¿Qué pasó con la computación del ADN?

Cuando se creó el primer transistor, en 1947, pocos podrían haber imaginado el impacto final de este dispositivo: el interruptor que se encuentra en el corazón de los chips lógicos.

Tenemos que agradecer al silicio por la gran adquisición de la informática. Agregue una pequeña pizca de impurezas al elemento y el silicio forma un material casi ideal para transistores en chips de computadora.

Esta historia fue parte de nuestra edición de noviembre de 2021

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Durante más de cinco décadas, los ingenieros han reducido los transistores basados ​​en silicio una y otra vez, creando en el proceso computadoras progresivamente más pequeñas, más rápidas y más eficientes energéticamente. Pero la larga racha tecnológica ganadora, y la miniaturización que la ha permitido, no puede durar para siempre. Hay una necesidad de tecnología para vencer al silicio, porque estamos alcanzando limitaciones tremendas, dice Nicholas Malaya, científico computacional de AMD en California.

¿Cuál podría ser esta tecnología sucesora? No ha habido escasez de enfoques informáticos alternativos propuestos en los últimos 50 años. Aquí están cinco de los más memorables. Todos tenían mucha exageración, solo para ser derrotados por el silicio. Pero tal vez todavía haya esperanza para ellos.

espintrónica

Los chips de computadora se construyen en torno a estrategias para controlar el flujo de electrones, más específicamente, su carga. Sin embargo, además de la carga, los electrones también tienen momento angular, o espín, que puede manipularse con campos magnéticos. La espintrónica surgió en la década de 1980, con la idea de que spin se puede utilizar para representar bits : una dirección podría representar 1 y el otro 0 .

En teoría, los transistores espintrónicos se pueden hacer pequeños, lo que permite chips densamente empaquetados. Pero en la práctica ha sido difícil encontrar las sustancias adecuadas para construirlos. Los investigadores dicen que aún queda mucho por desarrollar en la ciencia básica de los materiales.

Sin embargo, las tecnologías espintrónicas se han comercializado en algunas áreas muy específicas, dice Gregory Fuchs, físico aplicado de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. Hasta ahora, el mayor éxito de la espintrónica ha sido la memoria no volátil, del tipo que evita la pérdida de datos en caso de corte de energía. STT-RAM (para memoria de acceso aleatorio de par de transferencia de giro) ha estado en producción desde 2012 y se puede encontrar en las instalaciones de almacenamiento en la nube.

Memristores

La electrónica clásica se basa en tres componentes: condensador, resistencia e inductor. En 1971, el ingeniero eléctrico Leon Chua teorizó sobre un cuarto componente que llamó memristor, por resistencia de memoria. En 2008, los investigadores de Hewlett-Packard desarrollaron el primer memristor práctico utilizando dióxido de titanio.

Fue emocionante porque, en teoría, los memristores pueden usarse tanto para la memoria como para la lógica. Los dispositivos recuerdan el último voltaje aplicado, por lo que conservan la información incluso si están apagados. También difieren de las resistencias ordinarias en que su resistencia puede cambiar según la cantidad de voltaje aplicado. Dicha modulación se puede utilizar para realizar operaciones lógicas. Si se realizan dentro de la memoria de una computadora, esas operaciones pueden reducir la cantidad de datos que se deben transferir entre la memoria y el procesador.

Los memristores hicieron su debut comercial como almacenamiento no volátil, llamado RRAM o ReRAM, para memoria resistiva de acceso aleatorio. Pero el campo sigue avanzando. En 2019, los investigadores desarrollaron un chip de 5832 memristores que se puede utilizar para la inteligencia artificial.

Nanotubos de carbon

El carbono no es un semiconductor ideal. Pero en las condiciones adecuadas se puede hacer que forme nanotubos que son excelentes. Los nanotubos de carbono se convirtieron por primera vez en transistores a principios de la década de 2000, y los estudios demostraron que podrían ser 10 veces más eficiente energéticamente que el silicio.

De hecho, de los cinco transistores alternativos discutidos aquí, los nanotubos de carbono pueden ser los más avanzados. En 2013 , los investigadores de Stanford construyeron la primera computadora funcional del mundo alimentado completamente por transistores de nanotubos de carbono , aunque sea simple.

Pero los nanotubos de carbono tienden a enrollarse en pequeñas bolas y agruparse como espaguetis. Además, la mayoría de los métodos de síntesis convencionales hacen que los nanotubos metálicos y semiconductores sean una mezcla desordenada. Los científicos e ingenieros de materiales han estado investigando formas de corregir y solucionar estas imperfecciones. En 2019, los investigadores del MIT utilizaron técnicas mejoradas para fabricar un microprocesador de 16 bits con más de 14.000 transistores de nanotubos de carbono . Eso todavía está lejos de ser un chip de silicio con millones o miles de millones de transistores, pero no obstante es un progreso.

Computación de ADN

En 1994, Leonard Adleman, científico informático de la Universidad del Sur de California en Los Ángeles, hizo una computadora con una sopa de ADN. Demostró que el ADN podía autoensamblarse en un tubo de ensayo para explorar todos los caminos posibles en el famoso problema del viajante de comercio. Los expertos predijeron que la computación del ADN derrotar tecnología basada en silicio, particularmente con computación paralela masiva. Más tarde, los investigadores concluyeron que la computación de ADN no es lo suficientemente rápida para hacer eso.

Pero el ADN tiene algunas ventajas. Los investigadores han demostrado que es posible codificar poesía , GIF y películas digitales en las moléculas. La densidad potencial es asombrosa. Todos los datos digitales del mundo podrían almacenarse en una taza de café llena de ADN, ingenieros biológicos en el MIT estimado en un artículo a principios de este año. El problema es el costo: un coautor dijo más tarde que la síntesis de ADN tendría que ser seis órdenes de magnitud más barata para competir con la cinta magnética.

A menos que los investigadores puedan reducir el costo del almacenamiento de ADN, las cosas de la vida permanecerán atrapadas en las células.

electrónica molecular

Es una visión convincente: los transistores se vuelven cada vez más pequeños, así que ¿por qué no adelantarse y hacer a partir de moléculas individuales ? Los interruptores a escala nanométrica serían un chip altamente rentable y densamente empaquetado. Los chips podrían incluso ensamblarse solos gracias a interacciones entre moléculas .

Grupos en Hewlett-Packard y en otros lugares a principios de la década de 2000 se apresuraron a hacer que la química y la electrónica funcionaran juntas.

Pero después de décadas de trabajo, el sueño de la electrónica molecular sigue siendo solo eso. Los investigadores han descubierto que las moléculas individuales pueden ser delicadas y funcionan como transistores solo en condiciones muy estrechas. Nadie ha demostrado cómo los dispositivos de una sola molécula pueden integrarse de manera confiable en microelectrónica masivamente paralela, dice Richard McCreery, químico de la Universidad de Alberta.

El sueño de la electrónica molecular no ha muerto por completo, pero en estos días está relegado en gran medida a los laboratorios de química y física, donde los investigadores continúan luchando para hacer moléculas infinitamente volubles comportarse.

¿Que viene despues?

El silicio sigue siendo el rey supremo, pero se está acabando el tiempo para el semiconductor favorito de todos. Lo último Hoja de ruta internacional para dispositivos y sistemas (IRDS) sugiere que se espera que los transistores dejen de encogerse después de 2028 y que los circuitos integrados deberán apilarse en tres dimensiones para seguir haciendo posibles chips más rápidos y eficientes.

Este podría ser el momento en que otros dispositivos informáticos encuentren una oportunidad, pero solo en combinación con la tecnología de silicio. Los investigadores están explorando enfoques híbridos para fabricar chips. En 2017, los investigadores que habían avanzado con los transistores de nanotubos de carbono los integraron con capas de memristores no volátiles y dispositivos de silicio, un prototipo de un enfoque para mejorar la velocidad y el consumo de energía en la informática alejándose de la arquitectura tradicional.

Los chips clásicos basados ​​en silicio seguirán progresando, dice Malaya de AMD. Pero, añade, creo que el futuro será heterogéneo, en el que todas las tecnologías se utilicen probablemente de forma complementaria a la informática tradicional.

En otras palabras, el futuro seguirá siendo el silicio. Pero también serán otras cosas.

Lakshmi Chandrasekaran es una escritora científica independiente con sede en Chicago. .

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