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Memristor: qué es y para qué sirve

Seguramente has escuchado hablar del memristor, una pieza clave en la electrónica digital que no se ha podido implementar hasta hace unos años, a pesar de que fue teorizada hace décadas, siendo el eslabón perdido de la electrónica. Esta pieza es una mezcla entre un transistor y una resistencia, de ahí su nombre. Y las aplicaciones que puede tener son interesantes. Además, ha llegado para unirse a los otros dispositivos electrónicos fundamentales, como podrás comprobar.

Los dispositivos electrónicos fundamentales

electrónica básica

La electrónica fundamental es el estudio de los circuitos electrónicos que sólo utilizan componentes electrónicos estándar como resistencias, condensadores, baterías, diodos y transistores. Este tipo de circuitos suele denominarse «de baja tecnología» porque no incluye muchos componentes de alta tecnología. Sin embargo, este campo tiene mucho que ofrecer porque puede ser útil a la hora de diseñar circuitos sencillos. Incluso si no tiene pensado dedicarse a la electrónica fundamental como carrera, puede encontrar esta información útil para sus proyectos personales o para estudiar para los exámenes de la escuela.

Resistencias

Una resistencia es un componente que controla el flujo de electricidad. La cantidad de resistencia se mide en Ω (ohmios), y los números más altos significan menor resistencia (en otras palabras, mayor voltaje). Cuando la electricidad entra en una resistencia, una de las cargas será completamente absorbida por la resistencia, dejando que el resto de la carga siga su camino. La carga restante se libera en forma de calor. La cantidad de calor que se libera depende de la resistencia del resistor. Por eso, en los circuitos, a menudo tenemos que utilizar resistencias del tamaño adecuado para la cantidad de calor que se produce.

Las resistencias están hechas de muchos materiales diferentes, pero el carbono es el más utilizado. El carbono es capaz de absorber la carga de la electricidad porque tiene una mayor concentración de electrones que otros materiales. Cuando la electricidad se dirige hacia una resistencia de carbono, los electrones del carbono son capaces de absorber la carga, dejando atrás el calor. Los componentes electrónicos pueden fabricarse con carbono porque tiene una alta concentración de electrones. Una resistencia es un componente que tiene átomos que pueden absorber o dejar fluir electrones a través de él. Si la cantidad de electrones dentro de un componente es mayor que la cantidad fuera de él, los electrones fluirán a través del componente. Los componentes eléctricos están hechos de materiales que pueden almacenar electrones para controlar el flujo de electricidad. El componente más importante es la resistencia.

Condensadores

Un condensador es un componente del circuito que puede almacenar energía eléctrica. Esto es útil porque una vez que la electricidad se almacena en un condensador, no tiene que fluir rápidamente a través de un circuito. De hecho, puede fluir a un ritmo mucho más lento, lo que resulta especialmente útil para el filtrado y la amplificación. Al igual que las resistencias, los condensadores se fabrican con muchos materiales diferentes, pero lo más habitual es que estén hechos de materiales conductores. Los dos materiales más utilizados para fabricar condensadores son el aluminio y el plástico. Sin embargo, los condensadores están hechos de muchos otros materiales que también son conductores. Los dos factores más importantes a la hora de elegir un condensador son la cantidad de capacitancia que tiene y su capacitancia a la tensión.

Diodos

Un diodo es un componente que conduce la electricidad en una dirección pero la bloquea en la otra. En otras palabras, un diodo permite que la electricidad fluya a través de él, pero bloquea su paso. Los diodos se utilizan en los circuitos electrónicos porque permiten controlar la cantidad de electricidad que fluye por un circuito. Pueden utilizarse para amplificar la electricidad o para bloquearla completamente. Los dos tipos más comunes de diodos son el de silicio y el de arseniuro de galio (o «germanio»). En la mayoría de los dispositivos electrónicos, el diodo de silicio se utiliza para amplificar o bloquear completamente la electricidad que circula por el circuito.

Baterías

Los circuitos electrónicos necesitan energía. Esta energía puede provenir de baterías o de una fuente de alimentación de corriente alterna (CA). Hay muchos tipos de pilas que se utilizan en los dispositivos electrónicos, pero las más utilizadas son las alcalinas, las de litio y las de níquel-cadmio. Las pilas alcalinas son el tipo más común de pilas utilizadas en los dispositivos electrónicos pequeños. Las pilas de litio son el tipo de pila más utilizado en los dispositivos electrónicos portátiles, como los ordenadores portátiles y los teléfonos inteligentes. Las pilas de níquel-cadmio son las menos utilizadas.

Transistores

Un transistor es un componente que puede realizar operaciones booleanas. En otras palabras, puede aceptar una entrada, realizar una operación en la entrada y luego enviar el resultado de la operación como una salida. Las operaciones booleanas son aquellas que sólo pueden dar lugar a dos resultados posibles, como «verdadero» o «falso». Los transistores pueden utilizarse para controlar el flujo de electricidad en los circuitos electrónicos. Pueden utilizarse para amplificar la electricidad o bloquearla completamente. Lo más habitual es que los transistores se utilicen para amplificar la electricidad en los circuitos electrónicos. En estos circuitos, el transistor se utiliza para amplificar la electricidad y luego se utiliza para enviarla como un flujo constante de energía.

Memristor

memristor

Leon Ong Chua, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de California en Berkeley, reconoció por primera vez la posibilidad de un dispositivo de memoria electrónica no volátil de este tipo en 1971 y lo denominó memristor (IEEE Circuit Theory, «Memristor»).

A diferencia de otras memorias que se utilizan actualmente en la electrónica moderna, los memristores son duraderos y recuerdan su estado incluso cuando la máquina se queda sin energía. El memristor fue descubierto por un grupo de científicos dirigido por Stanley Williams en los laboratorios de investigación de HP en 2008. Descubrieron que los dispositivos de película fina de óxido metálico que cambian entre un estado conductor y otro menos conductor mostraban el comportamiento de los memristores de Leon Chua. El profesor Williams ofrece una visión general de la tecnología en sólo unos minutos:

https://www.youtube.com/watch?v=rvA5r4LtVnc

Desde entonces se ha investigado mucho en este campo. Recientemente se han realizado memristores (Nature Nanotechnology, «Memristor crossbar arrays with 6-nm half-pitch and 2-nm critical dimension») y matrices de barras cruzadas de altísima densidad, incluyendo el apilamiento de múltiples capas (120 mil millones de ciclos). Gracias a estos trabajos, los sistemas informáticos emplean ahora con frecuencia memristores (los memristores son excepcionalmente rápidos y fiables). La memoria RAM se utiliza en los ordenadores para almacenar datos mientras el usuario trabaja; sin embargo, si falla la alimentación, la información se pierde. Las memorias flash, en cambio, guardan la información cuando no hay corriente, pero funcionan mucho más lentamente. Una memoria que combine la velocidad y la fiabilidad de la RAM sería lo mejor de ambos mundos.

Los memristores tienen varias ventajas que los hacen deseables para los informáticos. Requieren menos energía para funcionar y son más rápidos que las actuales tecnologías de almacenamiento en estado sólido, además de estar disponibles. A diferencia de los transistores convencionales, que pueden verse alterados por la radiación, los memristores son prácticamente a prueba de radiación. Además, con los memristores se pueden crear ordenadores que se enciendan y apaguen como un interruptor de luz.

Fabricación de memristores

memristor

A pesar de que los memristores tienen una resistencia variable, las resistencias eléctricas se establecen de forma fija. La resistencia dependiente del voltaje de un memristor es exclusiva de sus propiedades eléctricas. Curiosamente, los memristores tienen una estructura bastante sencilla que consiste en una fina película de dióxido de titanio entre dos electrodos metálicos. Los memristores se crean colocando electrodos metálicos uno al lado del otro. La resistencia dependiente del voltaje de los memristores es lo que los hace notables. Los científicos han descubierto que los óxidos metálicos, los calcogenuros, el silicio amorfo, el carbono y los materiales compuestos de polímeros y nanopartículas tienen un comportamiento memristorizante. Además, han demostrado que los nanodispositivos basados en proteínas son memristores.

Los investigadores también han demostrado la capacidad de controlar de forma reversible las propiedades de aprendizaje de los memristores a través de medios ópticos, es decir, la luz.
El gran interés que despiertan los dispositivos memristores se debe también a que emulan las propiedades de memoria y aprendizaje de las sinapsis biológicas, es decir, el valor de la resistencia eléctrica del dispositivo depende de la historia de la corriente que lo atraviesa.

Propiedades del memristor

fabricación chip 5nm tsmc

A la luz de la esperada incorporación de los memristores a las aplicaciones de computación neuromórfica, es razonable prever una nueva generación de aparatos de inteligencia artificial ultrarrápidos y de bajo consumo con mucha memoria integrada. Como los ordenadores tienen la memoria y las unidades de procesamiento separadas, las redes neuronales pueden computar con cantidades de energía inferiores a las de los ordenadores digitales. Además, las neuronas funcionan como memorias para el cerebro, lo que hace que las redes neuronales sean potentes.

Te recomendamos la lectura sobre nuestra guía de cómo se crea una oblea.

Los científicos quieren desarrollar sistemas neuronales artificiales físicamente similares a los sistemas nerviosos biológicos para crear dispositivos neuromórficos. En el cerebro humano hay aproximadamente 10.000 sinapsis, frente a poco más de 1.000 neuronas, lo que requiere un dispositivo similar a las sinapsis a nanoescala y de bajo consumo para escalar los circuitos neuromórficos hacia los niveles del cerebro humano. Dado que los memristores presentan el mismo comportamiento de conmutación que las sinapsis del cerebro humano, podrían utilizarse en procesadores neuromórficos para simular el aprendizaje y la computación en los cerebros humanos.

Se cree que la competencia y la cooperación sinápticas son fundamentales para los neurocientíficos. Ya se pueden crear dispositivos de memoria que imiten las sinapsis en un sistema de estado sólido e implementen estos comportamientos.

Isaac Romero Torres

Más de una década trabajando en el ámbito de la investigación sobre arquitecturas y microarquitecturas de CPUs, de la electrónica, la lógica digital, de los sistemas operativos Unix (con los que trabajé como asesor para algunas empresas), programación de MCUs, PLCs, hacking, etc.
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