¿Ordenadores moleculares?

Durante los últimos años nos hemos acostumbrado a una evolución espectacular de los ordenadores y, en general, de todos los equipos electrónicos. Cada poco tiempo, los elementos que los componen son más pequeños, su velocidad de operación mayor y su precio disminuye. Prácticamente, cada año y medio las prestaciones se duplican siguiendo lo que se conoce por la ley de Moore. Esta evolución ha sido esencial en el desarrollo de la sociedad actual de la comunicación y ha modificado las estrategias de la economía de mercado. Sin embargo, la dinámica del más pequeño, más rápido, más barato, tal como la conocemos, puede llegar a su fin.

El desarrollo industrial actual está basado en la capacidad de miniaturización de los transistores de silicio conocidos por CMOS (estos elementos básicos de los chips son esencialmente interruptores y amplificadores). De seguir el ritmo actual, en unos pocos años estos elementos tendrán que ser tan pequeños como moléculas de unos pocos átomos. A esa escala es extremadamente difícil (y muy costoso desde el punto de vista industrial) realizar las conexiones necesarias entre los elementos de un chip y, además, las propiedades de la materia difieren considerablemente de las que conocemos en el mundo macroscópico.

Una posible alternativa a estos procesos de miniaturización es construir los dispositivos empezando por abajo. Se trataría de utilizar las propiedades conocidas de las piezas básicas de la materia, es decir, átomos y moléculas, y su capacidad de autoorganización, para formar superestructuras complejas que realicen dentro de un circuito electrónico las mismas funciones que hoy en día realizan elementos basados en el silicio. El desarrollo de esta electrónica molecular es uno de los desafíos más importantes de la ciencia del siglo XXI. Por este motivo, la Electrónica Molecular ha sido el tema central de la primera reunión internacional sobre Las Fronteras de la Ciencia y la Tecnología, patrocinada por la Fundación BBVA y organizada por el Instituto Nicolás Cabrera, de la Universidad Autónoma de Madrid. En esta reunión, que contó con el apoyo de instituciones como el CSIC, la Universidad de Karlsruhe (Alemania) y la Unión Europea a través de la red PHANTOMS (coordinada por CMP-Científica), físicos, químicos, biólogos e ingenieros expertos mundiales en el campo discutieron los últimos avances y las perspectivas de la Electrónica Molecular.

Uno de los aspectos más fascinantes de las discusiones sobre este nuevo campo es la necesidad de interconexión entre prácticamente todas las ramas de la ciencia y la tecnología. En primer lugar, la química juega un papel fundamental en el diseño y la síntesis de moléculas y materiales moleculares con propiedades específicas. Los fenómenos de transporte de corriente eléctrica, que se suelen asociar a la física, tienen ahora lugar entre moléculas y electrodos metálicos. Aunque todavía no se entienden muy bien cuáles son las propiedades básicas de los contactos eléctricos moleculares, ya se ha demostrado la posibilidad de construir interruptores y pequeñísimos dispositivos de memoria basados en la electrónica molecular. En principio es posible construir ordenadores basados en interruptores (ceros y unos) y cables moleculares que funcionen siguiendo básicamente los mismos esquemas que la computación tradicional (von Neumann).

Sin embargo, desde el punto de vista de la ingeniería y fabricación a gran escala de estos dispositivos, existen limitaciones básicas que hacen pensar en la necesidad de encontrar nuevos tipos de arquitecturas computacionales. En primer lugar, existe un problema de consumo energético (hoy en día, los ordenadores y los recursos de Internet suponen más del 8% del consumo de energía eléctrica en todo el mundo. Al ritmo actual, en 8 años consumirán el 50%) y de disipación de energía. Aunque en cada operación que se realiza en uno de los elementos se produce una pequeñísima cantidad de calor, la gran densidad de elementos, multiplicada por el gran número de operaciones por segundo requeridas, hace que la potencia disipada por un ordenador molecular ideal (von Neumann) sea suficiente para fundir todos sus componentes.

En segundo lugar, el enorme número de cables (nanocables) necesarios para interconectar todos los elementos de un ordenador molecular haría que la respuesta del sistema fuese mucho más lenta que en los ordenadores actuales. En otras palabras, es necesario encontrar nuevas arquitecturas que minimicen la disipación, el consumo energético y el número de interconexiones entre elementos del sistema.

Quizás nuevos modelos o lógicas matemáticas de computación podrían resolver el problema. También podemos aprender de la biología y de los procesos de transferencia de carga que ocurren en distintas proteínas. Teniendo en cuenta que nuestro cerebro es un sistema basado en la electrónica molecular capaz de computar de forma bastante efectiva (generalmente sin fundirse), quizás la investigación de los procesos cerebrales nos permita desarrollar ordenadores moleculares extremadamente eficientes.

Aunque no sepamos cómo van a ser los futuros dispositivos electrónicos ni cómo va a evolucionar la industria (ni la economía) en los próximos años, es seguro que la electrónica molecular va a jugar un papel esencial en la ciencia y la tecnología del siglo XXI.

Juan José Sáenz es profesor del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid.