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La nanotecnología y los ordenadores del futuro
La nanotecnología y los ordenadores del futuro Desde que los primeros ordenadores aparecieron, allá por las décadas de los cuarenta y cincuenta, su evolución ha sido muy rápida, sobre todo en las dos últimas décadas y así, desde la aparición del PC (Personal Computer) de IBM en 1981, su potencia de cálculo se ha multiplicado por varias miles de veces al mismo tiempo que su tamaño (el del propio procesador) ha disminuido por igual factor. El ordenador que utilizó la NASA para poner al hombre en la Luna en 1969, por ejemplo, tenía menos capacidad de la que puede tener hoy en día cualquier PDA, un dispositivo de mano y que cuesta menos de 300 euros. El aumento de potencia –capacidad de cálculo– de los ordenadores se consigue a base de incorporar más transistores en el chip que, al estar más cerca unos de otros, aumenta su velocidad ya que los caminos a recorrer por las señales son más cortos. Por el contrario, se disipa más potencia y se genera más calor al haber más dispositivos en menor espacio, lo que hace necesario el empleo de sistemas de refrigeración más potentes. Todo esto es posible gracias a nuevas técnicas que consiguen la reducción de espacio en el proceso fabricación. Las fotográficas, que se utilizan ahora para traspasar el diseño de los circuitos a las obleas de silicio, en las que se formarán los transistores, tienen su limitación debido al límite en la resolución de las imágenes, así que se están empezando a analizar otras técnicas, algunas de las cuales son las que se exponen a continuación, pero que no solamente se utilizan para la fabricación de los chips (microprocesadores, memorias, etc.) que luego se incorporarán en los ordenadores, sino que también tienen otras aplicaciones, como veremos. Además de lo que es la propia fabricación de los microprocesadores, pasando de los tradicionales a otros basados en moléculas o fotones, se plantean usos diferentes para ellos, algunos muy futuristas pero que pueden llegar a ser una realidad muy pronto dadas las fuerte inversiones en este campo y los grandes avances que se están logrando en los centros dedicados desarrollar la I+D+i que se necesita. La nanotecnología El termino "nanotecnología" se utiliza para describir cualquier cosa que se puede medir en una escala nanómetro (la mil millonésima parte de un metro). La nanotecnología molecular trata de la ubicación y diseño exacto de átomos y la meta y las promesas fabulosas de esta ciencia emergente fueron por primera vez descritas en el libro de K. Eric Drexler "Engines of Creation", en 1986, hace ya casi 20 años. La nanotecnología, que tiene grandes posibilidades de convertirse en la tecnología clave en las próximas décadas, es la capacidad de alterar la composición molecular de la materia y de diseñar la distribución atómica como lo hace la naturaleza. Por ejemplo, las propiedades físicas (tamaño, composición, etc.) de la materia dependen de cómo se ubiquen dichos átomos. Si reubicamos los átomos de la tierra, agua o aire, podemos hacer plantas; con los átomos de la arena, podemos hacer chips para ordenadores. La nanotecnología habla de máquinas nuevas y más pequeñas que llegan al extremo de lo invisible y que serían capaces de construir edificios, detener enfermedades, revertir el proceso de envejecimiento o producir alimentos. La nanotecnología, aparte de permitir la fabricación de microprocesadores más pequeños, pero más potentes y rápidos, tiene aplicaciones en muchos otros campos. El proyecto del chip molecular sustituirá al silicio, en favor de la química, más manipulable. Se prevé que se podrán fabricar ordenadoras o sistemas de almacenamiento de datos del tamaño de una partícula de polvo y miles de veces más potentes que los existentes. La nanotecnología está ya hoy afectando áreas completas dentro del campo de las Tecnologías de la Información y creando nuevos mercados sustitutivos que empezarán a afectarnos dentro de muy poco. Por ejemplo, su utilización podría mejorar hasta 100 veces la velocidad actual de las conexiones a Internet, mediante fibra óptica y láser, según un estudio desarrollado por investigadores de la Universidad de Toronto. La nanotecnología permite a los científicos tener nuevos conceptos de diagnósticos de enfermedades y tratamiento a una escala molecular y atómica. Al utilizar partículas de nanómetro, un médico puede separar las células del feto de la sangre de una mujer embarazada para ver si su desarrollo es normal. Este método también se emplea en el diagnóstico temprano del cáncer y de las enfermedades cardíacas. Uno de los impactos más significativos de la nanotecnología es en la interfaz de los materiales bioinorgánicos. Al combinar enzimas y chips de silicio podemos producir biosensores que podrían ser implantados en seres humanos o animales, o circular por el torrente sanguíneo para monitorizar la salud y enviar dosis correctivas de medicación en el momento y lugar que sean más eficaces. La nanotecnología podría afectar la producción de virtualmente todo objeto hecho por el hombre, desde automóviles y circuitos de ordenadores, hasta medicinas avanzadas y el reemplazo de tejidos, y llevar a la invención de objetos que aún están por imaginarse. Se ha demostrado que los nanotubos de carbono son diez veces más fuertes que el acero, con un sexto de su peso, lo que puede llegar a revolucionar la fabricación de aeronaves y barcos. Ordenadores Cuánticos y Moleculares La velocidad y el tamaño de los microprocesadores están íntimamente relacionados, ya que al ser los transistores más pequeños, la distancia que tiene que recorrer la señal eléctrica es menor y tarda menos tiempo. Al ser los transistores cada vez más pequeños, la cantidad de ellos contenidos en un microprocesador, y por consiguiente su velocidad, se ha venido duplicando cada dos años. Pero los estudios revelan que este ritmo no se puede mantener y que el límite se alcanzará más tarde o temprano, ya que si se reduce más, las interferencias de un transistor provocarían fallos en los transistores adyacentes. La industria de los semiconductores ha seguido la "ley de Moore", según la cual el número de transistores en un chip se duplica cada 18 meses (lo que conlleva a duplicar la potencia/velocidad de los procesadores), pero lo cierto es que la tecnología actual tiene un límite físico impuesto por la miniaturización de los componentes y, por consiguiente, por las dimensiones del procesador y por el número de transistores. De hecho, recientemente, Intel ha anunciado que el Pentium IV no superará los 4 GHz. Utilizando elementos ópticos, en lugar de eléctricos, el límite físico no existe, por lo que se podrían construir microprocesadores fotónicos miles o millones de veces más rápidos que los actuales y con un consumo de energía mucho menor. En este aspecto ya están trabajando varios laboratorios y los resultados son muy esperanzadores. La fabricación a gran escala reduciría los precios y su uso se extendería, reemplazando en poco tiempo a los actuales. En la actualidad, con el fin de superar estos límites de tamaño y velocidad, se está trabajando en varios centros de investigación de todo el mundo en dos líneas que pueden revolucionar el mundo de la informática: Los ordenadores cuánticos y los ordenadores de ADN. Los ordenadores cuánticos Los ordenadores utilizan bits para codificar la información, de modo que un bit puede tomar el valor cero o uno. Por contra, los ordenadores cuánticos utilizan los qubits (bits cuánticos) para realizar esta tarea. Un qubit almacena la información en el estado de un átomo, pero por las propiedades de los átomos hacen que el estado no tenga porque ser cero o uno, sino que puede ser una combinación de los dos a la vez. Así, al poder almacenar una mezcla de ambos valores a la vez en cada qubit podemos tratar toda la información de una sola vez. En un qubit se tiene muchos estados, representados por una flecha que apunte a cualquier punto de una esfera, el polo norte es un 1 absoluto y el polo sur un 0 absoluto, mientras que los demás puntos son superposiciones quánticas; lo que cambia es el proceso de calculo, que es infinitamente mas rápido que con 0 y 1. Su procesador consta de algunos átomos de hidrógeno y carbono en una molécula de cloroformo con los spines de sus núcleos alineados por señales de radiofrecuencia, usando las técnicas usuales de resonancia magnética de origen nuclear (NMR). Gracias a estas propiedades los ordenadores cuánticos tienen una especial capacidad para resolver problemas que necesitan un elevado número de cálculos en un tiempo muy pequeño. Además, como estarán construidos con átomos, su tamaño será microscópico consiguiendo un nivel de miniaturización impensable en los microprocesadores de silicio. Por desgracia, en la actualidad aún no se ha llegado a construir ordenadores cuánticos que utilicen más de dos o tres qubits. Aún así, hay un gran número de centros de investigación trabajando, tanto a nivel teórico como a nivel práctico, en la construcción de ordenadores de este tipo y los avances son continuos. Los ordenadores de ADN La computación molecular consiste en representar la información a procesar con moléculas orgánicas y hacerlas reaccionar dentro de un tubo de ensayo para resolver un problema. La primera experiencia de este tipo en laboratorio se realizó en 1994 cuando se resolvió un problema matemático medianamente complejo. Para ello se utilizó la estructura de moléculas de ADN para almacenar la información de partida y se estudió las moléculas resultantes de las reacciones químicas para obtener la solución. Por una parte, esta técnica aprovecha la facultad de las moléculas de reaccionar simultáneamente dentro de un mismo tubo de ensayo tratando una cantidad de datos muy grande al mismo tiempo. Por otra, el tamaño de las moléculas los sitúa a un tamaño equiparable al que se puede conseguir con los ordenadores cuánticos. Otra ventaja importante es que la cantidad de información que se puede almacenar es sorprendente; por ejemplo, en un centímetro cúbico se puede almacenar la información equivalente a un billón de CDs. Si comparamos un hipotético ordenador molecular con un ordenador actual vemos que el tamaño, la velocidad de cálculo y la cantidad de información que se puede almacenar son ampliamente superiores. La velocidad de cálculo alcanzada por un ordenador molecular puede ser un millón de veces más rápida y la cantidad de información que puede almacenar en el mismo espacio es un billón de veces superior. Aunque aún no se pueden construir ordenadores de este tipo, desde la primera experiencia práctica, esta área ha pasado a formar parte de los proyectos más serios como alternativa al silicio. Buena prueba de ello son las investigaciones llevadas a cabo en el marco del DIMACS o Centro de Matemática Discreta y Computación Teórica, del cual forma parte los laboratorios Bell, entre otros muchos. Otros focos de investigación son el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) y el Consorcio Europeo de Computación Molecular formado por un importante número de universidades. Científicos israelitas, presentaron un ordenador de ADN tan diminuto que un millón de ellos podría caber en un tubo de ensayo y realizar 1.000 millones de operaciones por segundo con un 99,8 por ciento de precisión. Es la primera máquina de computación programable de forma autónoma en la cual la entrada de datos, el software y las piezas están formados por biomoléculas. Los programas están formados por moléculas de ADN que almacenan y procesan la información codificada en organismos vivos. En 1964, Gordon Moore, uno de los socios fundadores de Intel, formuló una ley, la famosa Ley de Moore, aceptada universalmente durante las últimas tres décadas: "El número de transistores que caben en un chip de silicio se dobla cada 18 meses". Dicha ley recibe retoques de cuando en cuando. El coeficiente multiplicador anual de la densidad se mantuvo en el valor 2 desde 1958 hasta 1972, se redujo a 1,6 desde entonces hasta 2010 (estimativo) y se cree que pasará a valer 1,16 desde esta última fecha en adelante, hasta alcanzar los límites de la Física.
30 oct 2015