Nanordenadores

«Nano» es un prefijo griego que en nuestra moderna jerga científica significa mil veces más pequeño que micro. Así un nanómetro es mil veces más pequeño que un micrómetro (y un micrómetro es algo muy pequeño, exactamente un millón de veces más pequeño que un metro) así pues en un metro «caben» mil millones de nanómetros.

Ahora bien, ¿significa eso que los nanoprocesadores del futuro serán mil veces más pequeños que los microprocesadores del presente? Si las promesas de la nanotecnología son ciertas desde luego que sí, no sólo mil veces más pequeños, sino quizá un millón de veces más pequeños (¿tendremos que hablar entonces de picoprocesadores? «Pico» es un prefijo que quiere implica un millón de veces más pequeño que micro)

La nanotecnología es la ciencia que se ocupa de la creación de dispositivos, bien sea mecánicos, electrónicos, pero mayormente químicos, de tamaño moleculares, es decir en el rango de los nanómetros.

Así pues, los investigadores dentro de este campo buscan crear «máquinas» capaces de operar con moléculas individuales. Entre las «máquinas» que pretenden construir se encuentran, como no podía ser de otra manera, dispositivos capaces de realizar computación, es decir, ordenadores. Estamos hablando aquí de ordenadores «probeta», puesto que el procesador consistirá en un cristal molecular creado en un tubo de ensayo a partir de una reacción química y no algo penosamente dibujado e impreso sobre una oblea de silicio (que técnicamente es también un cristal, aunque de naturaleza diferente).

Los más avanzados microprocesadores actuales (al estilo Pentium y similares) contienen entre 10 y 50 millones de transistores que actúan como puertas lógicas, realizando las operaciones AND (Y), OR (O), NOT (NO), o XOR (O EXCLUSIVO), entre otras. Si se pudiesen crear puertas lógicas de tamaño molecular se podría empaquetar en el mismo espacio de un Pentium actual la friolera cantidad de 100.000.000.000.000.000.000.000 puertas o transistores, es decir, mil billones de veces más transistores que cualquier procesador actual, y es bien sabido que cuanto mayor es el número de transistores dentro del procesador mayor capacidad de proceso tiene éste.

Con esta promesa en perspectiva no es de extrañar que exista una enorme expectativa con las investigaciones en torno a esta área, pues la ganancia teórica (aumentar la capacidad de proceso mil billones de veces) es absolutamente mareante y han sido unos

investigadores de los laboratorios de Hewlett-Packard en colaboración con investigadores de la Universidad de California en Los Angeles los que han conseguido crear las primeras puertas lógicas de tamaño molecular, lo que supone un enorme paso adelante en la construcción de un nanoprocesador.

Las moléculas empleadas se conocen con el nombre de rotaxanos, son moléculas orgánicas, es decir, su «esqueleto» está formado por átomos de carbono cuya forma tridimensional se asemeja a las pesas de los deportistas unidas por una barra con anillos (ver la Figura 1 para un esquema idealizado de un rotaxano y las Figuras 2 y 3 para un ejemplo de unos de ellos más realista).

Estas moléculas tienen unas propiedades eléctricas muy interesantes y dependiendo de la posición en la que se encuentren colocados los anillos se comportan de manera diferente cuando se les aplica una corriente eléctrica, de tal manera que pueden estar en la posición abierta o en la posición cerrada. Se puede utilizar una corriente eléctrica para «leer» en qué estado se encuentran los anillos, ya que la intensidad de la corriente se ve afectada de diferente manera si los rotaxanos están abiertos o cerrados. El paso de cerrado a abierto se produce cuando se aplica la corriente con un determinado voltaje. Pero aún hay más, y es que pueden adoptar una tercera forma, también llamada abierta, en la que se realiza, además, una reacción química oxidativa a la vez que se aplica la corriente para abrir la molécula. El comportamiento eléctrico es diferente en los tres estados, lo que da lugar a una molécula extraordinariamente versátil, para ser utilizada como elemento de una puerta lógica.

Cuando se pasa de cerrada a abierta utilizando solamente una corriente eléctrica se puede volver a cerrar la molécula, con lo que el proceso es reversible, de tal manera que los dispositivos creados con esta tecnología son reversibles. Por el contrario, cuando se «abre» la molécula a la vez que se la oxida, no es posible volver a cerrarla y queda en este estado de manera permanente. Esto puede servir para reconfigurar un ordenador creado con estos dispositivos, de tal manera que si se quiere anular una determinada línea de comunicación que se ha comprobado es errónea se puede abrir la molécula que conecta esta línea de manera irreversible. Esta propiedad es particularmente interesante cuando se trata de construir un ordenador basado en una arquitectura Teramac.

Los rotaxanos pueden ser configurados de maneras diferentes y han sido utilizados no sólo como elementos de computación sino también formando parte de nanomotores (ver Figuras 4 y 5).

 

Es el nombre de guerra de una iniciativa para introducir miríada de dispositivos inteligentes conectados por radio de tal manera que hagan realidad la idea de la computación pervasiva (es decir, en todas partes) sin ser invasiva (es decir, de tal manera que no sea visible por el usuario). Así será posible añadir inteligencia a cualquier cosa, libros que se autoañaden a la base de datos bibliográfica de nuestro ordenador de casa. Habitaciones que nos reconocen por la ropa o las joyas que llevemos, llaves electrónicas personalizadas para el coche, la bicicleta, nuestra cámara de fotos, etc., todos actuando en conjunción para ayudarnos en nuestra tarea diaria, eliminando, en lo posible, las tareas aburridas o repetitivas.

También es la tecnología que podría emplearse para construir los llamados materiales inteligentes (Smart Materials), como por ejemplo la pintura de uñas universal. Según los investigadores de esta tecnología se podría llegar a crear una pintura de uñas, en principio, transparente que podría cambiar de color por medio de la voz y tantas veces como se quiera. El color vendría dado por las modificaciones moleculares que se producirían en la superficie de la pintura aplicada, basándose en un principio similar al que da color a las alas de las mariposas (difracción), de tal manera que los nanordenadores, una vez reconocen el color al que la pintura de uñas debe cambiar, dirigirían una serie de nanomáquinas a la superficie de la capa de pintura para modificar la disposición de los átomos de la misma agrupándolos en configuraciones diferentes, de tal manera que difracten la luz en un color diferente. No sólo eso, sino que también podrían impregnar e infiltrar la uña con una red de carbono, en forma de diamante, dando una resistencia inaudita a las uñas (evidentemente también tendrá que crearse un cortauñas adecuado para tal pintura de uñas).

La industria de los cosméticos no es sino una más de las multi-billonarias industrias que podrían verse afectadas por esta tecnología, ya que con el increíble poder de computación que estamos hablando sería sencillo transformar este color de uñas favorito en uno más de los monitores de nuestro ordenador o en una televisión, o en un teléfono. Evidentemente las posibilidades parecen ser ilimitadas.

Nanordenadores Ordenadores microscópicos

Relacionado con la nanotecnología está la microtecnología. Sin embargo, no estamos hablando de construcción de circuitos electrónicos sino de la construcción de micromáquinas o de la integración de micromáquinas dentro de los circuitos electrónicos, de tal manera que se pueda añadir micro-receptores de estímulos y micro-efectores de respuestas directamente sobre el chip.

La microtecnología trata de crear máquinas mecánico/electrónicas del tamaño de un grano de polen. En una máquina de este tamaño la fuerza de gravedad carece de importancia, pues es tan pequeña como para ser ignorada. Tampoco existen las fuerzas de inercia (por la misma razón, el tamaño) y solamente tienen sentido fuerzas como la tensión superficial o las fuerzas atómicas (nos referimos a las fuerzas electrónicas entre átomos, no al tipo de energía liberada en una bomba atómica, en cuyo caso no son fuerzas de la superficie del átomo sino fuerzas en el núcleo del mismo las que entran en consideración).

Con la construcción de micromáquinas dentro de los chips se pretende construir chips capaces de recibir estímulos del entorno y capaces de reaccionar frente a ellos. Por ejemplo, algunos de los prototipos de micromáquinas construidos en los laboratorios Sandia National Laboratories en Estados Unidos son la cadena de rodillos como el de la Figura 6, los pistones hidráulicos de la Figura 7 o el obturador óptico de la Figura 8.

Por poner un ejemplo, la cadena de rodillos es capaz de girar a 250.000 revoluciones por minuto.

Problemas que solventar

Ahora bien, los obstáculos que aún quedan por resolver son tan formidables, o más, como los que se han resuelto hasta la fecha, por lo que no es de esperar que esta tecnología produzca frutos que lleguen a nuestras casas dentro de una o dos décadas. Algunos de estos obstáculos son los siguientes:

En primer lugar, un montón de puertas lógicas no son capaces de realizar ninguna computación a menos que se encuentren conectadas entre sí de alguna manera coherente, es decir, es la combinación de sus puertas lógicas de una manera determinada lo que diferencia unos procesadores de otros, y lo que en definitiva hace que realicen tareas interesantes. Ahora bien, para conectar puertas lógicas de tamaño molecular es necesario disponer de «cables» de tamaño molecular capaces de transmitir la información desde la salida de una puerta lógica hasta la entrada de una o más puertas lógicas, algunos de los «cables» más prometedores consisten en nanotubos de carbono metálico (ver Figuras 9 y 10).

Pero crear los «cables» y colocarlos en las conexiones adecuadas, sobre todo cuando hablamos de miles de trillones de «transistores moleculares», no será una tarea sencilla.

Cuando se crean cristales de manera química es inevitable la aparición de imperfecciones o impurezas. Sin embargo, los ordenadores que se creen a partir de estos dispositivos deben funcionar a la perfección, al menos en la parte del hardware, pues seguramente seguiremos sufriendo los constantes errores de las aplicaciones y los programas. Así pues los nanoprocesadores necesitan de una arquitectura que sea capaz de realizar computaciones perfectas a partir de elementos defectuosos y con errores.

En el artículo del mes pasado comentamos una de tales arquitecturas, que se utilizó para construir el ordenador Teramac, en el que se contaron más de 200.000 errores de hardware y aun así era capaz de funcionar a la perfección y dar resultados correctos. La arquitectura Teramac se basa en dos elementos diferenciadores; por una parte los elementos que realizan la computación (las puertas lógicas) deben ser dinámicamente configurables (configurables por programa) y por otro lado, tan importante o más que los elementos de computación son las conexiones entre los mismos, de tal manera que existen conexiones redundantes entre las puertas lógicas, lo que permite seleccionar el mejor camino de conexión entre muchos posibles. Es esta redundancia de conexiones el aspecto que proporciona la robustez al Teramac. Así pues es posible crear un nanoprocesador a partir de componentes defectivos si se diseña utilizando una arquitectura de tipo Teramac.

Esta tecnología podría utilizarse en la construcción del llamado «intelipol» o polvo inteligente.

 

Texto: Rafael Hernández

BIBLIOGRAFÍA

http://www.nanocomputer.org
Drexler, K. Eric. Engines of Creation. New York. Doubleday. 1986.
https://web.archive.org/web/20020607152339/http://www.uclanews.ucla.edu:80/Docs/SWHL271.html
Collier, C.P. et al. Electronically Configurable Molecular-Based Logic Gates. SCIENCE vol 285. 391-394 (1999)