Orbe, Año XII, No. 29, 2010

El cuarto elemento

A. González Arias

Los antiguos pensaban que sólo cuatro sustancias o elementos primigenios se encontraban en la esencia de todo lo que existe:  el agua, la tierra, el aire y el fuego. 

Los circuitos eléctricos y electrónicos contienen elementos activos y pasivos.  Los pasivos no requieren de una fuente de energía interna para funcionar, y tradicionalmente sólo se ha considerado la existencia de tres de ellos: las resistencias(R), las inductancias (L) y los condensadores (C), también conocidos como resistores, inductores y capacitores. 

El funcionamiento de estos tres dispositivos está asociado a 4 magnitudes electromagnéticas:  el voltaje (V), la corriente (I), la carga eléctrica (Q) y el flujo magnético(j), que se pueden agrupar por parejas de 6 maneras diferentes.  De esas seis, dos de ellas (I,Q) y (V,j) se relacionan por su variación en el tiempo (t); (de forma simplificada,  Q = It y j = Vt)  Otras tres relaciones, que no mostramos, definen los valores de R,L y C ya mencionados. Quedaba una sola pareja sin relacionar: el flujo j y la carga Q.

En 1971 León Chua, de la Universidad de Berkeley, predijo teóricamente la existencia de un nuevo elemento pasivo, basado en la relación entre j y Q, que vendría a ocupar el cuarto lugar vacante hasta el momento. Pero no fue hasta abril de 2008 -37 años después- que la firma Hewlett-Packard anunció la creación del primer dispositivo práctico que funciona sobre la relación del flujo y la carga:  el memristor.

¿Qué es un memristor?

El termino proviene de la unión de memoria y resistor, y es una especie de resistencia variable con memoria, pues su valor cambia (y con posterioridad permanece constante en el tiempo) cuando se le hace pasar un pulso de voltaje. Regulando el voltaje se pueden establecer dos valores de resistencia bien diferenciados, lo que permite almacenar datos empleando el sistema binario usual en las computadoras. Este sistema se basa en el empleo de sólo dos estados, on/off ó “1” y “0”.  Los datos pueden ser recuperados mas tarde, ‘interrogando’ al memristor con otro pulso de voltaje.

Se puede pensar que el memristor es como una tubería por donde pasa una corriente de agua –el flujo Vt-, pero de diámetro ajustable. Un resistor corriente equivale a una tubería convencional cuyo diámetro no varía.  Un memristor equivale a una tubería en la que el diámetro aumenta hasta un valor determinado cuando el agua pasa en un sentido (y la resistencia al paso de la corriente disminuye).  Pero si el agua pasa en sentido contrario, entonces el diámetro se reduce hasta otro valor y la resistencia aumenta.  Si se corta el flujo de agua, el diámetro del tubo permanece en el último valor alcanzado -y la resistencia se mantiene constante al pasar el tiempo-.

Se pronostican grandes avances gracias a estos dispositivos.  Por ejemplo, las computadoras deben ser reiniciadas cada vez que se encienden, porque sus circuitos lógicos son incapaces de conservar sus estados on/off una vez que se apagan. Los memristores podrían pasar a formar parte de los circuitos lógicos y ‘recordar’ voltajes, por lo que una computadora basada en memristores no debería necesitar reinicializarse en cada encendido. Se podrían dejar los archivos de texto y hojas de cálculo abiertas en la pantalla, apagar la computadora e irse a cualquier lugar.  Al regresar y encender de nuevo el equipo, aparecerían los datos en la pantalla tal como se dejaron.

Se vaticina que al emplear los memristores el procesador y la memoria llegarían a ser la misma cosa, cambiando por completo las ideas presentes acerca del funcionamiento de las computadoras.

Es conocido desde 1960 que, gracias a la reducción de tamaño de los dispositivos, la cantidad de transistores que se pueden introducir en una ‘pastilla’ o chip de computadora se duplica cada dos años, lo que se conoce como la Ley de Moore. Los chips de última generación emplean transistores con tamaños de unos 22 nanómetros (22 millonésimas de milímetro), pero está claro que la miniaturización no podrá seguir indefinidamente. Los memristores ofrecen un camino alternativo, que permitiría reducir aún más el tamaño tras alcanzar el límite máximo posible para los chips basados en transistores.

Por el momento, la velocidad a la que los memristores cambian su resistencia no alcanza para que se puedan emplear en la memoria principal de un ordenador (la que usa el procesador para almacenar programas y datos durante su funcionamiento).  Sin embargo, pueden ser utilizados en dispositivos de memoria secundaria como las memorias flash. La aspiración inmediata de la Hewlett-Packard es producir, para el 2013, una flash basada en memristores capaz de almacenar 20 gigabytes por centímetro cuadrado. Tal memoria también almacenaría la información unas 1000 veces más rápido que las memorias flash actuales.

Asimismo se especula hasta que punto podrían lograrse computadoras que imiten el funcionamiento del cerebro humano.  Cada neurona del cerebro está conectada a otras 10000 neuronas mediante las sinapsis.  No es posible lograr este tipo de conectividad con la electrónica basada en los transistores actuales. Sin embargo, los circuitos de memristores podrían llegar a superar este inconveniente.

Memristores de grafeno

En octubre de este año investigadores sudcoreanos crearon memristores flexibles utilizando el novedoso grafeno. La obtención del grafeno en 2004 mereció el premio Nóbel de Física en 2010.

Los memristores de grafeno tienen  un tamaño 1000 veces mayor que los de la Hewlett Packard, construidos con oxido de titanio, pero según expresan sus creadores, “no están diseñados para confeccionar memorias ultradensas; aquí las palabras claves son flexibles y baratos”.  Asimismo, aseguran que los memristores de grafeno han mantenido estable el estado de memoria inicialmente inducido desde su creación, no se degradaron después de ser doblados unas 1,000 veces  y han resistido cambiar del estado ‘on’ al ‘off’ unas 100,000 veces, cantidad similar a la permitida por una memoria flash convencional. Se espera que esa cifra aumente hasta un millón de veces en el futuro.