El circuito revolucionario tan potente como el cerebro humano

Ilustración de las dendritas del cerebro

El nuevo circuito es una molécula orgánico-metálica de 77 átomos que hace simultánamentamente de memoria y procesador, como las neuronas

Teléfonos, laptops, supercomputadoras… todo podría cambiar radicalmente en unos años gracias a un nuevo tipo de circuito molecular que elimina el mayor problema de las computadoras actuales, consiguiendo una potencia y tolerancia a fallos comparable a la del cerebro humano con un mínimo uso de energía.

El gran problema que limita la potencia de cualquier ordenador moderno es su propia arquitectura. A grosso modo, una máquina tiene un procesador central encargado de realizar operaciones con datos que llegan desde la memoria. Esta arquitectura — llamada von Neumann o Princeton — está inevitablemente limitada por el canal de comunicación entre procesador y memoria. Cada vez que un programa tiene que ejecutar una instrucción, el procesador tiene que acceder a datos de la memoria, procesarlos y volver a mandarlos a la memoria.

Esto ocasiona un cuello de botella — llamando von Neumann — que es físicamente imposible de resolver y sólo puede ser parcialmente aliviado con diferentes trucos, como memorias intermedias integradas en el procesador o predictores de proceso que ahorran una pequeña parte del acceso a la memoria principal del sistema.

Ahora, en un estudio publicado en la revista científica Nature, un grupo internacional de ingenieros de Irlanda, Estados Unidos, India y Singapur afirma que su nuevo circuito destruye el cuello de botella von Neumann totalmente. Es un nuevo tipo de arquitectura capaz de almacenar y procesar información simultáneamente, como lo hace el cerebro humano.

Cómo funciona

Este circuito se llama ‘memristor’, una fusión de memoria y transistor. No es un concepto nuevo. Lo propusieron por primera vez en 1971 a nivel téorico pero nadie ha podido sacarlo más allá del laboratorio. Todos los diseños experimentales funcionaban en un rango de temperaturas muy limitado y sólo podrían fabricarse con elementos extremadamente raros y caros, como el niobio y el vanadio.

Pero este nuevo diseño elimina esas limitaciones. Se trata de una molécula orgánico-metálica de 77 átomos. La molécula tiene la capacidad de almacenar datos de forma consistente pero también procesarlos con un árbol lógico de instrucciones similares a las dendritas de las neuronas.

Este árbol lógico exhibe las mismas propiedades de neuroplasticidad del cerebro: básicamente puede cambiar de configuración según se necesite, exponiéndolo a diferentes niveles de voltaje.

Un prototipo experimental de memristor fabricado por el Departamento de Energía de los EEUU

Sreetosh Goswami, uno de los autores del estudio, afirma que la molécula exhibe “una flexibilidad y adaptabilidad similar a los conectores del cerebro humano”. Su memristor puede “reconfigurarse al momento para diferentes funciones computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Además, igual que las células nerviosas almacenan datos, el mismo dispositivo puede almacenar información para acceso y proceso en el futuro”. Goswami fue el que dio con la clave en la fabricación del material para construir este memristor, que consta de una molécula de hierro en su parte central ligada a moléculas orgánicas.

Su capacidad de proceso es tal que el equipo no podía creer lo que demostraban sus datos. Según Goswami, es extraordinario: “nuestro dispositivo estaba haciendo algo como lo hace el cerebro pero de una manera diferente. Cuando aprendes algo nuevo o estás decidiendo algo, el cerebro se reconfigura y cambia su 'cableado' físico. Similarmente, podemos reprogramar lógicamente o reconfigurar nuestros dispositivos usando diferentes pulsos de voltaje”.

Velocidad inimaginable

Según los inventores del nuevo memristor, su arquitectura también permite procesar múltiples datos simultáneamente usando su árbol de instrucciones reconfigurable al instante. De hecho, afirman que su memsistor tiene tal capacidad de proceso que una de estas moléculas puede sustituir a miles de transistores en un procesador tradicional.

El memsistor se puede conectar en paralelo a otros para obtener una velocidad de proceso hasta ahora desconocida. El equipo también afirma que, debido a la manera en la que opera, es resiliente a los fallos. Y al realizarse todo — proceso y almacenamiento de datos— en un mismo circuito nanoscópico, el ahorro de consumo y tiempo no tiene equivalente en la industria actual.

Thompson sosteniendo la molécula mágica que forma el memristor

Otro de los autores del estudio — Damien Thompson, en la imagen sobre estas líneas — asegura que están “muy excitados ante las posibilidades porque estos dispositivos muestran todas las características de la computación cerebral. Primero, un número gigantesco de diminutos e idénticos procesadores moleculares en red trabajan en paralelo [como las neuronas]. Aún más importante, son redundantes y reconfigurables, lo que significa que un dispositivo puede solucionar problemas aunque sus componentes individuales no funcione perfectamente o de la misma manera en todo momento”.

Como siempre con todo este tipo de desarrollos de vanguardia, habrá que esperar y ver cuánto tiempo tardan en llegar al mercado. Pero está claro que, justo cuando estamos a punto de llegar al límite de la computación de las arquitecturas tradicionales, ahora tenemos dos nuevos caminos interesantes abiertos: la tecnología de computación cuántica y este nuevo tipo de circuitos que emulan el comportamiento de la computadora más avanzada que conocemos: el cerebro humano.

Por
Jesús Díaz
06/09/2021 - 05:00 Actualizado: 06/09/2021 - 18:43
El circuito revolucionario tan potente como el cerebro humano (elconfidencial.com)
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