Publicado en Science: Puertas lógicas implementadas mediante espintrónica

Muchos creen que el futuro de la ley de Moore pasa por los avances en espintrónica. La idea es utilizar el espín de los electrones para implementar operaciones booleanas utilizando puertas lógicas (AND, OR, NOT) sin necesidad de mover los electrones a través de cables. Khajetoorians et al. publican en Science un método para implementar operaciones lógicas utilizando el espín de los electrones en átomos individuales sin que haya que mover dichos electrones entre átomos vecinos, basta aplicar un campo magnético externo controlable. Para la fabricación a escala atómica de estos dispositivos utilizan la tecnología del microscopio de efecto túnel, herramienta que también usan para la lectura de los estados de las puertas lógicas. Por ahora estas nuevas tecnologías están limitadas por el tamaño del circuito combinacional implementado y sólo se han logrado implementar circuitos muy sencillos. Sin embargo, según los autores, nada limita la escalabilidad de la idea. El artículo técnico es de Alexander Ako Khajetoorians, Jens Wiebe, Bruno Chilian, Roland Wiesendanger, “Realizing All-Spin–Based Logic Operations Atom by Atom,” Science 332: 1062-1064, 27 May 2011. Se hacen eco de dicho artículo Andreas Heinrich y Sebastian Loth, “Physics: A Logical Use for Atoms,” Perspective, Science 332: 1039-1040, 27 May 2011.

En las tecnologías microelectrónicas convencionales los bits de información están representados en la carga almacenada en condensadores y son procesados ​​por puertas lógicas basadas ​​en transistores. Cualquier otra tecnología que pretenda sustituir al silicio debe ofrecer ambas cosas, un mecanismo fácil, rápido y eficiente para almacenar la información y otro mecanismo similar para realizar las operaciones lógicas. La espintrónica ofrece una buena solución al primer problema: el almacenamiento de información en los espines de los electrones permite una escritura y lectura de la información de alta velocidad y con un consumo de energía reducido. Sin embargo, las soluciones espintrónicas al segundo problema, la implementación de puertas lógicas, todavía están en fase emergente. Por ello el artículo de Khajetoorians et al. es un importante paso hacia adelante en las tecnologías espintrónicas. Aún así, hay que recordar que la fabricación de este tipo de nanodispositivos es lenta y complicada ya que colocar uno a uno los átomos en un sustrato adecuado utilizando una punta de un microscopio de efecto túnel.

Cada átomo puede estar en dos estados diferentes |0> o |1> dependiendo de la orientación de su magnetización. Khajetoorians et al. han construido cadenas lineales de estos átomos (cadenas antiferromagnéticas, porque acarrean un espín) en las que los átomos actúan como las cuentas de un collar de perlas. Estas cadenas están conectadas a dos imanes controlables capaces de inyectar pulsos de campo magnético en la cadena de átomos. Estos imanes con forma triangular actúan como señales de entrada del dispositivo. En la figura que abre esta entrada tenéis una imagen de este dispositivo incluyendo su funcionamiento observado mediante un microscopio de efecto túnel. En la figura las dos entradas son α y β; en la entrada α el estado se cambia de 1 a 0, o de 0 a 1 aplicando sendos pulsos magnéticos de +1,75 T y de −1,75 T, resp.; en la entrada β el estado cambia de 1 a 0, o de 0 a 1 aplicando pulsos magnéticos de −0,4 T y +0,4 T, resp. En la figura se muestra la actuación de una puerta lógica tipo OR (una disyunción lógica); los informáticos e ingenieros electrónicos notarán que Heinrich y Loth han utilizado el símbolo de una puerta AND en lugar de una OR en su figura; yo no he querido arreglar este error y he copiado su figura en la parte superior de la mía como ellos lo han presentado. Os recuerdo a los demás la diferencia; en una puerta AND la tabla de verdad es 00→0, 01→0, 10→0, y 11→1, pero en una puerta OR es 00→0, 01→1, 10→1, y 11→1; la parte inferior de la figura que abre esta entrada está extraída del artículo de Khajetoorians et al. y muestra una puerta OR (pero no presentan el símbolo circuital correspondiente en su artículo).

En resumen, aunque muchos dirán que implementar una puerta OR o una puerta NOT, solamente, es algo “pobre” comparado con los miles de millones de puertas que se implementan en los circuitos microelectrónicos convencionales, ello no quita que estemos ante un gran trabajo técnico en espintrónica que muestra que es un campo emergente con un futuro muy prometedor. Quizás dentro de 20 años (extrapolando la ley de Moore) lleguemos al momento en el que la ley de Moore deje de ser válida pues representar información en algo más pequeño que un átomo parece inimaginable, ¿o no?

4 Comentarios

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Juan Manuel Dato Ruiz

Esto promete ser un auténtico descubrimiento en toda regla. Efectivamente la escala es lo de menos, pues todas las operaciones lógicas se pueden reducir a un NAND. La pregunta que habría que hacerse es si serán capaces de calibrar las máquinas para hacerlo en cadena a nivel de microchip. Suena fascinante si pueden desarrollar esta tecnología que, de hecho según especulo yo, podría abrir las puertas a plantearse operadores cuánticos dentro de nuestros enfoques más clásicos ¿Sería posible desarrollar esta tecnología para incluir enmarañamientos? Yo creo que aquí es donde está el futuro del hardware.

josejuan

a + b = not ( not a * not b )
a * b = not ( not a + not b )

Es decir, únicamente con cambiar la interpretación de qué se considera 0 y qué 1 una AND pasa a ser una OR y al revés.

(Por supuesto que para implementar un circuito lógico únicamente hace falta NOT y una de las dos operaciones AND u OR).

En cualquier caso, gran avance, estoy ansioso por ver algún procesador (comercial al público) con alguna de las nuevas tecnologías (el computador cuantico de D-Wave no vale).

emulenewsemulenews

Gracias, Josejuan, quizás tenía que haber mencionado las leyes de De Morgan en mi entrada.

wachovsky

Representar, guardar o condensar información por parte nuestra en algo más pequeño que un átomo no es humanamente imaginable, pero que las unidades más pequeñas, subpartículas o cuerdas energéticas representan información de algo aún incomprendido es matemáticamente investigable.

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