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Reportajes y análisis

Cinco innovaciones a nivel de chip

Estos avances pueden cambiar la computación

[17/10/2011] Imagine un mundo con dispositivos electrónicos que puedan cargarse a sí mismos, reproductores de música que almacenen toda una vida de canciones, baterías de auto-sanación, y chips que puedan cambiar habilidades sobre la marcha. En base a lo que está pasando en los laboratorios de investigación de Estados Unidos, estas cosas no solo son posibles, sino muy probables.
"Los próximos cinco años serán muy emocionantes para la electrónica", señala David Seiler, director de la división de semiconductores electrónicos del National Institute of Standards and Technology (NIST) del Departamento de Nacional de Comercio de Gaithersburg, Maryland. "Habrá muchas cosas que hoy parecen una fantasía".
En esta serie de dos partes, lo llevaremos por un recorrido de lo que podría ser el futuro de la electrónica. Algunas de estas ideas pueden sonar fantásticas, otras como una simple dosis de sentido común, pero el denominador común es que todas ellas han sido probadas en el laboratorio, y tienen el potencial para convertirse en productos comercialmente disponibles en los próximos cinco años.
La historia de hoy se centra en los avances a nivel de chip, de los procesadores que transmiten datos a través de rayos láser en vez de cables, a circuitos fabricados con materiales nuevos que dejan a los convencionales hechos de silicio. Estas tecnologías podrían ser los bloques de construcción para una gran cantidad de productos nuevos e innovadores, algunos de los cuales no podemos siquiera concebir hoy en día.
Chips sin cables: La conexión láser
Una mirada de cerca a cualquier microprocesador revela millones de diminutos cables que van en todas direcciones para conectar sus elementos activos. Van por debajo de la superficie, y se pueden ver los mismos cables más de cinco veces. Jurgen Michel, un investigador en el centro de microfotónica del MIT en Cambridge, Massachusetts, quiere reemplazar todos los cables con láser de germanio (Ge), que transmiten datos a través de luz infrarroja.
"A medida que los procesadores obtienen más núcleos y componentes", explica Michel, "los cables de interconexión se tapan con los datos, y son el eslabón más débil. Estamos usando fotones, en lugar de electrones, para hacerlo mejor".
Capaz de mover los datos a, bueno, casi la velocidad de la luz, un rayo láser Ge pueden transmitir los bits y bytes 100 veces más rápido que la electricidad en movimiento a través de cables, lo que significa que las conexiones críticas entre los núcleos de procesamiento del chip y la memoria, por ejemplo, no podrán sostener al resto del dispositivo de vuelta. Así como la fibra óptica hizo que las llamadas telefónicas sean más eficientes hace una generación, al utilizar rayos láser dentro de los chips podría poner la computación a toda marcha.
La mejor parte es que el sistema del MIT no requiere pequeños cables de fibra enterrados en el interior de cada procesador. En su lugar, el chip es atravesado por una serie de túneles subterráneos y cavernas para transmitir los impulsos de luz; los datos son interpretados por pequeños espejos y sensores.
Esta mezcla de la electrónica tradicional de silicio con componentes ópticos -una práctica conocida como la fotónica de silicio- puede hacer que las computadoras sean también más verdes. Eso es porque los láseres utilizan menos energía que los cables a los que sustituyen y emiten menos calor.
"La optoelectrónica es un santo grial", señala Seiler. "Se puede ampliar la electrónica y es una gran manera de reducir el consumo de energía, ya que no se tienen todos esos cables que calientan el ambiente".
En febrero del 2010, Michel y sus colaboradores, Lionel Kimerling y Liu Jifeng, crearon y probaron con éxito un circuito de funcionamiento que incorporaba transmisiones de datos vía láseres Ge. El chip llegó a velocidades de más de un terabit por segundo, o dos órdenes de magnitud más rápido que el mejor chip actual con conectores de cable.
El chip está fabricado con las técnicas actuales de procesamiento de semiconductores, con algunas pequeñas adiciones, por lo que Michel cree que la transición a las conexiones basadas en láser puede ocurrir en los próximos cinco años. Si otras pruebas tienen éxito, el MIT señala que licenciará el proceso, este tipo de chip podría estar disponible en el 2015.
La necesidad nunca ha sido mayor. Para el año 2015, lo más probable es que habrá chips de computadora con hasta 64 núcleos de procesamiento independientes, cada uno trabajando al mismo tiempo. "Conectarlos con cables es un callejón sin salida", agrega Michel. "Conectarlos con un láser de germanio tiene un enorme potencial y una gran recompensa".
Circuitos de novela: Memristores
Si su reproductor de MP3 se está llenando de melodías, y se siente como un asesino cultural cada vez que elimina una canción, la tecnología memristor podría llegar justo a tiempo.
El primer componente electrónico totalmente nuevo desde que los transistores de silicio entraron a escena en la década de 1950, el memristor presenta una alternativa más rápida, más duradera y, potencialmente mucho más barata que la memoria flash. Y con el doble de la capacidad de los chips de memoria flash, hay mucho espacio para todo, desde Leonard Bernstein a Lady Gaga.
"Si estuviéramos rediseñando la tecnología informática actual, utilizaríamos la memoria memristor", señala R. Stanley Williams, investigador principal y jefe del grupo Quantum Science Research (QSR) en los laboratorios de HP en Palo Alto, California "Es la estructura fundamental para el futuro de la electrónica".
El memristor -básicamente una resistencia con memoria- fue postulada por primera vez en 1971 por el profesor de la universidad de California, Berkeley, Leon Chua, pero los prototipos "memristor de HP labs no se demostraron públicamente sino hasta el año 2008.
Para construir su memristores, HP utiliza la alternancia de capas de dióxido de titanio y platino; bajo un microscopio electrónico se ven como una serie de largas cadenas paralelas. Debajo de la superficie es una configuración similar a un ángulo recto, produciendo una gran cuadrícula.
"Piense en ello como una serie de cubos que son de dos a tres nanómetros (nm) por lado", añade Williams. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro, aproximadamente una diez milésima del grosor de un cabello humano).
La clave es que cualquiera de los dos cables adyacentes se pueden conectar con un interruptor eléctrico por debajo de la superficie, creando una celda de memoria. Al ajustar el voltaje aplicado a los cubos, los científicos pueden abrir y cerrar pequeños interruptores electrónicos, almacenando datos como en los tradicionales chips de memoria flash. (Vea la excelente guía memristor de seis minutos hecha por IEEE Spectrum para obtener más detalles de Williams sobre cómo trabajan los memristores).
Llamada ReRAM, para la memoria de acceso aleatorio, estos chips pueden almacenar casi el doble de los datos que los chips flash, pero son más de mil veces más rápidos que la memoria flash, y pueden durar millones de ciclos de reescritura, en comparación con los 100 mil certificados para la memoria flash. La ventaja es que las velocidades de escritura y lectura de ReRAM son comparables, mientras que flash demora mucho más tiempo en escribir los datos que en leerlos.
HP y Hynix de Corea del Sur se han unido para producir chips ReRAM en masa, que podrían ser utilizados en una variedad de pequeños dispositivos, como reproductores de medios que puedan albergar terabytes de canciones, videos y libros electrónicos. Ellos esperan que los primeros productos estén llegando al mercado en algún momento del 2013.
ReRAMtTambién puede reemplazar la RAM dinámica en las computadoras. Debido a que es no volátil, ReRAM no pierde su contenido cuando el sistema se apaga o pierde energía, como sí pasa con la DRAM. De hecho, Williams cree que se podría conducir a una era de computación de encendido instantáneo. Incluso cuando los dispositivos actuales se ponen a dormir en vez de apagarse completamente, toma desde unos pocos segundos a un minuto para que se pueda acceder a los datos almacenados al despertarlos. Pero con los dispositivos ReRAM, sería capaz de continuar donde lo dejó instantáneamente.
Es más, señala Williams, es posible apilar las matrices memristor en la parte superior de cada uno dentro de un solo chip. Esto podría crear elementos de memoria 3-D que utilizan mejor el espacio dentro del chip. En lugar de usar solo la superficie del chip, estos elementos de memoria se pueden construir en el fondo en el chip, creando mucha más memoria en el mismo volumen físico.
"No hay un límite fundamental para el número de capas que podemos producir", añade Williams. "Podemos llegar a chips petabit dentro de unos 10 años". Eso es un millón de gigabytes de espacio de almacenamiento, o lo suficiente para tener más de un año completo de video de alta definición en un chip del tamaño de una uña.
"La primera aplicación de los memristores probablemente será la memoria", indica Seiler del NIST, "pero hay mucho más que eso. Hay un gran potencial más allá de la memoria".
Más lejos en el horizonte digital, tal vez unos 20 años, la tecnología podría reescribir el diseño básico de la computadora. En el 2010, los investigadores descubrieron que los memristores de HP se pueden utilizar para los cálculos lógicos, además del almacenamiento. Eso significa que ambas funciones teóricamente podrían ocurrir en el mismo chip.
Williams añade, "un memristor solo puede sustituir a un puñado de otros circuitos, simplificando cómo se han diseñado, fabricado y operado las computadoras". Por ejemplo, agrega, un memristor podría hacer el trabajo de los seis transistores que se utilizan actualmente para crear una única celda de memoria RAM estática en la caché del procesador.
Williams cree que incluso podría ser posible crear una sinapsis neuronal artificial con la tecnología del memristor, que podría imitar la forma en que funciona el cerebro. Eso está décadas lejos en el futuro; sin embargo, si es posible en absoluto.
El memristor ciertamente tiene el poder para reescribir las reglas de la electrónica, señala Supratik Guha, director del departamento de ciencias físicas de IBM. Sin embargo, agrega, esta tecnología todavía tiene que demostrar su valía. "Puede haber potencial como un elemento de memoria", comenta. "Pero al igual que cualquier otra tecnología, tiene que gatear antes de caminar, y caminar antes de correr".
En otras palabras, la tecnología memristor no va a ocurrir de la noche a la mañana. Tomará mucho de evolución y tiempo antes de que los memristores sean tan comunes como la DRAM o la memoria flash.
Chips cambiables: Las capas programables
Desde el procesador más rápido al módulo de memoria más pequeño, casi todos los chips utilizados en la electrónica de hoy en día tienen una cosa en común: sus elementos activos residen en el 1 o 2% de la parte superior del material de silicio del que están hechos.
Eso va a cambiar en los próximos años, conforme los fabricantes de chips expriman más y más los componentes. Algunos fabricantes, como Intel, han recurrido a pegar chips juntos, mientras que los investigadores de la universidad de Rochester han diseñado y construido internamente circuitos 3-D capa por capa. Ambos enfoques son enormemente complicados y caros, señala Guha de IBM.
Pero ¿qué tal si usted pudiera engañar al circuito en sí mismo reordenando la demanda de modo que aparente que otros componentes tengan varias capas de elementos activos? Esa es la idea detrás de la tecnología espacio-tiempo de Tabula y su diseño de chips ABAX.
En lugar de tener varias capas de componentes cableados que están permanentemente grabados en el silicio y nunca cambian, ABAX utiliza circuitos reprogramables que pueden cambiar sus habilidades sobre demanda. Sus productos actuales entregan el equivalente de hasta ocho capas diferentes de chips, que se pueden cambiar más rápido que un abrir y cerrar de ojos.
"Piense en ello como una tienda por departamentos con ocho pisos", señala Steve Tieg, presidente y director de tecnología de Tabula. "Usted tomaría un ascensor para ir entre los pisos y comprar diversos artículos". Pero en lugar de tener ocho plantas físicas diferentes, cada una con sus propios arreglos internos y surtido de mercancías, Tabula ha descubierto una manera de tener una sola capa (o planta) que se reconfigura, según sea necesario.
"Es como si mientras está en el ascensor, ellos están reorganizando el piso para crear un diseño diferente, con diferentes productos", añade Tieg. "Ante el mundo exterior parece como si hubieran ocho pisos, pero solo hay uno".
Para trabajar, los circuitos reprogramables del chip se alimentan con su próxima serie de tareas y funciones en 80 picosegundos -mil veces más rápido que el ciclo de cálculo del chip. De esta manera, las capas se pueden cambiar sobre la marcha, mientras que el chip está a la espera de sus siguientes órdenes.
En un sentido real, ABAX hace más con menos. Fabricado con la tecnología convencional de procesamiento de semiconductores, los chips ABAX de Tabula cuestan aproximadamente lo mismo que los tradicionales en cuanto a su fabricación. El diseño sigue utilizando solo la superficie superior del chip, pero esa sola capa hace el trabajo de ocho chips diferentes. De acuerdo con Tieg, la tecnología puede aumentar la densidad de los circuitos al doble, y la memoria y el rendimiento de vídeo se pueden incrementar hasta en 3,5 veces.
Esta idea podría potencialmente dar paso a una nueva era en los semiconductores, donde un solo chip reemplaza o agrega varias capacidades, sin el uso de costos y energía de piezas adicionales. "La virtualización de las operaciones de un chip puede tener un gran resultado en términos de eficiencia y flexibilidad", señala Seiler de NIST. "La clave es la forma en que se programan".
Hasta ahora, en lugar de un asalto directo a los peces gordos del negocio de semiconductores, tales como procesadores, gráficos y memoria, Tabula se ha concentrado en el mercado de chips para propósitos especiales. Estos circuitos son los caballos de batalla de nuestro tiempo, haciendo que cosas como los routers inalámbricos y los equipos de torres de telefonía celular sean posibles.
Luego, Tabula planea elegir como blanco a los chips que se encuentran en la corriente principal de la electrónica diaria, tales como cámaras digitales, juegos de video y tal vez incluso computadoras completas. El actual diseño de ocho niveles se encuentra en producción, y Tabula está en el buen camino para crear una versión de 12 capas, con un chip de 20 niveles en el tablero de dibujo. "No hay límite en el número de niveles que podemos integrar", añade Tieg.
Desde el hollín a los circuitos: El grafeno
Durante los últimos 45 años, casi como un reloj, el número de transistores en un chip de computadora de silicio se ha duplicado aproximadamente cada dos años, haciendo que la ley de Moore sea tan fiable como la ley de gravedad. Como los elementos activos en un chip son más pequeños y más baratos de fabricar, más de ellos podrían ser incluidos en los dispositivos de complejidad, capacidad y poder crecientes -todos más o menos al mismo precio que la generación anterior de productos.
Este exceso de calidad digital puede poner fin rumbo a un callejón sin salida. Científicos que tratan de meter cada vez más transistores en un chip de silicio, están teniendo problemas para hacer fiables los elementos activos que sean más pequeños que los actuales de 14nm -aproximadamente el doble del tamaño de una molécula de hemoglobina en la sangre o, alrededor de una milésima del tamaño de un grano de talco en polvo.
Una sustancia llamada grafeno podría insuflar nueva vida a la Ley de Moore mediante el aumento de la tecnología de silicio. Hecho de nada más atractivo que el hollín, el grafeno es una capa de un átomo de espesor de átomos de carbono dispuestos en un patrón hexagonal. Con un microscopio electrónico, el grafeno se ve como un cruce entre la tela metálica y un panal de abejas.
"No solo se ve extraño, sino que tiene propiedades increíbles", señala Walt de Heer en su laboratorio de nanociencia en el Instituto de Tecnología de Georgia. "El grafeno es un material maravilloso para fabricar componentes electrónicos", agrega. "Es rápido, no utiliza una gran cantidad de energía, y se puede hacer con pequeñas características. Supera el silicio y hace cosas que el silicio no puede hacer. Podría ser el futuro de la electrónica".
Los investigadores de semiconductores han estado experimentando con el grafeno desde la década de 1970, pero han tenido problemas para hacer capas ultra finas de un panal. Los investigadores de la universidad de Manchester, Andre Geim y Konstantin Novoselov produjeron capas de grafeno con éxito en el 2004 (este y otros avances en la investigación de grafeno les hizo ganar el premio Nobel de física 2010), y el campo ha avanzado rápidamente desde entonces.
A principios de este año, el grupo de Heer fabricó cables de grafeno -un primer paso esencial en la fabricación de microchips- que tuvieron alrededor de 10 nm de ancho mediante el uso de epitaxia al depositar una hoja de grafeno puro en un chip de silicio. (Epitaxia es el proceso de hacer crecer una capa cristalina fina en la superficie de otro cristal para que la capa imite la estructura del sustrato).
Con el tiempo, las estructuras electrónicas tan pequeñas como 1 nm y mucho más rápidas que el silicio son posibles, señala de Heer. "Si sale bien, el grafeno podría producir un procesador de terahertz", predice -aproximadamente 20 veces más rápido que el mejor chip de silicio de hoy en día.
El año que viene, el grupo Georgia Tech espera terminar el trabajo en el prototipo de un circuito integrado de grafeno para utilizarlo como banco de pruebas para descubrir las propiedades únicas del material y mejorar la tecnología para la creación de circuitos.
Mientras tanto, los investigadores de IBM han producido transistores y circuitos integrados experimentales basados en el grafeno, y utilizando las técnicas de fabricación de semiconductores. Guha de IBM apunta a ellos como los primeros pasos hacia el uso del grafeno a escala industrial.
"Esta área tiene un gran potencial", señala. "Tiene aplicaciones en la tecnología militar e inalámbrica, y es posible integrarla con el silicio. Lo que se necesita ahora es mucho trabajo duro para demostrar la capacidad de construir circuitos de amplificación y la creación de grandes áreas de alta calidad con circuitos integrados de grafeno activo en ellos".
Mientras que los primeros productos de grafeno podrían aparecer en el 2013, no espere a ver laptops súper rápidas alimentadas por chips de grafeno en el corto plazo. Debido a su costo, es probable que se muestren inicialmente para usos especiales, donde el costo no importa tanto como la velocidad y el uso de baja potencia.
Del mismo modo, los circuitos integrados que hoy parecen rudimentarios, alguna vez fueron artículos caros y especializados que se utilizaron en aplicaciones militares y espaciales, donde el costo no era la principal consideración. "La historia de esta zona", señala Seiler del NIST, "es que estas cosas aparecen siendo caras y raras y luego se vuelven económicas y comunes".
Williams de los laboratorios de HP, añade "es como crear una nueva forma de hacer chips que podrían ser mucho más rápidos. El grafeno tiene un gran potencial y podría estar en artículos de uso diario en diez años".
El procesamiento estándar de semiconductores consiste en una serie de pasos complejos que deben ser llevados a cabo en una habitación cara que está libre de polvo destructor de artículos electrónicos y contaminantes. Sin embargo, Xerox está trabajando en una manera más barata y fácil de hacer electrónica mediante la impresión de circuitos impresos en una hoja de plástico. El proceso utiliza un equipo que podría costar cientos de miles de dólares, pero no los miles de millones necesarios para las plantas tradicionales de fabricación de chips como la que Intel abrió recientemente en Chandler, Arizona
"La electrónica convencional es rápida, pequeña y costosa", señala Jennifer Ernst, ex directora de desarrollo de negocios del laboratorio de investigación PARC de Xerox en Palo Alto, California. Al imprimir directamente sobre el plástico, sin embargo, PARC está haciendo electrónica que es "lenta, grande y barata", agrega Ernst, ahora vicepresidenta de Thin Film Electronics.
Los diseños de PARC se imprimen directamente sobre el material de base en un proceso que a menudo es solo un poco más complicado que la impresión de una etiqueta de envío. Se requiere de algunos materiales especiales, como la tinta de plata, pero estos dispositivos pueden ser impresos en hojas de polietileno flexible y no en el silicio quebradizo. De hecho, los resultados probablemente no deberían ser llamados chips.
Mediante la adaptación de una variedad de técnicas de impresión, incluyendo chorros de tinta, estampación y serigrafía, PARC ha hecho amplificadores, baterías y conmutadores por una fracción de lo que cuesta su fabricación a la manera tradicional. Recientemente, la compañía logró hacer una memoria de 20 bits y un circuito controlador de esta manera, y comenzará a venderlos el próximo año. Es una gota en el océano digital en comparación con flash megabit y chips DRAM, pero es un comienzo.
Otro interesante proyecto de circuito impreso es la cinta de detección de explosiones que PARC está desarrollando para la agencia de defensa de los Estados Unidos. Está hecho por circuitos impresos en una cinta métrica flexible que puede ser presionada en el casco de un soldado. Con una batería de película flexible en la parte posterior, los sensores miden la presión (hasta 100 psi), aceleración (hasta 1000 Gs), los niveles de ruido (hasta 175 decibelios) y ligereza (hasta 400 lux) experimentadas en condiciones de combate.
Después de una semana en la primera línea, el soldado quita la cinta del casco y la envía a un laboratorio, donde los datos son descargados y analizados para que los médicos puedan ver si el soldado está en peligro de una lesión cerebral debilitante. "Reemplaza un sensor de siete dólares, cuesta menos de un dólar y funciona igual de bien", señala Ernst.
En el lado negativo, los circuitos impresos probablemente nunca emparejen al silicio en términos de velocidad o capacidad de poner miles de millones de transistores en algo del tamaño de una uña. Pero hay muchos lugares donde el costo vale más que la velocidad. Ya en el 2012, los dispositivos de impresión deben comenzar a aparecer en los juguetes y los juegos que incorporan la informática rudimentaria, al igual que las voces sintéticas, así como en los sensores de asiento de seguridad para controlar el despliegue de las bolsas de aire en un accidente. (Los circuitos impresos son lentos en comparación con la electrónica de silicio tradicional, pero aún lo suficientemente rápidos como para el despliegue de la bolsa de aire o airbag).
Más allá -alrededor del 2015, estima Ernst- los circuitos impresos pueden terminar en algunos lugares muy interesantes, como lectores flexibles de libros electrónicos que pueden ser enrollados cuando no están en uso, o ropa hecha de un tejido de células solares que pueden cargar un reproductor de música o teléfono celular. La firma de análisis de mercado IDTechEx prevé que las ventas de estos circuitos flexibles impresos crecerán de mil millones de dólares en el 2010 a 45 millones de dólares en el 2016, y se verán en una variedad de dispositivos.
Guha de IBM también ve un futuro brillante para los circuitos impresos. "Cada vez que se quita una sala limpia de fabricación de dispositivos electrónicos, se vuelve mucho más barato", señala. "Lo barato y sucio es suficiente para muchos usos, siempre que los circuitos se puedan hacer con una calidad aceptable".
Para ver más tecnologías de vanguardia, asegúrese de volver la próxima semana, cuando veamos las innovaciones en el acceso, el poder y control por computadora.
Brian Nadel, Computerworld (US)