y la capa de grafeno. Encontraron que la eficiencia del giro de inyección aumentó drásticamente, añadió.
"Hemos encontrado un aumento de 30 veces en la eficiencia de cómo se están inyectando los giros por efecto túnel a través del aislante y dentro del grafeno", señaló Kawakami.
Kawakami agregó que la investigación de giros en la informática está en una etapa similar a la del movimiento de los tubos de vacío a los transistores en la década de 1950. Una vez que un transistor fue creado, las puertas a los equipos modernos se habían abierto. Una vez que un transistor giratorio de computación se haya creado, en -digamos- cinco años, se espera que el apoyo industrial se eleve y los productos de consumo lo sigan en 10 años.
El equipo de Kawakami de tres investigadores estudiantes de posgrado se ha unido por primera vez con ingenieros electrónicos en la universidad, los cuales están diseñando el circuito que llevará a los electrones a través del grafeno.
El grafeno recibió amplia notoriedad a principios de este mes, cuando los científicos que descubrieron sus propiedades como el material más delgado y más fuerte que conoce la humanidad, recibieron el Premio Nobel de física. El grafeno se compone de átomos de carbono y se parece a una tela metálica o una red visto a través de un microscopio electrónico.
Hasta la fecha, el desarrollo de la electrónica de giros se ha orientado completamente hacia la memoria. Hace dos años, otro grupo de investigadores de la Universidad de Rice demostraron un medio de almacenamiento de datos hecho de una capa de grafito de solo 10 átomos de espesor.
Esta tecnología tiene el potencial para proporcionar muchas veces la actual capacidad de memoria flash NAND, y puede soportar temperaturas de 200 grados Celsius y radiación que haría que una memoria de estado sólido se desintegrara. Esa tecnología, por ejemplo, sería útil en los satélites, que son constantemente bombardeados por la radiación del sol.
Pero los investigadores, que se centran en la combinación de los aspectos de la memoria con la capacidad computacional de la inyección de giro en túnel, ahora tienen la esperanza de que el material esté al alcance de la mano.
"Las cosas que se han perdido son las que no han tenido el material correcto (grafeno) por un lado; y por otro, el concepto de diseño de circuitos de computación. Es como el huevo y la gallina. Uno se tiene que desarrollar para darle motivación al otro", finalizó Kawakami.
Mearian Lucas, Computerworld (US)