El secreto de los memristores : Revista Pesquisa Fapesp

IBM Ilustración de una red neuronal basada en memristores: estos nanocomponentes funcionarían de modo similar a las sinapsisIBM

En 1971, un profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) publicó un trabajo en el cual proponía la existencia de un nuevo componente básico de la electrónica. Leon Chua postuló la idea de que podría haber un resistor con memoria: el memristor, con propiedades únicas, de confeccionárselo a escala nanométrica. Este elemento, en ese entonces un concepto teórico y matemático, sería capaz de oscilar casi instantáneamente entre el comportamiento de un aislante y el de un semiconductor, y de “recordar” su último nivel de resistencia eléctrica cuando dejase de recibir una corriente. Sólo en 2008, 37 años después, un equipo de HP Labs, en Estados Unidos, produjo el primer circuito basado en el componente elusivo. Los investigadores elaboraron una nanopelícula de óxido de titanio con memristores de 15 nanómetros. A partir de ese trabajo, el memristor pasó a conocerse como un comodín en potencial de la naciente nanoelectrónica. Sería capaz de desempeñar, más rápido, con un menor consumo de energía y en un menor espacio físico, las dos tareas más básicas de una computadora: procesar (como un chip con transistores de silicio) y almacenar (como los discos rígidos de las PCs y la memoria flash de los pen drives) información.

Hasta ahora no se sabe a ciencia cierta por qué los memristores funcionan de manera singular, aunque algunas empresas, tales como la gigante Panasonic y la pequeña Knowm, de Nuevo México (EE.UU.), ya comercializan tímidamente versiones modestas de chips basados en este componente. El movimiento de algunos átomos de oxígeno en el interior de nanopelículas de óxidos metálicos, cuando se los somete a distintas corrientes eléctricas, es la tesis más aceptada para justificar las propiedades singulares de los memristores. Un equipo de físicos teóricos de las universidades Federal del ABC (UFABC), Estadual Paulista (Unesp) y Nacional de Yokohama (Japão) propuso a comienzos de julio, en un artículo publicado en Scientific Reports, una explicación alternativa de este fenómeno: la circulación de electrones sería la principal responsable de las características de este componente, dado que el “andar” de átomos no sería lo suficientemente rápido como para producir los efectos atribuidos a los memristores.

Estos componentes pueden alterar su resistencia en razón del paso de una corriente eléctrica en pocos picosegundos (la billonésima parte de un segundo equivale a un picosegundo). “No estamos afirmando que este efecto se deba únicamente a un fenómeno electrónico”, explica Gustavo Dalpian, físico de la UFABC y coordinador del equipo que elaboró el estudio teórico, realizado en el marco de un proyecto temático de la FAPESP. “Pero creemos que sólo la oscilación de los átomos en el interior del material no sería suficiente como para explicar las características de los memristores”. De acuerdo con el artículo, en determinadas configuraciones internas de sus átomos, como en las llamadas fases deficientes en oxígeno del óxido de titanio, los memristores logran almacenar carga. “Esto altera sus propiedades electrónicas y, por consiguiente, su capacidad de conducir o no la electricidad”, afirma el físico Antonio Claudio Padilha, otro coautor del estudio, quien realizó su doctorado sobre el tema en la UFABC y actualmente realiza un posdoctorado en la Universidad de York, en Inglaterra.

La nueva propuesta de teoría tendiente a dilucidar la naturaleza del funcionamiento de los memristores aún requiere el respaldo de datos provenientes de experimentos. Algunos investigadores que trabajan desde hace más tiempo en el área muestran su escepticismo con relación al traslado del enfoque explicativo del fenómeno de los átomos a los electrones. Tal es el caso del físico Gilberto Medeiros-Ribeiro, de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG). En abril de este año, tres meses antes del artículo de Dalpian y sus colaboradores, Medeiros-Ribeiro y un equipo de investigadores de HP reforzaron la hipótesis tradicional sobre el mecanismo de funcionamiento de este tipo de componentes con nuevas evidencias.

En un artículo publicado en Nature Communications, los científicos informaron acerca de la medición de un ruido interno originado por el movimiento de iones (átomos que perdieron o ganaron electrones) en un sistema con memristores elaborados con óxido de tántalo. “El ruido era 10 mil veces mayor en los puntos de contacto entre los átomos y en los electrodos del circuito”, informa Medeiros-Ribeiro, quien trabajó durante cuatro años y medio en HP Labs como gerente de investigación con memristores antes de su contratación en la universidad de Minas Gerais. “En las dimensiones de nuestros dispositivos, basta con que un átomo de oxígeno ‘avance’ una posición atómica dentro del memristor para que su resistencia disminuya 10 veces”. En el estudio, Medeiros-Ribeiro y sus colegas de la empresa estadounidense crearon memristores en los cuales el canal interno, el espacio donde los iones podrían moverse, equivalía al espesor de un átomo. Como la radiación cósmica de fondo constituye uno de los indicios de la existencia del Big Bang, ese ruido interno excesivo de los memristores, que ocurre únicamente en condiciones de contacto atómico, sería una evidencia del movimiento de los iones dentro del material.

Pese a que los memristores no requieren de condiciones especiales para funcionar, trabajos anteriores de Medeiros-Ribeiro y de otros investigadores indican que pueden ocurrir enormes variaciones de temperatura en puntos específicos de esos componentes. “El circuito en su totalidad se encuentra a temperatura ambiente, pero los puntos de contacto entre los óxidos metálicos y los electrodos pueden llegar a los 800 graus Celsius”, explica Medeiros-Ribeiro. Esa acumulación de calor en determinadas regiones también explica el rápido movimiento de los átomos dentro de esos componentes, según el físico de la UFMG.

HP Labs Prototipo de componente con la nueva tecnología de HP…HP Labs

La estructura de un memristor es sumamente sencilla. Se trata de un nanofilme compuesto por hilos de un óxido metálico de entre 20 y 50 nanómetros de ancho, conectado a dos electrodos de metal, los referidos puntos o polos de contacto. Si no fuese por su diminuta escala, esencial para que presente sus particularidades, podría confundirse a los memristores con resistores convencionales, uno de los tres componentes pasivos (que no generan energía) fundamentales de los circuitos electrónicos, junto a los capacitores y a los inductores. “Los memristores son componentes relativamente fáciles de fabricar, aunque quedan todavía muchas preguntas sin respuesta al respecto de su funcionamiento”, comenta Dalpian. Las hojas nanométricas de los memristores pueden apilarse y dar origen a colmenas con estos componentes.

En términos funcionales, un memristor, cuyas propiedades de procesamiento y almacenamiento suelen compararse con las de las neuronas, puede hacer mucho más que un resistor. Éste presenta una resistencia eléctrica constante. Su capacidad de oponerse al paso de la corriente eléctrica en un circuito es constante, independientemente del voltaje en que opere. En otras palabras, su conductividad eléctrica, grande o pequeña, de acuerdo con el material utilizado para su fabricación, no cambia nunca. Por eso el resistor es un componente fundamental para limitar y estabilizar la corriente en un sistema.

Knowm …circuito comercial con ocho memristores de la empresa Knowm…Knowm

En tanto, el memristor exhibe un comportamiento diferente. Cuando se lo somete a una determinada tensión en un cierto sentido, se comporta casi como un aislante: la corriente eléctrica pasa con dificultad por el material. Es decir, es muy resistente a ésta con baja conductividad. Si la tensión y el sentido de la corriente se alteran, el componente se transforma en un semiconductor o incluso en un metal, con baja resistencia eléctrica. La corriente fluye con facilidad. La capacidad de alternar su conductividad y su resistencia hace que el memristor pueda codificar información en forma binaria (0 y 1), como los chips actuales de las computadoras. El modo aislante equivaldría al 0 y el semiconductor al 1, o viceversa.

Lo sorprendente es que, más allá de procesar datos, el memristor también logra almacenarlos. Esto es posible porque este componente “se acuerda” de su último estado de conductividad, si era el modo equivalente al 0 o al 1. Cuando se desconecta la corriente que lo alimenta, el memristor “se acuerda” si estaba trabajando en régimen de casi aislante o de semiconductor. A esta capacidad se la denomina propiedad no volátil. En términos computacionales, significa que un circuito basado en un tipo de memoria no volátil puede desconectarse y conectarse nuevamente, y aun así, logra recuperar la información archivada. La mayoría de las memorias de almacenamiento de las computadoras actuales ‒los discos rígidos y la memoria flash‒ son de este tipo. “El tiempo de grabación de datos en un memristor es bajísimo: del orden de los nanosegundos, y la retención de las información dura años”, comenta Padilha.

Más allá de actuar como un disco rígido para guardar información a largo plazo, el memristor también puede funcionar como el otro tipo de memoria presente en las computadoras, la memoria RAM (memoria de acceso aleatorio). Es un tipo de memoria volátil. Cuando se apaga la máquina, todo lo que está en la memoria RAM se pierde. Ella es la que permite cargar los programas que están instalados en la computadora. “Al permitir la integración de las memorias volátiles y no volátiles en un mismo dispositivo, a una computadora hipotética basada en memristores podría sencillamente desenchufársela sin que se perdieran los programas y la información almacenada”, comenta Padilha. Cuando se la enchufase nuevamente, la máquina empezaría a exhibir los datos instantáneamente en el punto en que dejó de funcionar.

Universidad de Bielefeld …y un chip fabricado en una universidad alemana: nanocircuitos que están más cerca del mercadoUniversidad de Bielefeld

La posibilidad de que los memristores se conviertan en el corazón de una nueva generación de computadoras, con una arquitectura que integre chips de procesamiento y dos tipos de memoria en un sólo componente, parece razonable ante los avances de la nanotecnología. Investigadores académicos y de empresas como IBM trabajan con la idea de que estos componentes son los que más se asemejan a las redes neurales humanas, y serían capaces de imitar a las sinapsis. HP, una compañía de referencia en los estudios con memristores, había prometido lanzar en este año una computadora denominado “The Machine”, basada en esa nueva tecnología. Pero esos planes quedaron postergados, oficialmente por motivos de economía de escala.

“Las computadoras a base de memristores son mucho más factibles que las promesas de la computación cuántica, que requieren condiciones extremadamente controladas de funcionamiento”, opina Medeiros-Ribeiro. “Pero actualmente no es algo trivial trasladar la tecnología de los memristores a una línea de producción y fabricar un producto comercial”. Independientemente de eventuales divergencias sobre los mecanismos que generan las propiedades características de estos componentes, su colega Dalpian piensa de manera análoga. “Si bien en teoría es fácil construir memristores, existen puntos referentes al control de calidad de los componentes que aún no se han resuelto totalmente”, acota el investigador.

Proyecto
Propiedades electrónicas, magnéticas y de transporte en nanoestructuras (nº 2010/16202-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Adalberto Fazzio (IF-USP); Inversión R$ 1.327.201,88.

Artículos científicos
PADILHA, A. C. M. et al. Charge storage in oxygen deficient phases of TiO2: Defect Physics without defects. Scientific Reports. 1º jul. 2016.
YI, W. et al. Cuantized conductance coincides with state instability and excess noise in tantalum oxide memristors. Nature Communications. 4 abr. 2016.

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