Los físicos e informáticos se plantean superar las limitaciones
físicas de los 'chips' de silicio.
PHILIP BALL ( 29-09-99)
En 1965, Moore hizo una predicción que se vio confirmada con asombrosa
precisión en las tres décadas siguientes: la potencia de los ordenadores
se duplicaría cada 18 meses. Este aumento se ha debido sobre todo al
tamaño cada vez más pequeño de los componentes electrónicos, de forma que
cada vez se pueden introducir más de ellos en un microprocesador o
chip. Un chip moderno de sólo medio centímetro cuadrado
contiene muchos millones de diminutos componentes electrónicos como los
transistores. Cada uno mide menos de una micra de diámetro, más o menos la
centésima parte del grosor de un cabello humano.
Estos componentes están hechos básicamente de silicio, que conduce la
electricidad, y de dióxido de silicio, que es un aislante. Para grabar las
tarjetas de circuito en microprocesadores de silicio se emplea actualmente
una técnica llamada fotolitografía, mediante la cual se forma sobre las
capas de silicio o de dióxido de silicio una película de polímero que
lleva el esquema del conjunto de circuitos. El patrón del circuito se
graba en la película de polímero exponiéndolo a la luz a través de una
máscara. A continuación se aplican sustancias químicas de grabado que
corroen el material de silicio no protegido.
Limitación
El tamaño de los elementos que se pueden crear mediante este
procedimiento está limitado por la longitud de onda de la luz utilizada
para fijar el patrón. Actualmente, pueden llegar a medir solamente una
quinta parte de una micra. Pero para crear componentes electrónicos aún
más pequeños -de hasta una décima parte de una micra de diámetro- los
fabricantes de microprocesadores necesitarán optar por una radiación de
una longitud de onda más corta: la luz ultravioleta de menor longitud, los
rayos X o los haces de electrones de alta energía.
Los grandes de los ordenadores todavía no se han puesto de acuerdo
sobre qué clase escoger, pero, en cualquier caso, los costes del
desarrollo de la nueva tecnología y de la posterior variación del proceso
de producción serán enormes. IBM, Motorola, Lucent Technologies y Lockheed
Martin se han visto obligadas a colaborar en el desarrollo de la
litografía de rayos X.
Pero la miniaturización no está limitada únicamente por la
fotolitografía. Aunque se puedan idear métodos para fabricar transistores
y otros dispositivos de un tamaño aún menor, ¿seguirán funcionando
eficazmente? La ley de Moore prevé que, para el año 2002, el
elemento más pequeño de un transistor de silicio, el aislante de la
puerta, tendrá un diámetro de sólo 4 ó 5 átomos. ¿Seguirá proporcionando
el aislamiento necesario esta capa tan fina?
Esta cuestión ha sido investigada recientemente por el físico David
Miller y sus compañeros de Lucent Technologies. Utilizaron tecnologías de
fabricación avanzadas para conseguir una película de dióxido de silicio de
un grosor de 5 átomos que introdujeron entre dos capas de silicio. En
comparación, los microprocesadores comerciales tienen aislantes de unos 25
átomos de grosor.
Miller y sus compañeros descubrieron que su ultradelgado óxido aislante
ya no era capaz de aislar las capas de silicio. Los investigadores
calcularon que un aislante de un grosor inferior a 4 átomos de ancho
tendría tantas pérdidas que sería inútil. De hecho, debido a las
limitaciones para fabricar películas perfectamente lisas, incluso
aislantes con el doble de grosor empezarían a romperse si se fabricasen
con los métodos actuales.
Por consiguiente, los transistores de silicio convencionales habrán
alcanzado sus dimensiones operativas mínimas en sólo una década más o
menos. Muchos tecnólogos informáticos afirman que, por el momento, el
silicio es "lo que hay"; pero puede que lo que hay se acabe pronto.
Por otra parte, intentar imaginar el ordenador del futuro es
arriesgarse a parecer tan absurdo como la ciencia ficción de los años
cincuenta, cuya visión del futuro era el torpe robot Robbie. Sin embargo,
a juzgar por los actuales sueños de los tecnólogos, podremos prescindir de
las cajas de plástico y de los chips de silicio.
Algunos dicen que los ordenadores se parecerán más a organismos, sus
cables e interruptores estarán compuestos de moléculas orgánicas
individuales. Otros hablan de practicar la informática en una cubeta de
agua, salpicada con hebras de ADN, el material genético de las células, o
enriquecida con moléculas que manipulen datos como respuesta a las
vibraciones de ondas de radio.
Una cosa parece segura: para que los ordenadores tengan cada vez más
potencia, sus componentes, los elementos básicos de los circuitos lógicos,
tendrán que ser increíblemente diminutos. Si la actual tendencia a la
miniaturización persiste, estos componentes alcanzarán el tamaño de
moléculas individuales en menos de un par de décadas, como hemos visto.
Los científicos ya están examinando el uso de moléculas de carbono
llamadas nanotubos como cables de tamaño molecular que pueden ser
utilizados para conectar componentes de silicio convencionales de estado
sólido.. Los nanotubos de carbono pueden medir sólo unas cuantas
millonésimas de milímetro, es decir, unos pocos nanometros, que equivale a
menos de una décima parte del diámetro de los cables más pequeños que se
pueden grabar en los chips de silicio comerciales.
Se trata de unos tubos huecos de carbono puro, que son extremadamente
fuertes y tienen la atracción añadida de que algunos de ellos conducen la
electricidad. Los científicos de la Universidad Stanford en California han
cultivado a partir de gas metano nanotubos de carbono que conectan dos
terminales de componentes electrónicos.
Pero la conexión de los cables es la parte fácil. ¿Pueden las moléculas
procesar información binaria? Es decir, ¿pueden combinar secuencias de
bits (los unos y los ceros codificados como impulsos eléctricos en
los ordenadores actuales) como las puertas lógicas compuestas de
transistores y de otros dispositivos de los chips de silicio? En
una operación lógica, algunas combinaciones de unos y ceros en las señales
de entrada generan otras combinaciones en las señales de salida.
De esta manera, los datos son comparados, ordenados, añadidos,
multiplicados o manipulados de otras formas. Algunas operaciones lógicas
han sido llevadas a cabo por moléculas individuales, con los bits
codificados no como impulsos eléctricos, sino como impulsos de luz o como
otros componentes moleculares. Por ejemplo, una molécula podría descargar
un fotón -una partícula luminosa- si recibiera un átomo de metal cargado y
un fotón de un color diferente, pero no si recibiera solamente uno de los
dos.
Sin embargo, nadie tiene una idea real de cómo conectar estas moléculas
a un circuito fiable y complejo que sirva para calcular, un auténtico
ordenador molecular. Algunos detractores dicen que la informática
molecular nunca será viable.
Cálculos con ADN
A principios de los años noventa, Leonard Adleman, de la Universidad de
California del Sur, propuso una forma diferente de utilizar moléculas para
calcular, e indicó que la base de datos de la propia célula -el ADN- se
puede utilizar para resolver problemas de cálculo.
Adleman se dio cuenta de que el ADN -básicamente una cadena de cuatro
componentes moleculares diferentes o bases que actúan como un
código de cuatro letras de la información genética- se parece notablemente
al ordenador universal postulado en los años treinta por el genio
matemático Alan Turing, que almacena información binaria en una cinta.
Diferentes cadenas de bases se pueden programar a voluntad en hebras
sintéticas de ADN utilizando las técnicas de la biotecnología moderna; y
después estas hebras se pueden generar, cortar y ensamblar en cantidades
ingentes. ¿Se podrían utilizar estos métodos para convencer al ADN de que
calculase como una máquina de Turing?
Adleman vio que el sistema del ADN podría ser especialmente apto para
resolver problemas de minimización, como por ejemplo encontrar la ruta más
corta para conectar varias ciudades. Este tipo de problemas es uno de los
que más les cuesta resolver a los ordenadores convencionales, ya que el
número de rutas posibles aumenta muy rápidamente a medida que se incluyen
más ciudades. Un ordenador corriente tarda mucho en examinar todas esas
opciones. Pero si cada solución posible está codificadas en una hebra de
ADN, el problema no parece tan terrible, porque incluso una simple pizca
de ADN contiene muchos billones de moléculas. de forma que sólo hace falta
separar las hebras de ADN que tienen codificada la mejor solución.
Esto se puede hacer utilizando métodos biotecnológicos que reconocen
secuencias cortas específicas de las bases de una hebra de ADN.En
realidad, este procedimiento no es más que una forma ligeramente poco
ortodoxa de encontrar una solución: en primer lugar, encontrar todas las
soluciones posibles y después utilizar operaciones lógicas para
elegir la correcta. Pero, como todo ocurre paralelamente -todas las
posibles soluciones son creadas y examinadas al mismo tiempo- el proceso
puede ser muy rápido.
El cálculo por ADN ha sido demostrado en principio, pero todavía no se
ha probado que resuelva problemas que un ordenador convencional no pueda
resolver. Parece más apto para un conjunto de problemas bastante
específico, como la minimización y la codificación que como método de
cálculo para cuestiones de todo tipo.
El mundo cuántico
Ya en los años sesenta, algunos científicos informáticos se percataron
de adónde les llevaba la miniaturización: hacia el reino cuántico, donde
las reglas contraintuitivas de la mecánica cuántica gobiernan el
comportamiento de la materia. A medida que los dispositivos convencionales
de los circuitos se vuelven más pequeños, los efectos cuánticos se
convierten en un aspecto cada vez más importante de su comportamiento.
¿Podría ser factible, se preguntaron, convertir esta posible complicación
en una ventaja?
Esta sugerencia dio fruto en los años ochenta, cuando los físicos
empezaron a observar atentamente cómo podría operar un ordenador bajo la
influencia de la mecánica cuántica. Lo que descubrieron fue que podía
ganar enormemente en velocidad.
La diferencia crucial entre procesar información en el mundo cuántico y
en el clásico es que el primero no es blanco y negro. En un ordenador
clásico, todos los bits de información son o una cosa u otra: o un 1 ó un
0. Pero un bit cuántico, un qubit , puede ser una mezcla de ambos.
Los objetos cuánticos pueden existir en una superposición de estados que
es clásicamente exclusiva, como el famoso gato de Schrödinger que no está
ni vivo, ni muerto, sino en una superposición de las dos cosas.
Esto significa que una serie de interruptores cuánticos -objetos en
estados cuánticos bien definidos, como átomos en diferentes estados de
excitación- posee bastantes más configuraciones de qubits que la
correspondiente serie clásica de bits. Por ejemplo, mientras que una
memoria clásica de tres bits puede almacenar sólo una de las ocho
configuraciones posibles de unos y ceros, la correspondiente serie
cuántica puede almacenar las ocho, en una superposición de estados.
Esta multiplicidad de estados da a los ordenadores cuánticos bastante
más potencia y, por lo tanto, bastante más velocidad, que a sus compañeros
clásicos. Pero, en realidad, plasmar estas ideas en un dispositivo físico
supone un reto descomunal. Una superposición cuántica de estados es una
cosa muy delicada, y difícil de mantener, sobre todo si está extendida por
un enorme conjunto de elementos lógicos. Una vez que esta superposición
empieza a interactuar con su entorno, comienza a desplomarse y la
información cuántica se pierde por los alrededores.
Algunos investigadores creen que este problema volverá la informática
cuántica a gran escala -en la que grandes cantidades de datos son
manipulados en multitud de pasos- imposiblemente delicada y difícil de
manejar. Pero el problema ha sido aminorado en los últimos años por el
desarrollo de algoritmos que permitirán funcionar a los ordenadores
cuánticos, a pesar de los pequeños errores introducidos por este tipo de
pérdidas.
Allá por 1947, cuando se inventó el transistor, nadie imaginaba lo
rápidamente que llevaría a los superordenadores de hoy en día. Quizá ahora
nos encontremos en un momento comparable con respecto a los ordenadores
cuánticos, que se materializarán antes de lo que nadie osaría imaginar.
A los ordenadores actuales sólo les quedan dos
generaciones más para poder seguir siendo al mismo tiempo más pequeños y
más potentes, las dos generaciones que se calcula que permiten las
tecnologías actuales de miniaturización de sus circuitos básicos. La
perspectiva de no poder mantener esta tendencia no gusta nada a los
físicos y técnicos informáticos, por lo que, apoyados por las grandes
empresas del sector, están buscando enfoques completamente nuevos para los
ordenadores del futuro. Ninguno de estos enfoques se presenta sencillo
pero todos son sugerentes, aunque arriesgarse a imaginar uno de estos
ordenadores - moléculares, cuánticos o de ADN- resulta todavía prematuro.
Cualquiera que compre un ordenador hoy en
día sabe que quedará obsoleto en un par de años. Ahora damos por sentado
el inexorable aumento de la potencia de los ordenadores. Pero eso no puede
seguir así eternamente, al menos, si los ordenadores siguen estando
basados en las actuales tecnologías. Gordon Moore, cofundador de Intel y
uno de los gurús de la tecnología de la información, prevé que los métodos
de miniaturización existentes sólo ofrecerán dos generaciones más de
ordenadores antes de que se agote su capacidad.