Las promesas del siliceno y los bits cuánticos, esperanzas para el futuro de la computación

Por en Materia en Febrero 11, 2015
Un recorrido por el estado de la computación actual, los transistores, la ley de Moore y las alternativas para el futuro.
IBM_Blue_Gene_P_supercomputer

Supercomputador de IBM Blue Gene / P. Crédito foto: Argonne National Laboratory. CC.

Existen pocas cosas en la vida más exasperantes que tener que esperar a que el computador encienda o cargue un programa, o quedarte con los brazos cruzados cuando tu portátil se queda congelado por lo que parece una eternidad. Todos queremos computadores más veloces. En eso, y en que los mosquitos son una molestia, todos podemos estar de acuerdo.

El problema es que no sólo lo queremos: necesitamos computadores más rápidos. Cada día nuestras vidas requieren del procesamiento de más datos de forma más eficiente. La medicina, los negocios, los juegos de videos, los controladores aéreos, todo necesita computadores que puedan responder con rapidez y precisión a nuestras expectativas, las cuales serán cada día más altas.

Hasta ahora, la capacidad de procesamiento de nuestros computadores ha aumentado exponencialmente, al ritmo que lo hemos necesitado. Pero siempre hay un pero. Estamos acercándonos a un impasse técnico que puede convertirse en la pared contra la que nos vamos a estrellar buscando ese mundo de procesadores más rápidos: la forma en que actualmente funcionan los computadores parece no ser suficiente para garantizarnos que su velocidad estará a la par de nuestras necesidades en el futuro.

Se dice que nos hace falta una innovación, una revolución, que nos permita seguir creando ordenadores cada vez más rápidos. Recientemente, vimos dos luces en el camino. Por primera vez, logramos fabricar un material, el siliceno, que promete ser la solución a un problema de espacio para hacer microprocesadores más rápidos —aunque los resultados no fueron los esperados. Al mismo tiempo, estamos cerca de entender una nueva forma de analizar datos, usando computadores cuánticos, y ya existe un candidato prometedor.

 

Un poco sobre los transistores y el Viejo Oeste

Si nos atrevemos a decir que un procesador es el corazón de un computador entonces los transistores son las células que lo hacen latir. Un transistor es un artefacto electrónico de minúsculas proporciones —en la actualidad los hay del tamaño de un virus, en serio— que tiene la pequeña e irremplazable función de controlar el flujo de una corriente. Por eso, solo pueden tener dos estados: sí hay corriente o no hay corriente; está prendido o apagado, on u off, o para hacerlo más práctico, 1 ó 0. Así es, ya ves hacía dónde vamos.

EPROM_Microchip_SuperMacro

EPROM Microchip SuperMacro. Crédito imagen: Zephyris. CC

Los entendidos en la materia saben que una larga secuencia de unos y ceros, es decir, un número binario, te permite estar leyendo esto en tu pantalla. Existe un número binario para todas las órdenes que da o recibe tu computador. Cada uno de esos unos y cada uno de esos ceros es producto de un transistor. Cuando juntamos los transistores tenemos lo que se llaman los circuitos integrados o chips (cuando son muy pequeños les decimos microchips). Entre más transistores tenga un chip, más datos podrá procesar en menor tiempo.

Para hacerlo más claro imaginemos una diligencia, uno de esos carruajes de transporte en las películas del Oeste, pero en este caso pensemos en las que transportaban oro y estaban a la merced de los asaltantes. Un caballo puede halar la diligencia a una velocidad determinada. Si tenemos dos caballos podemos ir más rápido, y si tenemos docenas de ellos halando el carro, pues será difícil que los bandidos nos alcancen. Necesitamos velocidad para estar a salvo.

Por mucho que queramos no podemos tener miles de caballos halando una diligencia, simplemente porque no hay espacio donde amarrarlos. Aquí nos chocamos con el inconveniente de que nuestra diligencia tendrá un límite de velocidad que no podemos superar. Cuando los asaltantes igualen esa velocidad, le decimos adiós a nuestro oro.

Ahora imaginen que a alguien se le ocurre que es mejor empezar a criar caballos más pequeños que tengan la misma fuerza de los otros y así podemos meter más caballos a una diligencia. El número de equinos en un carruaje aumenta y la velocidad en que corren las carretas es más alta que nunca. La gente empieza a dedicarse a criar caballos cada vez más pequeños, pero con la misma fuerza de los otros. Entre más, mejor. Hasta que… ya no podemos hacer más pequeños a los caballos.

¿Y ahora?

En 1965, Gordon Moore, cofundador de Intel, dijo que según sus cálculos los circuitos integrados (las diligencias) serían el doble de rápidos cada dos años gracias a que iban a tener el doble de transistores (los caballos), porque estos serían cada vez más pequeños. Lo que se conoce como la ley de Moore funcionó por más de cuarenta años con gran precisión. Los nuevos avances en tecnología y la reducción en los precios de fabricación de las partes nos permitió estar por delante de nuestras necesidades de computo (los asaltantes). Pasamos de tener circuitos integrados de 2.300 transistores en 1972 hasta microchips con más de 300 millones de transistores en 2006.

Lei_de_moore_2006

Gráfico de la ley de Moore y los procesadores hast 2010. CC

 

Sin embargo, en los últimos 10 años ese crecimiento exponencial se ha quedado un poco rezagado. Ya no crecemos a la misma velocidad que los hacíamos en el Siglo XX. Los microchips comerciales más potentes en la actualidad tienen alrededor de 1.000 y 1.400 millones de transistores, pero según la ley de Moore debían tener alrededor de 4.000 o 5.000 millones. ¿Qué pasó? Lo mismo que los caballos… cada vez es más difícil hacerlos más pequeños.

Los transistores que usan los computadores en la actualidad son tan diminutos que el espacio necesario para abrir el interruptor de un transistor es mucho más pequeño que una célula de tu cuerpo, tan solo hay espacio para algunos átomos. Si hacemos transistores más pequeños, tendríamos problemas cuánticos —que no vale el tiempo explicar aquí— y que harían del sistema algo poco confiable.

¿Qué podemos hacer?

 

Las alternativas para evadir bandidos en el futuro

Hasta el momento las empresas han logrado mantener en aumento la capacidad de procesamiento de los chips, gracias a su esfuerzo al reducir el espacio de los transistores, utilizar nuevos materiales, y hasta hacer uso de varios chips al mismo tiempo. La ley de Moore se sigue cumpliendo hasta cierto punto, pero ¿hasta cuando? Los expertos dicen: pronto.

Mientras tanto, seguimos necesitando computadores más rápidos. Los asaltantes se están acercando. ¿Cómo podemos hacerlo si no podemos meter más transistores en un microchip?

640px-Microchips

Microchips. Crédito imagen: Zephyris

Cuando se ha llegado a los miles de millones de caballos jalando la carreta, ya no hay espacio para más. Se necesita encontrar otra manera de innovar, ir más allá de reducir el tamaño de los caballos, si se quiere seguir avanzando, ganando velocidad. Tal vez la única forma es encontrar otra raza de caballos más fuertes, pero quizá lo más probable sea que necesitamos una especie animal que nadie conoce todavía.

Entre las alternativas que han considerado los científicos e ingenieros para hacer computadores más rápidos están los computadores de láseres, que se basan en los fotones, pero gastan mucha energía y lo que se necesita es algo eficiente. También se ha considerado usar más chips en paralelo, como ya lo hacemos con los dual y quad core (multi-núcleo), pero se ha encontrado que aún es difícil escribir programas que utilicen esa capacidad sin algunos problemas que se han encontrado (en parte porque nuestra forma de procesar información como humanos es lineal). Se ha pensado también en algunos computadores térmicos que miden cambios diminutos en la temperatura, los que a la vez se han de convertir en unos y ceros, pero que aún estamos lejos de tenerlos en la oficina.

Pero, calma, no desesperes. Existen dos alternativas que prometen mucho y donde ya hay avances en el mundo real: los computadores cuánticos y los componentes que muevan electrones más rápido.

 

La promesa del grafeno y el siliceno

Desde que se hiciera por primera vez el grafeno, una hoja de carbono de un átomo de grosor, los investigadores le han metido todo su esfuerzo a encontrar y producir otros materiales llamados bidimensionales (aunque, sí, ya sabemos, no lo sean literalmente). Estos elementos de dos dimensiones prometen ser la forma en que los electrones, que se mueven muy lento en otros materiales, cobren algo de dinamismo.

Graphen

Estructura del grafeno. Crédito: AlexanderAlUS. CC

Los científicos tienen la vista puesta en el siliceno, una hoja de silicio de un átomo de espesor. Por un lado, porque el silicio es un elemento abundante que ya es conocido entre fabricantes de componentes electrónicos; y por el otro, porque su propiedades semiconductivas han sido probadas hasta la saciedad. Por algo se llama el Valle del Silicio.

Pues adivinen qué. La semana pasada investigadores anunciaron que habían logrado hacer un primer transistor usando siliceno. Ingenieros de la Universidad de Texas en Austin, en la Escuela de Ingeniería Cockrell, crearon el primero de estos, algo que no se había logrado por la inestabilidad del elemento. Su investigación promete un cambio en la construcción de computadores más rápidos, pequeños y eficientes. Su trabajo fue publicado en la revista Nature Nanotechnology.

Como su interacción con la plata le daba cierta estabilidad al siliceno, el cual se desintegraba al contacto con el oxígeno, los autores fabricaron una hoja sobre una superficie de plata en el vacío. A esta la cubrieron con óxido de aluminio para más protección. Después pudieron quitar un poco del aluminio y usar el resto del metal como polos de contacto, con esto se pudo crear lo que se conoce como un transistor de efecto campo (un tipo de transistor que utiliza el campo electromagnético para abrir y cerrar los canales, y es el más usado en la industria electrónica).

silicenewebpromo-2ygt7u2hoe280bvlp7k7wq

Estructura del Siliceno.

Hasta hace poco el siliceno era solo un sueño de la industria de los microchips y sólo se había teorizado. Los ingenieros en Texas probaron cómo era el flujo de electrones a través del siliceno, y resultó ser… bueno, decepcionante. La teoría predecía que los electrones se moverían más rápido en el siliceno que en el grafeno, pero esta prueba mostró que la velocidad era 10 veces menor de lo esperado. No hay que perder las esperanzas, pues aún no se sabe si es por la fabricación o es por las características propias del siliceno.

“A parte de introducir otro jugador entre los materiales 2D, el siliceno, por su afinidad química con el silicio, sugiere una oportunidad en la hoja de ruta de la industria de los semiconductores”, dijo Deji Akinwande, uno de los investigadores. “El mayor avance en esto es que se pudo fabricar un aparato de siliceno con una producción y una manufactura a baja temperatura por primera vez”.

Aún hay mucho que hacer con estos nuevos materiales, en especial porque se desconocen sus propiedades y el proceso de manufactura está lejos de hacerse de manera eficiente y económica. Aún así, no sería raro pensar que el futuro de la computación depende de estos nuevos materiales. ¿O será que necesitamos una forma diferente de pensar?

 

¿Computadores “cuánticos”?

La idea de los computadores cuánticos empezó con Richard Feynman en 1980. En teoría, en lugar de bits digitales como los otros, estos usarían bits cuánticos o cubits (o qubits), los cuales pueden existir como unos y ceros al mismo tiempo. Con esto se puede operar cualquier clase de números simultáneamente. Es un concepto loco del que poco se conoce todavía, un poder aún lejos de domarse, pero no está tan lejos como se creería.

El D-Wave es literalmente una caja negra de 3 metros de alto. Es sobre todo una nevera y adentro tiene un solo chip. Pero este chip está basado en pequeñísimos aros de alambre de niobio (un metal de transición dúctil, gris, blando y poco abundante) enfriados a una temperatura más fría que el espacio interestelar. Este es, supuestamente, el primer computador cuántico de uso práctico del mundo.

13.072-048_EXPORT

Computador D-Wave. Cortesía de D-Wave Systems Inc.

Al menos así lo afirman los ejecutivos de la compañía, D-Wave Systems, Inc., pero los científicos no están tan seguros. Ellos han mostrado su escepticismo ya que ni siquiera los que lo construyeron saben exactamente cómo funciona. De ahí la cantidad de pruebas que se han hecho.

La optimización es una parte clave en el mundo de grandes empresas como Google que trabajan con enormes cantidades de datos. Pero las técnicas que usan para optimizar están llegando a un pico que no van a poder superar. Eso deja dos opciones: construir computadores más grandes que gasten más energía, o encontrar una máquina que tenga un poder computacional varias veces más alto de lo que ya existe.

Ya en 2007 D-Wave trabajaba con solo 16 cubits y podía resolver algunos problemas de optimización como un sudoku. Nada muy difícil pero el computador lo logró, probando así su capacidad para resolver problemas de este tipo. Pero nadie estaba satisfecho. A medida que se hicieron más pruebas, aumentó la duda. El D-Wave era más rápido que otros computadores en algunos exámenes y más lento en otros.

fridge_cryogenic

Imagen dentro del D-Wave. Cortesía de D-Wave Systems Inc.

Hoy en día hay una versión de 1.000 cubits y algunas compañías como Google, Lockheed Martin y hasta Nasa ya compraron una versión. Ellos afirman que hay algunos problemas que el D-Wave hace mejor que otros. Pero todavía falta mucho por recorrer.

La conclusión hasta ahora es que el D-Wave definitivamente no trabajaba de la misma manera que los computadores tradicionales. Pero si se acepta que de hecho es un computador cuántico, este nuevo aparato no está funcionando a las velocidades cuánticas que se esperaban y eso causa dudas entre los expertos.

Como vemos, todavía no es claro qué rumbo va a tomar la computación en los próximos años. Lo que sí sabemos es que este motor de nuestras vidas está mostrando señales de que se puede averiar pronto. Los caballos se están cansando. Hay que empezar a descubrir y masificar nuevas tecnologías si no queremos que los asaltantes nos dejen en ropa interior.

 

 


 

Fuentes

Material de la Universidad de Texas.

 

Páginas consultadas

http://www.wired.com/2014/06/supercomputer_race/
http://gizmodo.com/were-one-step-closer-to-blazingly-fast-computer-chips-o-1683541326
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/02/150203160100.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Parallel_computing
http://www.techradar.com/news/computing/moore-s-law-how-long-will-it-last–1226772
http://computer.howstuffworks.com/moores-law.htm
http://computer.howstuffworks.com/quantum-computer.htm

Moore’s Law and The Secret World Of Ones And Zeroes – SciShow

Referencia para el siliceno:

Li Tao, Eugenio Cinquanta, Daniele Chiappe, Carlo Grazianetti, Marco Fanciulli, Madan Dubey, Alessandro Molle, Deji Akinwande. Silicene field-effect transistors operating at room temperatureNature Nanotechnology, 2015; DOI:10.1038/nnano.2014.325

 

Comparte

  • Facebook
  • Twitter
  • LinkedIn
  • Add to favorites
  • Email
  • RSS
  • Reddit

Una idea sobre “Las promesas del siliceno y los bits cuánticos, esperanzas para el futuro de la computación

  1. Pingback: Las promesas del siliceno y los bits cuánticos, esperanzas para el futuro de la computación

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *