El hardware molecular permitirá CPUs de 0,3 nm, ¿cómo funciona?

El hardware molecular permitirá CPUs de 0,3 nm, ¿cómo funciona?

Rodrigo Alonso

Desde que aparecieron los primeros chips de silicio para procesadores, el término «hardware molecular» es algo en lo que se lleva trabajando para convertirlo en realidad. Los fabricantes de hardware llevan ya mucho tiempo enfrentándose al reto que supone meter tantos transistores como sea posible en espacios cada vez más pequeños, y el hardware molecular podría ser la respuesta a todas sus plegarias. Pero, ¿por qué todavía no es una realidad? En este artículo vamos a ahondar en el concepto y a tratar de discernir la respuesta.

En el año 2014, Intel celebró el lanzamiento de los primeros procesadores que contaban con transistores aproximadamente 6.000 veces más pequeños que el diámetro de un solo cabello y, sin embargo, esto todavía quedaba muy lejos de lograr fabricar transistores a nivel molecular.

El 17 de junio de 2016 un grupo de investigadores de la universidad de Pekín pudo haber demostrado que este sueño estaba más cerca de la realidad de lo que pensábamos, y a medida que continua la carrera por crear hardware cada vez más pequeño, también podemos imaginar lo que esto supondrá para nosotros los usuarios, así como los desafíos a los que tendrán que enfrentarse los fabricantes para hacer realidad esta tecnología.

Hardware del tamaño de una molécula

Siempre que pensamos en una molécula, pensamos en algo extraordinariamente pequeño, tanto que solo se puede ver con un equipo altamente especializado. El problema es que, a diferencia de los átomos, las moléculas no siempre tienen dimensiones microscópicas. Cuando alguien habla de un transistor hecho con una sola molécula lo primero que deberíamos preguntarnos es ¿de qué tipo de molécula estamos hablando?

Y es que una cadena molecular puede ser enorme. Los polímeros como el ADN dentro de cada célula de nuestro cuerpo pueden medir entre 1,5 y 3 metros cuando se estiran por completo, y siguen siendo una molécula. Normalmente usamos términos como moléculas de agua como punto de referencia para el tamaño, y éstas miden aproximadamente 0,275 nanómetros de diámetro. El caso es que ni el ADN ni las moléculas de H2O pueden abarcar correctamente una representación adecuada del tamaño de los transistores para un procesador de PC.

Volviendo a la investigación de la universidad de Pekín que mencionamos antes, lo que sí sabemos es que lograron fabricar transistores utilizando electrodos de grafeno (una disposición molecular de carbono con un átomo de espesor) con grupos de metileno entre ellos. Lo que no han dicho es qué magnitud de tamaño tienen esos transistores, pero considerando cuán pequeños son los grupos de grafeno y metileno, sí podemos hacernos una idea de que su tamaño estaría cerca al de una molécula de agua.

El tamaño no lo es todo cuando hablamos de transistores

Si bien el concepto más importante en esta tecnología es el de poder meter cuantos más transistores en el menor espacio posible, reducir el tamaño de estos transistores no es lo único que se puede hacer para lograrlo. Además de conseguir hacer un transistor de tamaño molecular efectivo que tenga una vida útil significativamente más alta (al menos un año) que la de sus predecesores (unas pocas horas), los investigadores de Pekín también lograron otro gran avance.

hardware molecular

Si los transistores actuales son capaces de comunicarse moviendo electrones, lo que han logrado es que estos transistores moleculares se puedan comunicar entre sí moviendo fotones en su lugar. Los fotones viajan muchísimo más rápido que las ondas electromagnéticas (100 veces más rápido, concretamente), lo que significa que podríamos meter muchos más transistores en espacios pequeños y darle a cada uno de ellos un aumento de velocidad como solo el mismísimo Gordon Moore pudo llegar a soñar.

Estamos hablando pues de que no solo manejaríamos transistores tan pequeños como una molécula de agua, sino que además serían capaces de comunicarse 100 veces más rápido que los actuales. Si pudiéramos traducir esto en un procesador de sobremesa como los conocemos hasta ahora, significaría que tendríamos una CPU de igual tamaño pero con un consumo muy inferior y con un rendimiento hasta 100 veces superior.

Entonces, ¿por qué todavía no tenemos hardware molecular?

El problema que los investigadores se han encontrado con esta tecnología es el mismo que sucede siempre que tratamos con cosas a nivel atómico o molecular: es inestable. Por ejemplo, los campos electromagnéticos tienen una fuerte tendencia a hacer que las estructuras atómicas de los metales y otros materiales conductores cambien ligeramente. Tal cambio puede interpretarse como una señal (los unos y ceros del sistema binario por ejemplo), pero estos «granos» microscópicos de material también podrían hacer que los transistores funcionaran incorrectamente.

Por ahora, han logrado crear un transistor (que no es sino un interruptor, recordemos) que podría activarse y desactivarse unas 100 veces antes de «morir», y con una durabilidad de hasta un año. Si bien este es un logro maravilloso en comparación con lo que tenemos actualmente, como supondréis todavía no es algo viable, máxime cuando los transistores se abren y cierran millones de veces.

El primer desafío real ante el que nos enfrentamos es, pues, lograr aislar un entorno microeléctrico de tal manera que pueda funcionar durante más de una década, por lo menos.

Pero incluso si finalmente lograran construir un transistor molecular viable y duradero, nos encontraríamos ante el segundo desafío: fabricarlo en masa. En el futuro previsible, los circuitos integrados son el método de referencia para la comunicación interna del hardware, y hacer que este sistema funcione con sistemas moleculares es casi imposible.

En otras palabras, el tercer desafío sería adecuar el resto del hardware para que pudiera funcionar en conjunto con un procesador con transistores moleculares.

El futuro de esta tecnología

El esfuerzo por lograr fabricar hardware molecular es desde luego tentador y muy prometedor por los avances que ésto podrían suponer para la humanidad (y ya hablamos mucho más allá de un procesador para PC de sobremesa, por supuesto).

Si los fabricantes lograran superar los obstáculos tales como requerir temperatura criogénica para leer datos, deshacerse de la brecha de conectividad entre las moléculas y los circuitos electromagnéticos actuales y, de alguna manera, lograr que su vida útil fuera viable, podríamos estar ante una auténtica revolución tecnológica que cambiaría el mundo tal y como lo conocemos.