Los ordenadores magnéticos usan barras magnéticas para procesar la información. Fuente: Jeffrey Bokor lab.
Hoy en día, los microprocesadores basados en chips de silicio funcionan por corrientes eléctricas o electrones que se mueven generando una gran cantidad de calor residual. Sin embargo, los microprocesadores que emplean barras magnéticas de tamaño nanométrico para la memoria, la lógica y las operaciones de conmutación podrían operar sin la necesidad de electrones en movimiento.
Estos chips consumirían así la mínima energía permitida por la segunda ley de la termodinámica, la llamada “el límite de Landauer”, o lo que es lo mismo, un millón de veces menos energía por operación de la que consumen los ordenadores actualmente, según un comunicado publicado por la Universidad de California en Berkeley.
Uno de los autores de la presente investigación, Brian Lambson, estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, explica en dicho comunicado las ventajas de los microprocesadores magnéticos: “Hoy en día los ordenadores funcionan con electricidad; desplazando los electrones en un circuito se puede procesar la información. Un equipo magnético, por el contrario, no implica electrones en movimiento, sino que puede almacenar y procesar la información utilizando los imanes. Si se fabrican estos imanes de un tamaño muy pequeño, se pueden colocar muy juntos para que interactúen entre sí. Así es como somos capaces de hacer cálculos, memorizar y llevar a cabo todas las funciones de una computadora”.
Lambson trabaja en el desarrollo de ordenadores magnéticos junto a su profesor Jeffrey Bokor, quien codirige el Centro para la Eficiencia Energética de la Ciencia Electrónica (E3S), una institución científico-tecnológica fundada el año pasado con una subvención de 25 millones de dólares, provenientes de la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos.
Bokor sostiene que es posible crear circuitos reales que funcionen bien en el límite de Landauer, lo que representaría una enorme reducción en el consumo de energía para la electrónica. “Sería absolutamente revolucionario”, afirma. Tanto, que uno de los objetivos del centro que codirige es la construcción de ordenadores que operen en el límite de Landauer. Lambson, Bokor y otro estudiante graduado de Berkeley, David Carlton, han publicado un artículo acerca de sus análisis en la revista Physical Review Letters.
La teoría de Landauer
Hace cincuenta años, Rolf Landauer utilizó la teoría de la información para calcular la energía mínima de una operación lógica, como una operación de AND y OR, de acuerdo a la limitación impuesta por la segunda ley de la termodinámica (en una puerta lógica estándar con dos entradas y una salida, una operación AND produce una salida cuando se dispone de dos entradas positivas, mientras que una operación OR produce una salida cuando una o ambas entradas son positivas.) Esa ley establece que un proceso irreversible, como una operación lógica o el borrado de un bit de información, disipa la energía que no se pueden recuperar. En otras palabras, la entropía de cualquier sistema cerrado no puede disminuir.
Estos chips consumirían así la mínima energía permitida por la segunda ley de la termodinámica, la llamada “el límite de Landauer”, o lo que es lo mismo, un millón de veces menos energía por operación de la que consumen los ordenadores actualmente, según un comunicado publicado por la Universidad de California en Berkeley.
Uno de los autores de la presente investigación, Brian Lambson, estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, explica en dicho comunicado las ventajas de los microprocesadores magnéticos: “Hoy en día los ordenadores funcionan con electricidad; desplazando los electrones en un circuito se puede procesar la información. Un equipo magnético, por el contrario, no implica electrones en movimiento, sino que puede almacenar y procesar la información utilizando los imanes. Si se fabrican estos imanes de un tamaño muy pequeño, se pueden colocar muy juntos para que interactúen entre sí. Así es como somos capaces de hacer cálculos, memorizar y llevar a cabo todas las funciones de una computadora”.
Lambson trabaja en el desarrollo de ordenadores magnéticos junto a su profesor Jeffrey Bokor, quien codirige el Centro para la Eficiencia Energética de la Ciencia Electrónica (E3S), una institución científico-tecnológica fundada el año pasado con una subvención de 25 millones de dólares, provenientes de la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos.
Bokor sostiene que es posible crear circuitos reales que funcionen bien en el límite de Landauer, lo que representaría una enorme reducción en el consumo de energía para la electrónica. “Sería absolutamente revolucionario”, afirma. Tanto, que uno de los objetivos del centro que codirige es la construcción de ordenadores que operen en el límite de Landauer. Lambson, Bokor y otro estudiante graduado de Berkeley, David Carlton, han publicado un artículo acerca de sus análisis en la revista Physical Review Letters.
La teoría de Landauer
Hace cincuenta años, Rolf Landauer utilizó la teoría de la información para calcular la energía mínima de una operación lógica, como una operación de AND y OR, de acuerdo a la limitación impuesta por la segunda ley de la termodinámica (en una puerta lógica estándar con dos entradas y una salida, una operación AND produce una salida cuando se dispone de dos entradas positivas, mientras que una operación OR produce una salida cuando una o ambas entradas son positivas.) Esa ley establece que un proceso irreversible, como una operación lógica o el borrado de un bit de información, disipa la energía que no se pueden recuperar. En otras palabras, la entropía de cualquier sistema cerrado no puede disminuir.
En los transistores y microprocesadores de hoy este límite es muy inferior a otras pérdidas de energía que generan calor, principalmente a través de la resistencia eléctrica de los electrones en movimiento. Sin embargo, investigadores como Bokor están tratando de desarrollar equipos que no dependan de los electrones en movimiento para poder así acercarse al límite de Landauer.
Las pruebas de Lambson y Bokor
El equipo de la Universidad de California decidió poner a prueba teórica y experimentalmente la limitación de la eficiencia energética de un circuito magnético lógico simple y una memoria magnética. Para ello utilizaron nanoimanes de alrededor de 100 nanómetros de ancho y unos 200 nanómetros de largo. Dado que tienen la misma polaridad norte-sur de un imán, la orientación hacia arriba o hacia abajo se puede utilizar para representar el 0 y 1 de la memoria de un ordenador binario. Además, cuando se unen nanoimanes múltiples, sus polos norte y sur interactúan permitiendo operaciones de lógica simple.
Mediante una serie de cálculos y simulaciones por ordenador Lambson demostró que una operación simple de memoria se puede realizar con una disipación de energía muy próxima, si no idéntica, al límite de Landauer.
A continuación, se analizó una simple operación lógica magnética. La primera demostración exitosa de una operación lógica utilizando nanopartículas magnéticas se obtuvo en 2006 gracias al trabajo de investigadores de la Universidad de Notre Dame. Entonces, el equipo construyó una puerta lógica de tres entradas con 16 nanoimanes acoplados. Ahora Lambson ha calculado que un cómputo con tal circuito también disiparía la energía en el límite de Landauer. Debido a que el límite de Landauer es proporcional a la temperatura, los circuitos a bajas temperaturas serían aún más eficientes.
Por el momento, las corrientes eléctricas que se utilizan para generar un campo magnético para borrar o cambiar la polaridad de los nanoimanes disipan una gran cantidad de energía. En un contexto idóneo, los nuevos materiales harían innecesarias las corrientes eléctricas, excepto, tal vez, para transmitir información de un chip a otro.
Sin embargo, a medida que los investigadores se centran en reducir el consumo de energía los dispositivos se vuelven más susceptibles a las fluctuaciones aleatorias de los efectos térmicos y otros tipos de ruido. "La tecnología magnética que estamos estudiando resulta muy interesante para el bajo consumo de energía, pero ahora tenemos que encontrar la manera de hacerla más competitiva en velocidad, rendimiento y fiabilidad. Tenemos que garantizar que obtiene una respuesta correcta cada vez con un grado muy, muy, muy alto de fiabilidad”, concluye Bokor.
Las pruebas de Lambson y Bokor
El equipo de la Universidad de California decidió poner a prueba teórica y experimentalmente la limitación de la eficiencia energética de un circuito magnético lógico simple y una memoria magnética. Para ello utilizaron nanoimanes de alrededor de 100 nanómetros de ancho y unos 200 nanómetros de largo. Dado que tienen la misma polaridad norte-sur de un imán, la orientación hacia arriba o hacia abajo se puede utilizar para representar el 0 y 1 de la memoria de un ordenador binario. Además, cuando se unen nanoimanes múltiples, sus polos norte y sur interactúan permitiendo operaciones de lógica simple.
Mediante una serie de cálculos y simulaciones por ordenador Lambson demostró que una operación simple de memoria se puede realizar con una disipación de energía muy próxima, si no idéntica, al límite de Landauer.
A continuación, se analizó una simple operación lógica magnética. La primera demostración exitosa de una operación lógica utilizando nanopartículas magnéticas se obtuvo en 2006 gracias al trabajo de investigadores de la Universidad de Notre Dame. Entonces, el equipo construyó una puerta lógica de tres entradas con 16 nanoimanes acoplados. Ahora Lambson ha calculado que un cómputo con tal circuito también disiparía la energía en el límite de Landauer. Debido a que el límite de Landauer es proporcional a la temperatura, los circuitos a bajas temperaturas serían aún más eficientes.
Por el momento, las corrientes eléctricas que se utilizan para generar un campo magnético para borrar o cambiar la polaridad de los nanoimanes disipan una gran cantidad de energía. En un contexto idóneo, los nuevos materiales harían innecesarias las corrientes eléctricas, excepto, tal vez, para transmitir información de un chip a otro.
Sin embargo, a medida que los investigadores se centran en reducir el consumo de energía los dispositivos se vuelven más susceptibles a las fluctuaciones aleatorias de los efectos térmicos y otros tipos de ruido. "La tecnología magnética que estamos estudiando resulta muy interesante para el bajo consumo de energía, pero ahora tenemos que encontrar la manera de hacerla más competitiva en velocidad, rendimiento y fiabilidad. Tenemos que garantizar que obtiene una respuesta correcta cada vez con un grado muy, muy, muy alto de fiabilidad”, concluye Bokor.