E
n poco más de medio siglo, el número de tran- sistores de un chip de silicio ha crecido desde uno hasta cerca de mil millones, en cumplimiento de la llamada ley de Moore. Semejante logro ha elevado asombrosamente la capacidad de tra- tamiento numérico, ejecución de operaciones lógicas y almacenamiento de datos de las máquinas digitales, al tiempo que ha transformado nuestros hábitos cotidianos y desarrollado una de las mayores industrias mundiales.A medida que, a lo largo de los próximos quince años, se integren cada vez más transistores en los chips de silicio, las dimensiones mínimas del chip se contraerán casi hasta la escala molecular. Incluso los más optimistas creen que se necesitarán grandes innovaciones para que el transistor de silicio llegue a sus límites operativos: unas longitudes características en torno a los 10 na- nómetros (o sea, unos 30 átomos). Para continuar el progreso habrá que encontrar soluciones técnicas que permitan achicar más aún los dispositivos de compu- tación. Pero el deslumbrante historial de los circuitos integrados de silicio ha colocado tan alto el listón, que al menos se tardará diez años en desarrollar técnicas que los sustituyan.
Por todo el mundo se exploran alternativas interesan- tes. La novedosa computación cuántica, por ejemplo, aprovecha las “misteriosas” propiedades de la mecánica cuántica para el procesamiento de la información. Habrá que esperar décadas, sin embargo, para que se haga rea- lidad, y ni siquiera está claro que sirva entonces para la mayoría de las aplicaciones. Por ello numerosos grupos de investigadores buscan una alternativa que pudiera comercializarse a medio plazo, en unos diez años. Una técnica económicamente viable habría de mantener una buena compatibilidad con la actual infraestructura de los microprocesadores, incluidos los programas informáticos y las plantas de fabricación.
Nuestro equipo, radicado en los laboratorios Hewlett- Packard (HP), ve en la arquitectura de barras cruzadas el camino de progreso más viable. El conmutador de barras cruzadas se compone de dos conjuntos de nanohilos con- ductores paralelos (de anchura inferior a 100 átomos) que se cruzan entre sí. Entre ambos conjuntos se intercala un material que conduce más o conduce menos bajo la acción de estímulos eléctricos. En cada punto de intersección de los hilos se formará así un conmutador capaz de retener su estado de “activado” o “desactivado”.
El entrecruzamiento de los nanohilos ofrece una serie de ventajas. Por su regularidad, la fabricación resulta bastante sencilla, sobre todo comparada con las comple- jas estructuras de los microprocesadores. Su estructura reticular permite dotar a los circuitos, sin gran difi cultad, de tolerancia a los defectos. En su elaboración puede utilizarse una amplia gama de sustancias y procesos; se tiene así una enorme fl exibilidad a la hora de adaptar los diseños existentes a materiales nuevos. Por último, esta disposición geométrica proporciona memoria, lógica e interconexión, con gran adaptabilidad.
Entrecruzado
Iniciamos la marcha por esta senda de investigación en 1995, cuando uno de los autores, Williams, se trasladó a HP desde el departamento de química de la Universi- dad de California en Los Angeles (U.C.L.A.). Aunque no era un experto en computación, sí sabía algo de electrónica: primero, que el correcto funcionamiento de un ordenador exige unos circuitos perfectos; y se- gundo, que las fluctuaciones erráticas de los átomos (causadas por la entropía) a temperaturas iguales y superiores a la del ambiente impedirían construir una máquina perfecta con miles de millones de componentes que sólo constasen de unos pocos átomos. Incluso las irregularidades a escala atómica impondrían notables variaciones de tamaño a los nanodispositivos, con la consecuencia de que se destruyesen sus propiedades eléctricas y dejaran de funcionar en proporciones apre- ciables. La conclusión natural de Williams fue que la nanoelectrónica era imposible. Valdría, pues, la pena investigar otras técnicas.
Un año más tarde, el encuentro casual con un arquitec- to de ordenadores de HP (Kuekes) cambió radicalmente este horizonte e hizo a ambos tomar una ruta inespe- rada. Kuekes habló a Williams de un superordenador llamado Teramac que él y otros (Snider entre ellos) habían construido. Teramac funcionaba perfectamente aunque tuviera 220.000 componentes defectuosos (al- rededor de un 3 por ciento del total). El quid, según Kuekes, estaba en diseñar los circuitos de interconexión con una notable redundancia. Una vez localizados y catalogados todos los fallos, los programas a ejecutar en el ordenador se compilaban de manera que evita- sen las partes averiadas: se los desviaba a conexiones suplementarias.
■Superar la técnica actual de los chips de silicio exigirá unos circuitos lógicos y de memoria reduci- dos hasta unos pocos nanómetros. Grandes redes de nanohilos que se cruzan sirven de base a una de las técnicas que mejor puede garantizar el éxito de la computación a escala nanométrica.
■Los nanohilos que se cruzan son tan pequeños, que los defectos atómicos y de fabricación resultan inevitables y graves. Pero la incorporación de redundancia en los circuitos y el uso de técnicas de codifi cación compensan las numerosas imper- fecciones. G.-Y . JUNG Y B . BA USK HP Labs
Resumen/Nanoelectrónica
2. MEMORIA DE BARRAS CRUZADAS con sus conexiones de prueba.
Williams comprendió al instante que la tolerancia del Teramac a los defectos ofrecía un modo de construir ordenadores de funcionamiento correcto aun con una gran cantidad de piezas nanométricas “averiadas”. En aquel verano, Williams y el químico James R. Heath, visitante en la UCLA, se esforzaron en aplicar a los ordenadores las técnicas del ensamblaje de nanopartí- culas (la formación de estructuras complejas a partir de bloques constructivos diminutos). Tras un largo debate con Kuekes y Snider sobre la tolerancia a los defectos de los sistemas de computación ensamblados por medios químicos, Williams y Heath redactaron un artículo sobre el tema, como ejercicio pedagógico. Para sorpresa de todos los que habían intervenido, fue tomado en serio y se publicó en Science en 1998.