Memristores: El futuro está ya (casi) aquí José Manuel Alarcón

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MEMRISTORES: EL FUTURO ESTÁ YA (CASI) AQUÍ por José Manuel Alarcón

Quédate con esta palabra: MEMRISTOR. Ahora seguramente no te dice nada, pero probablemente en unos pocos años será tan importante que pasará a formar parte del vocabulario común.

Como su propio nombre indica un memristor es un híbrido entre una unidad de memoria y un resistor. Y aunque ni siquiera muchos expertos en electrónica han oído hablar sobre él todavía, se está usando en la actualidad en algunos proyectos avanzados y su destino es ser la base de grandes avances en los próximos años.

El origen del memristor Hoy en día se usan en la práctica tres tipos de componentes electrónicos llamados fundamentales, es decir, que son la base para construir cualquier otro componente electrónico: el resistor, el capacitor y el inductor. En 1971, extrapolando la simetría conceptual que existía entre estos tres componentes, el profesor Leon Chua dedujo que debía existir un cuarto componente fundamental, y determinó teóricamente cómo debería ser, llamándole memristor.

Hasta hace muy poco este cuarto componente fundamental sólo existía en forma de unas ecuaciones matemáticas que lo describían y, aunque el Dr. Chua dedujo con toda precisión cuáles serían sus propiedades físicas y cómo funcionaría, ni él ni ningún otro ingeniero fueron capaces de crear un dispositivo físico que se comportase como describían las ecuaciones...

…Hasta el 30 de abril de 2008.

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Ese día un equipo de investigadores de HP Labs liderados por Stan Williams anunció que habían desarrollado un dispositivo memristor en una capa fina de dióxido de titanio.

(17 memristores en línea creados en HP Labs. Foto de HP Labs de libre distribución)

Un memristor tiene la característica fundamental de que es capaz de recordar la cantidad de carga que lo ha recorrido. Podemos pensar en un memristor como en una tubería por la que circula agua (sería la corriente) y en la que a medida que lo hace en un sentido, el diámetro de la tubería se hace más grande dejando que pase más agua (disminuyendo la resistencia), mientras que si hacemos que el agua circule en el sentido contrario la tubería se estrecha (aumentando la resistencia). Si de repente paramos el flujo de agua, la tubería se queda con el diámetro que tuviese en ese momento. Lo mismo pasa en el memristor con la corriente eléctrica: al circular en un sentido aumenta la resistencia del dispositivo, al hacerlo en el otro sentido disminuye, y al quitarle la corriente se queda con la resistencia que hubiera en ese momento.

Alguno a estas alturas podría argumentar que así es como se comporta un diodo. Pero un diodo aunque modifica su resistencia en función del voltaje que se le aplica, vuelve a su resistencia original al dejar de aplicarle corriente. El memristor la recuerda.

¿Por qué es importante el memristor? En la actual arquitectura de cualquier dispositivo electrónico hay dos operaciones muy diferentes que se realizan por separado. En cualquier computador tenemos por un lado el almacenamiento de la información y por otro el procesamiento de dicha información. Da igual lo juntos que los pongamos, al final el almacenamiento y el procesamiento se realizan de forma separada, en dispositivos separados, y se debe transmitir la información entre uno y otro. Esto tiene un coste en términos de energía y de tiempo, pero también de filosofía de trabajo. Sin embargo un memristor se comporta a la vez cómo un circuito lógico y como un elemento de memoria. Ello permite ubicar físicamente en el mismo lugar ambas operaciones y abre un nuevo campo conceptual acerca de cómo hacer computación.

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Se acabó también el blanco y negro de los 1 y los 0 que usan los ordenadores actuales. Un memristor puede almacenar algo más que simples 1 y 0, ya que gracias a su resistencia variable y la memoria de ésta, se podría usar para almacenar otros valores intermedios.

Además los memristores son mucho más rápidos que los componentes de memoria permanente actuales (tan rápidos como la memoria SDRAM) y son extremadamente pequeños incluso para los cánones actuales, que permiten integrar ya cientos de millones de transistores en un chip.

Por ello será posible crear dispositivos con cantidades ingentes de memristores capaces de almacenar y procesar información. ¿Te imaginas ya las posibles aplicaciones?

Las aplicaciones prácticas del memristor La primera aplicación obvia –y es, de hecho, la que estaba buscando HP cuando lo descubrieron- es la creación de memorias no volátiles de alta velocidad y acceso aleatorio. Imagínate una memoria con cantidades enormes de capacidad de almacenamiento, con la misma (o más) velocidad que la memoria RAM de tu ordenador, un consumo de energía bajísimo y que no pierde la información aunque pierda la alimentación. Imagina ahora un ordenador que aunque lo apagues o se vaya la corriente, conserva el estado exacto en el que estaba y se enciende instantáneamente en cuanto lo vuelves a conectar a una fuente de energía, como si jamás se hubiese apagado. Dentro de unos 3 o 4 años seguramente tendremos algo así en el mercado.

La otra aplicación en la que se está trabajando es más interesante y al mismo tiempo deriva gran cantidad de incógnitas tecnológicas, éticas y filosóficas: cerebros artificiales. Y esta vez no es el típico “humo” que nos han querido vender sobre que, gracias a la ley de Moore, cada año estamos más cerca de la inteligencia artificial. En este caso se trata de un salto conceptual real.

Un memristor presenta un comportamiento muy parecido al de una neurona. Un cerebro no tiene un “dispositivo” destinado al almacenamiento y otro para el proceso, sino que está formado por miles de millones de neuronas conectadas entre sí. Cada una procesa entradas y salidas, almacena información y, mediante las sinapsis, se comunica con las otras neuronas a las que está enlazada. Un memristor es capaz de hacer lo mismo, y dado su pequeño tamaño sería posible incluir miles de millones de ellos en poco espacio, equiparándose a la capacidad de empaquetamiento que tiene un cerebro.

Las implicaciones de esto son impresionantes. Y, como dicen los anglosajones, ya hay gente que ha colocado su dinero en donde tiene la boca, y se ha puesto manos al a obra. Existe un proyecto llamado MoNETA que está trabajando muy duro para poner en marcha algo así. El proyecto está financiado por DARPA (la agencia el departamento de defensa de EEUU, responsable entre otras muchas cosas de la existencia de TCP/IP y de Internet) y lo realizan investigadores de la Universidad de Boston.

Los primeros resultados están encaminados a conseguir cosas relativamente prosaicas, y aún alejadas de la inteligencia artificial a la que nos tiene acostumbrados la ciencia-ficción: reconocer caras de personas con fiabilidad y aunque cambien de aspecto externo, conducir un

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coche entre el tráfico de una gran ciudad sin ayuda de personas, o enviar vehículos realmente autónomos a marte. Pero las siguientes fases son más prometedoras todavía. La idea es simular primero el cerebro de una rata o algún otro mamífero “simple” para, “quizá en 15 o 20 años”, poder crear cerebros tan complejos como los de los seres humanos. Este interesantísimo artículo de IEEE Spectrum ilustra con detalle los entresijos del proyecto MoNETA. Es muy largo pero merece la pena.

Hasta ahora los intentos de simular la capacidad cognoscitiva de un cerebro mediante ordenadores y chips convencionales se topaban con grandes barreras: capacidad de cómputo, tamaño, complejidad de las relaciones entre neuronas simuladas... y sobre todo que el funcionamiento es esencialmente distinto y al final hay un software que intenta emular al cerebro ejecutándose encima de un hardware. El enfoque seguido por MoNETA y el uso de memristores es completamente distinto. Los cerebros de memristores no se programarán sino que aprenderán de la experiencia, como si fueran cachorros. Se buscará que puedan adaptarse por sí mismos a situaciones cambiantes y, al igual que un animal se las ingenia para buscar comida o salvar obstáculos, los cerebros de memristores podrán adaptarse a diferentes situaciones de manera autónoma y sin experiencia previa.

Al igual que las neuronas del cerebro se mueren y el cerebro es capaz de adaptarse a ello sin ningún problema, los chips de memristores tienen también una tasa alta de fallos a los que deben adaptarse. Por eso también un programa convencional imbuido en el hardware no serviría, y deben ser cerebros adaptativos.

Las consecuencias en la sociedad y la economía de esta nueva tecnología y sus aplicaciones están todavía fuera de nuestra imaginación. Pero nos encontramos probablemente ante un cambio importante. Si las expectativas depositadas en los memristores aportan en la práctica la mitad de lo que se pretende conseguir, tenemos por delante unos años de avances tecnológicos sin precedentes.

No sé tú, pero yo no me lo quiero perder :-)

Acerca del autor José Manuel Alarcón es ingeniero industrial. Desde 1997 ha escrito varios cientos de artículos para las principales publicaciones de informática y programación en España, y es autor de diversos libros de programación y de empresa. Mantiene un blog personal en http://jmalarcon.es y un blog técnico en www.jasoft.org. Puedes seguirlo en twitter: @jm_alarcon.

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