TEMES

Hi ha gaire espai allà al fons?: miniaturitzant els ordinadors

La conferència 'There is plenty of room at the bottom' III

De la predicció al fet

Seguim al 1959, seguim amb Feynman. Ens apropem al clímax de la xerrada, parlem d'aplicacions, parlem de l'evolució dels ordinadors.

feynman_3_0.jpeg

Seguint la llei de Moore cap al món nano

“No sé com fer-ho a petita escala de forma pràctica, però sé que les màquines de computació són molt grans, omplen habitacions”.

Whirlwin

”Si miro a la vostra cara, immediatament puc reconèixer si l'he vist abans…. Els ordinadors que construïm no ho poden fer”.

“El nombre d’elements d’aquesta caixa d’ossos meva és enormement més gran que el nombre d’elements en els nostres “meravellosos” ordinadors. Però els nostres ordinadors mecànics són massa grans; els elements d’aquesta caixa són microscòpics. Vull fer-ne alguns que siguin submicromètrics”. “Si volguéssim fer un ordinador que tingués totes aquestes meravelloses habilitats qualitatives addicionals, ho hauríem de fer, potser, de la mida del Pentàgon (massa material, no prou germani al món, excés de calor i energia, limitació de velocitat perquè distàncies grans i el fet que la informació no pot anar més ràpida que la velocitat de la llum)”.

El domini i la importància del silici comença amb el germani quan, el 1947, Bardeen, Brattain i Shockley descobreixen l'efecte transistor amb aquest element. Això va permetre iniciar la carrera per desenvolupar transistors pràctics i incorporar-los en circuits electrònics.

Calia trobar una alternativa al germani perquè tenia dos importants handicaps. En primer lloc, és un semiconductor amb un baix gap (la distància de les bandes d'energia entre els electrons que estan units als àtoms de germani, Ge, i els que estan lliures per viatjar a través del cristall i transportar corrent elèctric) de només 0,7 electronvolts (eV) i això en limitava l'ús com a transistor. A més, la superfície del germani era químicament activa i requeria caixes hermètiques de metall, ceràmica o vidre per a un funcionament estable, la qual cosa augmentava significativament el cost dels dispositius. És aquí on el silici adquireix protagonisme: es troba en la mateixa columna que el germani en la taula periòdica (grup IV), té la mateixa estructura cristal·lina i és semiconductor però amb un interval d'energia superior, d'1,1 eV. Atès que la dependència de la temperatura de les propietats elèctriques dels semiconductors és una funció exponencial de l’ interval d'energia, els transistors de silici podrien operar a temperatures i potència significativament majors que el germani. El silici, però, també venia acompanyat de problemes: és químicament més reactiu generant diòxid de silici natiu en la seva superfície, es fon a una temperatura molt més alta i és més difícil de purificar. El diòxid de silici superficial dificulta obtenir bons contactes elèctrics, però anys més tard es va descobrir que la seva presència era molt útil en la fabricació i estabilitat de dispositius de silici, especialment circuits integrats. Els transistors van donar pas als circuits integrats i els microprocessadors. Poques invencions han canviat el món tan profundament -i ràpidament- com el microprocessador. El primer xip va néixer el novembre del 1971 i anunciava "una nova era en l'electrònica integrada"; pocs imaginaven que suposaria una de les majors revolucions tecnològiques que ha viscut l'home.

"Però hi ha molt d'espai per fer-los encara més petits. No hi ha res que pugui veure les lleis físiques que digui que els elements informàtics no es poden fer enormement més petits del que són ara. De fet, pot haver-hi certs avantatges".

En les últimes dècades, la grandària mínima de característica en els circuits integrats s'ha reduït significativament des de >10 μm el 1960 fins a aproximadament uns pocs nanòmetres, seguint la predicció de Gordon Moore, anomenada llei de Moore. Aquest èxit de la indústria ha provocat la notable evolució dels ordinadors i equips derivats, tambe d'internet, fet que ha creat un nou paradigma de l'era de la informació. La història darrere d'aquest èxit ha estat també gràcies a l'avanç de la nanolitografia, que abans comentàvem.

Estem acostumats a portar mini-PCs a les nostres butxaques: són els smartphones. Encara que ens semblin encara voluminosos (s'aventura un nou salt amb telèfons intel·ligents de pantalles flexibles, transparents i de poc pes), no fa gaire les dimensions, pesos i preus eren desorbitats. Fa poc, el fabricant nord-americà IBM va presentar l'ordinador més petit del món (almenys fins avui) en el seu esdeveniment anual IBM Think 2018 a Las Vegas. No es tracta d'un ordinador a l'ús; amb unes mesures d'un mil·límetre per un mil·límetre, aquest nou dispositiu no té pantalla, teclat ni ports USB. Està pensat per monitoratge, per analitzar, comunicar i fins i tot actuar sobre les dades de qualsevol cosa (un aliment, un medicament, etc.). Els seus creadors consideren que és una eina potent, entre altres coses, per lluitar contra el frau associat a la tecnologia de cadena de blocs o realitzar petites tasques d'intel·ligència artificial. A la seva reduïda grandària s'hi suma el seu baix cost, de menys de 10 cèntims d'euro.

mini pc IBM

L'afany per reduir la grandària dels ordinadors ve de lluny. La mateixa IBM va ser una de les primeres a portar al mercat els ordinadors portàtils. El setembre del 1975 presentava el seu model 5100, amb la gran novetat que es podia introduir en una maleta per ser transportat. Encara que avui el seu pes de gairebé 25 quilos ens resulti una barbaritat, la possibilitat que un ordinador integrat en un únic xassís amb monitor, teclat i una unitat de cinta es pogués portar d'un costat a l'altre va ser trencador per a l'època. El seu preu rondava llavors els 20.000 dòlars (uns 75.000 euros d'avui dia, tenint en compte la inflació), més que alguns cotxes del seu temps. Aquesta idea va néixer gràcies a l'enginyer Alan Kay uns anys després de la xerrada de Feynman, a finals de la dècada dels 60. Kay buscava "un ordinador petit per a nens de totes les edats". Li va posar el nom de Dynabook, va ser el model 5100 d'IBM i vindria a ser quelcom similar a una tauleta d'avui en dia.

ibmcomputer.jpg

El següent a sortir va ser el 1981 amb un preu de 1.795 dòlars (uns 4.150 euros d'avui) i amb un pes de 13 quilos. No obstant això, l'arribada dels primers IBM PC, considerats els autèntics predecessors dels ordinadors actuals, van ser clau en l'evolució dels PC. No solament els portàtils han minvat amb el temps: les torres d'ordinador també s'han reduït considerablement al llarg dels últims anys. Si les més pesades en els seus començaments estaven recobertes d'acer i rondaven els 90 quilos, ara els mini-PC de sobretaula no arriben al mig quilo. El 1997 el professor de la Universitat de Califòrnia Berkeley Kristofer Pister va encunyar el terme smartdust (traduït al català com a pols intel·ligent) per referir-se a una xarxa sense fil de minúsculs sensors, tan imperceptibles com les partícules de pols, que seria capaç de recollir qualsevol dada de l'atmosfera o de la gent. Així, Pister imaginava un futur amb ordinadors de la grandària del cap d'una agulla que cobririen la Terra com un núvol neuronal. Encara que els seus desitjos no s'han complert del tot fins avui, sí que es va aconseguir que els ordinadors adquirissin una grandària minúscula. Sens dubte, la tendència és oferir més en menys espai. Ara el nou producte d'IBM desbanca l'M3 de la Universitat de Michigan, ja que disminueix la seva grandària un altre mil·límetre. No obstant això, la cursa per miniaturitzar la informàtica fins a l'extrem segueix el seu curs. Segur que el proper ordinador més petit del món s'està gestant ja en algun laboratori, o fins i tot les noves tecnologies, com la quàntica, significaran un canvi de paradigma en la computació, un canvi que ni el mateix Feynman es podia arribar a imaginar.

Hi ha molt d’espai: jugant amb els àtoms

“Però no tinc por de considerar la pregunta final pel que fa al fet que, en últim terme –en el futur–, podrem ordenar els àtoms de la manera que vulguem; tots els àtoms, al complet! Què passaria si poguéssim ordenar els àtoms un per un de la manera en què els volguéssim?”

 “Els principis de la física, en la mesura del que puc veure, no prohibeixen la possibilitat de maniobrar coses àtom per àtom. No és un intent de violar cap llei; és, en principi, una cosa que es pot fer; però a la pràctica no s'ha fet”

En aquest punt, Feynman començava a descriure l’essència de la nanotecnologia, la manipulació atòmica. Si hi ha una fita històrica dins de la nanotecnologia que més s’associa a aquest punt és la invenció del microscopi d’efecte túnel i el microscopi de forces atòmiques: tots dos pertanyen a la família dels cicroscopis de sonda pròxima. Un SPM (scanning probe microscope) és un instrument utilitzat per estudiar superfícies a escala nanomètrica. Els SPM formen imatges de superfícies utilitzant una sonda física que toca la superfície d'una mostra per escanejar-la i recopilar dades. El primer SPM va ser el microscopi d'efecte túnel (STM) desenvolupat a l'IBM Research Lab de Zurich per Gerd Binnig i Heinrich Rohrer el 1982.

Aquella va ser la primera tecnologia a ser reconeguda per tenir capacitat de resolució atòmica. Un STM fa servir un corrent elèctric entre la punta d'escaneig del microscopi i la mostra per obtenir una imatge de la superfície. Desafortunadament, això significa que la superfície d'aquesta mostra ha de ser conductiva o semiconductora, la qual cosa limita els materials que es poden estudiar. Aquestes i altres limitacions van impulsar la invenció del primer microscopi de força atòmica (AFM). Igual que la majoria dels SPM, l'AFM usa una punta molt afilada per sondejar i mapejar la morfologia d'una superfície. No obstant això, amb un AFM no és necessari que la mostra sigui conductora, ni mesurar un corrent entre la punta i la mostra per produir una imatge. L'AFM empra la punta, o sonda, al final d'una micropalanca microfabricada amb una baixa constant de ressort per mesurar les forces de la punta de la mostra a mesura que pressiona (sigui contínua o intermitentment) una mostra. Les forces entre la punta i la superfície fan que la micropalanca es dobli o es desviï a mesura que la punta s'escaneja sobre la mostra. Aquesta desviació es mesura generant un mapa topogràfic de la superfície. De totes maneres, en un post futur ja parlarem en profunditat d’aquesta família de microscopis.

first AFM

Propietats extraordinàries

“Quan arribem al món molt, molt petit –diguem circuits de set àtoms– trobem moltes coses noves que tindrien lloc i que representen oportunitats completament noves per al disseny [de circuits i de dispositius]. A petita escala, els àtoms es comporten de manera molt diferent a com ho fan a gran escala, perquè satisfan les lleis de la mecànica quàntica. Així, a mesura que disminuïm la dimensió i juguem amb els àtoms allà baix, estem treballant amb lleis diferents, i podem esperar fer coses diferents. Podem fabricar de maneres diferents. Podem utilitzar no només circuits, sinó sistemes que impliquin els nivells d'energia quantitzats o les interaccions d’espins quantitzats, etc.”

A escala nano, moltes propietats no es poden explicar amb les lleis de la física clàssica i hem d’anar a les lleis de la mecànica quàntica. A part, tenim més superfície específica, més reactivitat, i noves propietats inesperades. De tot això n'anirem parlant en futures entrades.

nano propietats

Continuarà...

NOTA: Aquest és el 3r de 4 posts (1r2n) que estic publicant sobre la conferència There is plenty of room at the bottom, a la qual molts atribueixen l'origen de la nanotecnologia moderna.