Memristores, Memcondensadores y Meminductores

Corría 1971 y el Ing. Leon Chua se propuso derivar rigurosos fundamentos matemáticos para la electrónica, teorizando que en el conjunto de componentes pasivos para circuitos eléctricos, (resistor, condensador e inductor), había piezas que faltaban.
Para comprobarlo, examinó las cuatro magnitudes básicas que definen un circuito eléctrico: diferencia de potencial, corriente, carga y flujo magnético. Las matemáticas indicaban que con cuatro magnitudes interrelacionadas, deberían aparecer seis clases de relaciones.
Conociendo las cinco primeras, una desconocida sexta relación sugería que debería existir un cuarto tipo de dispositivo que relacionase la carga y el flujo magnético. ¿Pero cual era ese dispositivo?
Chua entonces lo bautizó memristor, (contracción de memory resistor “resistencia con memoria”), y predijo que este dispositivo podría generar una diferencia de potencial a partir de una corriente al igual que hacen las resistencias, pero de un modo mucho más complejo. Imaginó que podría “recordar” la corriente que había fluido por el.
Su trabajo era teóricamente muy elegante pero indemostrable y poco después abandonó el concepto, que permaneció olvidado 29 años hasta que Stan Williams (Laboratorios HP), en el año 2000 creó accidentalmente la primer resistencia con memoria.
Williams y su equipo se preguntaban si podría crearse un interruptor rápido de baja potencia conectando entre sí dos diminutas resistencias de dióxido de titanio, de modo que la corriente de una pudiera usarse para, de algún modo, conmutar la resistencia en la otra en forma de encendido y apagado.
Descubrió que en efecto se podía, pero que la resistencia en esta clase de interruptores se comportaba de un modo tan errático que resultaba imposible de predecir empleando modelos convencionales.
Durante tres años Williams no pudo explicar lo que sucedía, y entonces – gracias a un colega – descubrió el trabajo de Leon Chua y las ecuaciones que Williams había creado para tratar de describir el funcionamiento de sus resistencias interconectadas se parecían muchísimo a las derivadas por Chua en su trabajo teórico.
Además, Williams pudo explicar por qué nunca se había visto un memristor con anterioridad. Su efecto depende de movimientos a escala atómica, por lo que solo pude apreciarse cuando se trabaja con nano ingeniería. En escalas milimétricas, los memristores son esencialmente invisibles.
¿Pero qué es lo que sucedía en las resistencias interconectadas de Williams?
En su estado puro de unidades de repetición compuestas por un átomo de titanio y dos de oxígeno, el dióxido de titanio es semiconductor. Pero si calentamos el material, algunos átomos de oxígeno se van, dejando burbujas cargadas eléctricamente que hacen que este comience a comportarse como un metal.
En los interruptores de Williams, la resistencia superior está hecha con un semiconductor puro, y la inferior de un metal deficiente en oxígeno. Cuando se aplica un voltaje al dispositivo, este empuja a las burbujas con carga del metal hacia arriba, lo cual reduce radicalmente la resistencia del semiconductor, convirtiéndole en un verdadero conductor. Cuando se aplica un voltaje en la otra dirección el carrusel gira en sentido contrario; las burbujas descienden de nuevo a la capa inferior y la resistencia superior vuelve a su estado de semiconductor.
Lo increíble es que cada vez que se desconecta el voltaje, el carrusel se detiene y la resistencia permanece congelada. Cuando se vuelve a conectar el voltaje, el sistema es capaz de memorizar en qué punto se encontraba, presentando el mismo nivel de resistencia de antes del apagado.
Potencialmente esta tecnología puede reemplazar las memorias flash por otras mucho más pequeñas, densas y veloces, (se podría grabar información en pocos nanosegundos, empleando apenas unos picojoules de energía), que careciesen de transistores, y que una vez grabadas conservaran los datos, incluso aunque se les privase de energía. Este avance permitiría una vez más que se continúe cumpliendo ley de Moore.
Este relato concluiría aquí si solo hablásemos de un gran avance en componentes electrónicos, pero los memristores parecen tener también la respuesta al modo en que funciona nuestro cerebro.
El científico Tetsu Saisuga y sus colegas de la Universidad Hokkaido en Saporo, Japón, descubrieron algo asombroso. Estos científicos trabajaban con un moho (Physarum Polycephalum), al que sometían a corrientes de aire cálido y húmedo, (que aceleraba su movimiento), seguidas de corrientes de aire frío y seco, (que lo ralentiza).
Expusieron a uno de estos seres unicelulares a 10 minutos de aire frío y luego dejaron que alcanzara la temperatura ambiente durante un tiempo dado. Repitieron 3 veces esta misma secuencia y observaron como el moho retardaba su movimiento y lo aceleraba con los cambios de temperatura.
Luego cambiaron las reglas. En lugar de darle al moho una cuarta ráfaga de aire frío, no hicieron nada. Y para su sorpresa el moho retardó su movimiento nuevamente, anticipándose a una ráfaga de aire que nunca llegó. De algún modo este diminuto ser memorizó los patrones de sucesos a los que se había enfrentado.
Este trabajo apareció publicado en la revista Physical Review Letters, lo cual llamó la atención de Max Di Ventra, un físico de la Universidad de California, que era uno de los pocos que había oído hablar del trabajo teórico de Chua con los memristores. Di Ventra se dio cuenta en seguida que el moho se comportaba igual que el cuarto componente electrónico anticipado por Chua, por lo que el físico especuló que el gel viscoso que el moho utilizaba como medio motor era en realidad un análogo mecánico de los memristores.
De hecho, Chua había anticipado ya la idea de que los organismos biológicos podían estar empleando memristores en sus procesos de aprendizaje. Cuando Chua escribía sus primeros trabajos teóricos sobre memristores, quedó fascinado por el proceso de la sinapsis, dándose cuenta de que el modo en que los iones de sodio y potasio fluyen a través de las membranas de nuestras neuronas cerebrales recordaba tremendamente al funcionamiento que deberían tener los memristores. Afirmó entonces que “los canales de iones eran el elemento de circuitos perdido que andaba buscando y que ya existía en la naturaleza”.
HP ya anunció la creación del primer microchip realizado con memristores, de modo que la pregunta ahora es si nos encontramos en el umbral de una nueva era en inteligencia artificial.
La DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency – Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa), anunció el nacimiento del proyecto SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics), en el que está involucrado el equipo de nuestro viejo amigo Williams y cuyo fin es crear tecnología para máquinas neuromórficas electrónicas que resulten escalables a niveles biológicos. En pocas palabras busca crear “el cerebro en un chip”.
Según explica Greg Snider, colega de Williams en HP, en el córtex cerebral de los humanos la densidad de sinapsis es de 1010 por centímetro cuadrado, mientras que hasta el momento los microprocesadores más avanzados solo alcanzan densidades 10 veces menores. Esta es la razón por la que aún no se han podido crear máquinas inteligentes.
Snider, Williams y otros expertos como Gail Carmenter y Stephen Grossberg de la Universidad de Boston, son pioneros en el complejo fin de reducir los comportamientos neurológicos biológicos a sistemas de ecuaciones diferenciales, de modo que sea posible diseñar chips híbridos, (compuestos por transistores y memristores), capaces de reproducir algunos procesos del pensamiento.
En las primeras pruebas se dieron cuenta de la dificultad de la tarea, y es que esta nueva clase de chips simplemente parece “demasiado inteligente”. En lugar de dar como resultado un pulso digital estándar, estos chips híbridos producen resultados analógicos que lograban desconcertar al software típico empleado en los análisis. Esto ha obligado a los científicos a desarrollar un nuevo software de pruebas.
Por otro lado, el profesor Di Ventra y su colega Yuriy Pershin han ido más lejos y han construido una sinapsis memristiva que, según afirman, se comporta como la real.
Y mientras tanto el hombre que inició todo, Leon Chua, ha estado ocupado expandiendo su teoría de elementos fundamentales de circuitos.
Para ello se ha planteado qué sucedería si se combinasen las propiedades de los memristores con las de los condensadores e inductores para producir nuevos dispositivos llamados memcondensadores y meminductores; y qué pasaría luego si estos nuevos dispositivos se combinasen entre sí.
En su opinión “los memcondensadores podrían ser más útiles incluso que los memristores, ya que carecen de resistencia”. Al menos teóricamente, un memcondensador podría almacenar datos sin disipar energía. Williams está de acuerdo con esta afirmación y ya ha empezado a crear el primer prototipo.

Fuente: Memristor Minds: The future of artificial intelligence – Justin Mullins para New Scientist.

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No Hi Ha Somnis Impossibles

Quizá la más bella de las casi 400 cúpulas de Buenos Aires, se encuentra en la intersección de Ayacucho y Av. Rivadavia. Imponente y lujosa, con la brillantez propia de un diamante pulido a la perfección, parece joven, pero ya había nacido cuando, a pocos metros de distancia, la monumental cúpula del Congreso de la Nación comenzaba a erigirse entre los andamios…
952 piezas de vidrio espejado fueron necesarias para cubrir las 8 principales aberturas ovales y el cupulín que durante casi 60 años soportaron, abiertos, el flagelo del sol, del viento y de la lluvia. No obstante, la cebolla que corona la cúpula y las veletas permanecen intactas como hace 100 años. La ornamentación del edificio que la sostiene lleva el sello inequívoco de la exquisitez del estilo catalán.
El ingeniero y arquitecto argentino Enrique Rodríguez Ortega, plasmó en su obra toda la influencia “gaudiana”, con sus líneas tan características.
Pocas personas saben que esta diadema porteña alberga un dormitorio y que en el último nivel se colocó un telescopio para la observación estelar; que en la terraza que la circunda lucen 2 estructuras de hierro que representan La Puerta del Dragón de la Finca Güell, de España, diseñada por Gaudí.
Los ornamentos que se observan son réplicas exactas de los que embellecen la casa Battló, otra magnifica creación del arquitecto español.
¿Cómo imaginaron tanto simbolismo acumulado en una céntrica y ruidosa esquina porteña?
Sólo es necesario alzar nuevamente la vista hacia la cúpula para descubrir la respuesta, en homenaje al genial Gaudí aparece escrita en catalán la frase:

NO HI HA SOMNIS IMPOSSIBLES

NO HAY SUEÑOS IMPOSIBLES

Visto en la WEB

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