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(Foco Nanowerk) Durante más de cincuenta años, la incesante miniaturización de los transistores de silicio ha mantenido la Ley de Moore y ha dado lugar a saltos exponenciales en la potencia informática. Sin embargo, este desarrollo choca con límites físicos fundamentales, ya que los componentes del chip alcanzan los límites de la mecánica cuántica. Para seguir avanzando, los investigadores están explorando materiales y paradigmas novedosos inspirados en el asombroso poder del cerebro humano. Un enfoque particularmente radical intenta imitar la biología utilizando iones en lugar de electrones para los cálculos.
El procesamiento de información con corrientes de átomos cargados disueltos en soluciones acuosas representa una reinvención completa de la electrónica convencional. Si bien los iones se mueven mucho más lento que los electrones, abren posibilidades como codificar datos en diferentes tipos de iones y explotar fenómenos electroquímicos. Lo más importante es que la señalización de iones biológicos logra una eficiencia energética increíble, superando con creces a las supercomputadoras modernas por operación. Si los circuitos iónicos diseñados pueden siquiera acercarse a sus homólogos biológicos, permitirían nuevas aplicaciones que requieren un consumo de energía extremadamente bajo.
Sin embargo, el campo de los iones acuosos hasta ahora se ha centrado en diodos y transistores individuales en lugar de circuitos integrados completos. Ahora, en un importante paso adelante, investigadores de la Universidad de Harvard han conectado 256 nuevos transistores de iones electroquímicos en un circuito de matriz de 16×16 completamente funcional. Este trabajo pionero, reportado en Materiales avanzados (“An Aqueous Analog MAC Machine”) ofrece una visión del potencial de las arquitecturas de computación iónica para complementar la electrónica convencional en funciones especializadas.
![Matriz de transistores de iones](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63640_1.jpg)
En el corazón de este logro se encuentra un nuevo diseño de transistor de iones que consiste en un electrodo de disco central rodeado por electrodos de anillo interno y externo concéntricos. Los investigadores descubrieron que el flujo de corrientes de polaridad opuesta a través de los dos anillos produce aumentos locales en las concentraciones de dos especies moleculares cargadas, hidroquinona (HQ) y benzoquinona (Q), alrededor del disco central. Este entorno local controla la velocidad de reacción electroquímica en el electrodo de disco y permite que la corriente del anillo module la corriente de salida del disco para un voltaje de entrada determinado.
Para convertirlo en un circuito completo, el equipo fabricó una serie de 256 transistores de iones en un chip CMOS estándar. Luego demostraron el primer cálculo físico en un circuito iónico realizando operaciones analógicas de acumulación múltiple (MAC). MAC implica multiplicar un valor de entrada por un peso y acumular el resultado; esta primitiva se basa en algoritmos de aprendizaje automático basados en redes neuronales. En el circuito iónico, la corriente del anillo determina el peso, el voltaje de la placa proporciona los datos de entrada y el resultado de la multiplicación de la corriente de la placa se acumula en múltiples transistores que comparten un electrodo común.
Esta técnica podría mejorar significativamente la eficiencia energética del cálculo MAC en comparación con un circuito CMOS digital y acercarnos a la inspiración biológica. Aunque esta demostración se limitó a un esquema de entrada y ponderación binaria, mostró una excelente concordancia con los cálculos teóricos y demostró el concepto. En la prueba más exigente, el equipo realizó una multiplicación de vectores de matrices con MAC en todos los transistores de 16×16.
Los investigadores destacan áreas que necesitan mejoras, como el tiempo de respuesta de 26 milisegundos del transistor y la falta de caminos independientes para pasar señales iónicas. Sin embargo, el diseño CMOS personalizado y las estructuras conductoras electroquímicas podrían aliviar estos problemas. Sin embargo, en comparación con la electrónica, la movilidad de los iones limita fundamentalmente la velocidad. Por lo tanto, la atención se centra en nuevas capacidades, como diferentes especies de iones, que permitan una codificación de información más completa.
En general, este trabajo innovador sugiere que los iones acuosos podrían complementar los dispositivos de estado sólido para tareas especializadas, como las computadoras bioinspiradas de bajo consumo. Con un mayor desarrollo, los circuitos iónicos aún podrían rivalizar con la electrónica en términos de velocidad y tamaño. Sin embargo, es probable que sus características poco convencionales abran nuevas aplicaciones a las que la lógica CMOS estándar no puede acceder fácilmente. Este descubrimiento marca el comienzo de una nueva era de experimentación con arquitecturas informáticas iónicas.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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