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| Esquema tridimensional de un memristor hecho de nitruro de boro hexagonal multicapa. Fuente: Mario Lanza / KAUST |
La invención del transistor por Bell Laboratory en 1947 marcó el comienzo de una era de dispositivos electrónicos que eran más pequeños y funcionaban más fríos y usaban mucha menos energía que sus voluminosos y frágiles contrapartes de tubos de vacío.
Los transistores funcionan como un interruptor binario para facilitar la corriente eléctrica de los estados de apagado a encendido. Radios, calculadoras y teléfonos estuvieron entre la primera ola de instrumentos para reemplazar los tubos de vacío con la nueva tecnología de semiconductores. A medida que la tecnología se hizo cada vez más pequeña, las décadas posteriores vieron la integración constante de los transistores de silicio en los dispositivos, y las computadoras, los teléfonos celulares, los relojes, los marcapasos y prácticamente todos los tipos de dispositivos electrónicos actuales dependen de ellos para el procesamiento y la memoria de alta velocidad.
Ahora, ingresamos en la era del memristor, un dispositivo electrónico que emula el interruptor binario utilizando una configuración de matriz bidimensional y también tridimensional, o una matriz de barras transversales, para regular los estados de conductividad en función de la resistencia actual.
Al igual que el transistor, es solo cuestión de tiempo de que los memristores se conviertan en el nuevo estándar de tecnología de conmutación, superando a los transistores en velocidad y eficiencia operativa.
Un artículo publicado en la revista Science, del 75 aniversario del descubrimiento del transistor, es el primero en proporcionar un resumen completo de los datos que respaldan el nivel de preparación de la tecnología memristor en todos los materiales y aplicaciones.
Ir más allá
La tecnología de chips actual ya ha alcanzado el límite fundamental de la mecánica cuántica en términos de tamaño. Los transistores de chip no pueden ser más pequeños que la distancia interatómica. Dado que la reducción no es una opción, la tecnología memristiva aumenta, integrando tecnología tridimensional vertical que involucra una matriz de tamaño nanométrico de cables metálicos con un interruptor aislante, el memristor, en cada unión.
La aplicación de pulsos de voltaje rompe el aislamiento y crea un camino para el flujo de corriente. Al eliminar el voltaje, la estructura modificada del material permanece como un fantasma conductor, o memoria que, cuando se aplica voltaje nuevamente, puede invertirse para recuperar el estado inicial.
De esta forma, el memristor sirve como un interruptor de polaridad que puede alternar entre estados conductivos y no conductivos. Esta capacidad se puede utilizar para muchas funciones diferentes dentro de una secuencia integrada.
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Los dispositivos memristivos, en los que la resistencia eléctrica se puede ajustar a dos o más niveles no volátiles, se pueden fabricar utilizando diferentes materiales (fila superior). Esto permite ajustar su rendimiento para cumplir con los requisitos de diferentes tecnologías. Las memorias memristivas son una realidad y se están logrando avances importantes en computación avanzada, sistemas de seguridad y comunicación móvil (fila inferior). Fuente: Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah
El memristor es como una navaja suiza. Se puede usar para muchas cosas. Es un interruptor con muchos estados que se pueden ajustar, ya sea que quiera 25 estados estables o inestables, o diez o dos. La red se puede programar para realizar cálculos avanzados a velocidades rápidas, consumiendo mucha menos energía en mucho menos espacio y en más aplicaciones: cálculos que de otro modo requerirían muchos transistores para hacer el mismo trabajo.
Los cuatro tipos de materiales no basados en silicio que se utilizan para fabricar memristores son óxidos metálicos, como el dióxido de hafnio; cambio de fase, es decir, calcógenos; magnético, es decir, cobalto o hierro; y ferroeléctrico, es decir, titanato de bario. Las principales aplicaciones para las que se utilizan los memristores son el almacenamiento, la computación, la comunicación y el cifrado. Según el material utilizado y la resistencia eléctrica aplicada, el rendimiento se puede ajustar para cumplir con los requisitos de diferentes tecnologías.
Abordar las brechas
La integración 3D de memristores permite empaquetar más dispositivos manteniendo el tamaño más pequeño posible, lo que demuestra que el tamaño no es el santo grial de la excelencia operativa. Lanza dijo que esta tecnología ya se está haciendo con transistores, pero es un terreno nuevo para los memristores. Aunque el concepto de memristores se introdujo en la década de 1970, la tecnología no ha cobrado fuerza hasta la última década más o menos.
Mientras que los memristores ya se pueden encontrar en algunos productos, como centros de datos y relojes, aún hay muchas aplicaciones prometedoras por explorar, y la industria está siguiendo de cerca la tecnología para evaluar futuros usos comerciales más allá de la electrónica de transistores de silicio.
Los autores académicos que contribuyen al artículo aportan experiencia en aplicaciones específicas de memristor, incluido el cifrado de datos, un área en la que se ha carecido de información para los estándares de la industria. El documento aborda estas brechas, estableciendo una línea base de estándares de especificación técnica que las industrias y otros pueden referenciar y refinar.
Dado que se espera que las previsiones del mercado crezcan hasta los 5.600 millones de dólares para 2026 (un aumento del 2 % en el mercado de memorias de casi 280.000 millones de dólares), se espera que el documento proporcione a las empresas el incentivo necesario para invertir en nuevas tecnologías basadas en memristor .
Más información: Mario Lanza et al, Memristive technologies for data storage, computation, encryption, and radio-frequency communication, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abj9979
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