El futuro de la ley de Moore, el memristor y la Fórmula 1

Por Francisco R. Villatoro, el 28 abril, 2011. Categoría(s): Ciencia • Física • Informática • Physics • Science ✎ 3
Kimi Raikkonen ganador del Gran Premio de España 2005 conduciendo un McLaren MP4-20.

La Hoja de Ruta Internacional para la Tecnología de Semiconductores (ITRS 2010) prevee que en el año 2019, las memorias RAM dinámicas (DRAM) con canal de 16 nm tendrán una capacidad de alrededor de 46 GB/cm² (gigabytes por centímetro cuadrado) si su eficacia por unidad de área es del 100%. Las memorias ROM basadas en (nano)memristores (MROM) prometen una capacidad superior a 110 GB/cm² y 460 GB/cm² para los dispositivos  con canal de 10 y 5 nm, respectivamente. Las memorias MROM son más lentas que las DRAM, aunque estas últimas necesitan de un refresco continuo (al menos cada 16 ms). Gracias a las MROM la Ley de Moore seguirá cumpliéndose durante las próximas dos décadas. En este blog ya hemos hablado del memristor en dos ocasiones (aquí y aquí), quizás convenga recordarlo una vez más. Me basaré en el artículo de O. Kavehei et al., «The fourth element: characteristics, modelling and electromagnetic theory of the memristor,» Proceedings of the Royal Society A 466: 2175-2202, 8 August 2010 [el artículo es de acceso gratuito].

Los elementos pasivos clásicos de los circuitos eléctricos son tres: el condensador (C), la resistencia (R) y la inductancia (L), que fueron descubiertos en 1745, 1827 y 1831, respectivamente. Estos elementos relacionan entre sí las cuatro magnitudes fundamentales de la teoría de circuitos: la corriente eléctrica (I), el voltaje (V), la carga eléctrica (Q) y el flujo magnético (φ). Las leyes que rigen el comportamiento de los tres elementos pasivos son bien conocidas: V = R I para la resistencia, Q = C V para el condensador y φ = L I para la inductancia. Leon O. Chua propuso en 1971 la existencia de un cuarto elemento pasivo al que llamó memristor (M) porque era como una resistencia con memoria y cuya ley circuital sería φ = M q. En el caso lineal, este elemento se comporta como una resistencia (o una conductancia), pero en el caso no lineal el comportamiento es diferente (presenta una histéresis). Chua demostró que a partir de las leyes de Maxwell es posible deducir la existencia de un dispositivo pasivo que se comporte como un memristor, pero fue incapaz de imaginar qué tecnología sería capaz de fabricarlo. En su lugar propuso una modelo circuital del memristor basado en dispositivos activos (amplificadores operacionales) que permite simular su comportamiento como dispositivo pasivo.

En 2008 científicos de los Hewlett-Packard Labs liderados por R. Stanley Williams fabricaron mediante nanotecnología el primer memristor (y lo publicaron en Nature). En 1995 HP decidió crear un grupo de investigación básica para desarrollar proyectos a largo plazo y puso a Williams a su cargo con «carta blanca» para trabajar en cualquier tema que quisiera. Se creía entonces que el límite físico último para la tecnología de los transistores era un canal de 0’35 μm (350 nm). Williams decidió utilizar la manipulación de átomos mediante microscopios de barrido por efecto túnel (STM) para diseñar dispositivos 100 veces más pequeños (0’3 nm). Parecía algo ridículo, imposible, pero tenía «carta blanca» y tenía que pensar a lo grande. Más de cien científicos e ingenieros han pasado por el laboratorio a su cargo. Sus primeros dispositivos, fabricados manipulando átomo a átomo, se comportaban de forma extraña y no parecía que fueran a tener ninguna utilidad práctica. Además, no conocían ningún modelo físico que permitiera describir sus propiedades. En 2002 tenían algo que funcionaba, pero no entendían por qué ni para qué podría servir. Su colaborador Greg Snider le dijo a Williams en 2002 que la histéresis del diagrama corriente-voltaje de su «dispositivo» se parecía a la del memristor de Chua y le retó: ¿por qué no fabricas un memristor? Dos años le costó a Williams entender la relación entre el «oscuro» artículo de Chua y su dispositivo. Williams recuerda que el 20 de agosto de 2006 resolvió las dos ecuaciones más importantes de su carrera, las que demuestran que su dispositivo era el memristor de Chua. Un mes más tarde ya eran capaces de controlar sus dispositivos y cambiar a voluntad sus propiedades. El camino hacia un memristor con 4 nm de ancho estaba allanado y la gloria sonreía a Williams. La historia del memristor, el eslabón perdido de la teoría de circuitos, es apasionante. Te recomiendo la lectura del artículo de R. Stanley Williams, «How We Found the Missing Memristor,» Cover paper, IEEE Spectrum, December 2008.

Los memristores tienen propiedades muy curiosas como también ocurre con otros elementos no lineales. Por ejemplo, funcionan mejor bajo cierto nivel de ruido. Alexander Stotland y Massimiliano Di Ventra, ambos de la Universidad de California en San Diego, han estudiado los efectos del ruido sobre la dinámica de los memristores. Su conclusión es sorprendente: los memristores son inmunes a muchos tipos de ruido y, además, su memoria mejora con cierto nivel de ruido. Este fenómeno es análogo a la resonancia estocástica: cierto nivel de ruido mejora la sensibilidad de ciertos sistemas en lugar de degradarla. La fuente de ruido más natural en un dispositivo electrónico es debido a la temperatura (ruido térmico). Nos lo ha contado KFC, «Next Generation Memories Will Be Improved By Noise,» arXiv blog, 27 abr. 2011, haciéndose eco del artículo técnico de Alexander Stotland, Massimiliano Di Ventra, «Stochastic memory: getting memory out of noise,» ArXiv, 22 Apr 2011.

¿Qué tiene que ver el memristor con la Fórmula 1? En 1972, G. F. Oster y D. M. Auslander propusieron que podría existir un análogo mecánico al memristor. Nadie ha sido capaz de fabricarlo, sin embargo, muchos lo han intentado. La búsqueda de elementos mecánicos equivalentes a los elementos circuitales tuvo un avance reciente en 2009 cuando Michael Z. Q. Chen et al. propusieron que un nuevo componente de suspensión mecánica inventado por el equipo McLaren de Fórmula 1, llamado J-damper, era un inertor. Kimi Raikkonen utilizó por primera vez el J-damper en su McLaren MP4-20 en el Gran Premio de España de 2005, donde logró una victoria aplastante. En McLaren le llamaron J-damper para despistar a los demás equipos, ya que la «J» no significa nada y no es un amortiguador (damper). El objetivo era mantener esta tecnología en secreto. Pero el espionaje del equipo Renault logró descubrir el secreto del J-damper en 2007 (noticia en la FIA). Gracias a los pocos datos publicados en la prensa automovilística sobre su funcionamiento Chen et al. propusieron que se trataba de un inertor. Os recuerdo la analogía entre circuitos eléctricos y sistemas mecánicos: muelle ↔ inductancia, amortiguador ↔ resistencia y masa ↔ condensador (pero con un terminal conectado a tierra). Un elemento circuital tipo condensador con ningún terminal conectado a tierra no tiene análogo mecánico. Malcolm Smith propuso en 2002 un elemento de este tipo, con dos terminales de tal forma que la fuerza aplicada a dichos terminales es proporcional a la aceleración relativa entre ellos. Smith introdujo el término «inertor» para este dispositivo.

El inertor ha sido encontrado pero el equivalente mecánico del memristor todavía se encuentra en la agenda de los investigadores. ¿Será descubierto por un equipo de Fórmula 1? Quizás el coche de carreras que posea este tesoro será el ganador de todos los grandes premios (hasta que los espías desvelen de nuevo su secreto o la FIA tome cartas en el asunto).



3 Comentarios

  1. Yo iría incluso más lejos…, si al final resulta que la nomenclatura diseñada a partir de los memristores consigue hacer desaparecer dimensiones espúreas con el fin de simplificarlo todo hasta reexplicar la teoría atómica: como diciendo que los electrones entran en resonancia con los protones y generan algún tipo de memristor o yo-qué-sé con los neutrones…, en principio todo apunta a que la reformulación de la física podría ayudar a entender conceptos que hasta ahora se consideraron demasiado complicados, para hacerlos más naturales o incluso reevaluar la idea de entropía.

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