Aunque no lo sepas, en el corazón de aparatos de uso cotidiano como el ordenador, smartphone, videoconsola, microondas, lavadora… se esconde una serie de circuitos encargados de hacer que todo funcione. Esta circuitería está fabricada con base de silicio, el elemento clave de la informática de ayer y hoy. Pues bien, esos tiempos y materiales están a punto de pasar a la historia.

Los chips 3D funcionan como el cerebro, combinando procesamiento y almacenamiento de información

Conforme la inteligencia artificial empieza a expandirse en nuevas áreas de nuestras vidas, como la conducción o la medicina, cada vez se generan mayor cantidad de datos que deben ser procesados. Esto origina un desafío en cuanto a cantidad y forma de gestionarlos para obtener información útil en el menor tiempo posible. Para ello, los investigadores de Stanford en colaboración el MIT han construido un nuevo chip capaz de ambas cosas.

A día de hoy, las computadoras integran de forma conjunta una serie de chips diferentes: hay un chip para procesar y otro diferente para el almacenamiento de datos, y la conexión entre ambos es limitada. Sin embargo, los chips 3D emulan la actividad cerebral al combinar ambas tareas.

Estructura de un chip 3D. MIT

Conforme el uso de aplicaciones se va expandiendo, hasta llegar a un punto en el que hasta las neveras son inteligentes, se genera generando volúmenes de datos masivos, el ratio de transmisión de información se torna crucial, provocando los indeseados cuellos de botella que limitan la capacidad de actuación.

El hardware se pone a la altura del Big Data

Además, hay un límite en cuanto a volumen de procesamiento de datos y a información almacenada que se antoja corta a pesar del cumplimiento de la Ley de Moore. Esta famosa ley, que tiene más componente de descripción que de axioma científico, fue enunciada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, hace más de 120 años y asegura que la complejidad de los circuitos integrados se duplicaría cada año con una reducción de coste considerable.

La ley de Moore relaciona el número de transistores de un procesador con el año. Fossbytes

Para empeorar las cosas, la mejora evolutiva de transistores que integran los chips se ha estancado. Por ello, el nuevo prototipo de chip es algo totalmente diferente e innovador: usa diversos componentes de la nanotecnología y se combina con un nuevo tipo de arquitectura de computadoras para intentar revertir ambas tendencias y continuar con el escalado prometido por Moore al aumentar el número de dispositivos integrados por unidad de volumen.

De este modo, el hardware se pone al día con la ingente cantidad de información que nos viene encima con el Big Data.

¿Cómo es la arquitectura de los chips 3D? / El grafeno, el elemento clave de los chips 3D

La informática dice adiós al silicio para dejar paso a otro elemento del mismo grupo carbonoide, el material de moda y uno de los que más darán que hablar en el futuro: el grafeno. De hecho los Chips 3D están fabricados con nanotubos de este material intercalado con células resistivas de acceso aleatorio de memoria (RRAM), un tipo de memoria no volátil que opera cambiando la resistencia de materiales sólidos dielécticos.

RRAM son más rápidos, potentes y eficientes que el DRAM convencional

Pero volvamos al grafeno, porque son sus propiedades lo que marcan la diferencia. Por un lado, gracias a su elevada densidad y flexibilidad, ha sido posible integrar más de un millón de celdas RRAM y 2 millones de nanotubos de grafeno, siendo el sistema nanoeléctrico fabricado más complejo hasta la fecha.

Detalle de construcción de un chip 3D. MIT

Asimismo, gracias a su gran resistencia y maleabilidad, la construcción se realiza en vertical, logrando una arquitectura densa en tres dimensiones con intercambio de capas de lógicas y capas de memoria insertando cables entre ambas, algo que no es posible con la circuitería con base de silicio actual, que se dañarían al ser expuestas a los más de 1000 °C necesarios para su montaje.

Sin embargo, con el grafeno todo es diferente. Gracias a sus increíbles propiedades y su elevada conductividad térmica y eléctrica, es posible un montaje por debajo de los 200 °C, por lo que la estructura permanece en un estado funcional óptimo.

¿Qué ventajas ofrecen los chips 3D frente a los tradicionales?

Esto conlleva una serie de beneficios para los ordenadores del futuro: sistemas más eficientes dada su elevada densidad, más rápidos y potentes, con un consumo energético menor respecto a los convencionales.

Además, su disposición 3D facilitará el intercambio de datos entre capas, algo que aumentará el ratio de transmisión de información, almacenando y procesando a velocidades mayores que nunca.
Finalmente,su compatibilidad en cuanto a fabricación y diseño con los circuitos de silicio es total, por lo que su integración puede ser progresiva.

Sus aplicaciones van desde smartphones hasta marcapasos

Con los chips 3D, la perspectiva de la arquitectura computacional y sus aplicaciones cambian, permitiendo un intercambio de memoria y procesamiento en un espacio menor. Inicialmente, su implantación se espera tanto a gran escala en servidores y supercomputadores como en gadgets donde el tamaño es reducido, como dispositivos móviles y comunicaciones inalámbricas.

Y es que, pudiendo emular a un cerebro en un espacio reducido, sus aplicaciones en medicina son enormes, especialmente para el control o sustitución de funciones biológicas que funcionen de manera irregular, como por ejemplo la implantación de un marcapasos en el corazón de un enfermo aquejado de trastornos cardíacos.

Aunque la fase de estudio ya está avanzada y se espera que esta nueva tecnología se lleve a gran escala en los próximos años, el siguiente paso es desarrollar nuevas versiones que además permitan integrar sensores y procesamiento en el mismo chip, de forma que puedan emplearse por ejemplo para monitorizar ciertos componentes en la respiración de un paciente.

De acuerdo con Sam Fuller, CEO de Analog Devices, una de las empresas involucradas en la investigación:

Esto tiene el potencial para convertirse en la plataforma de aplicaciones revolucionarias en el futuro.

Y es que, con esta tecnología no solo se mejorará la computación tradicional, sino que abrirá un nuevo mundo de aplicaciones al que dirigirse combinando sensores, procesamiento y memoria.