Reducir el tamaño de los transistores conlleva inevitablemente un aumento de las fugas de corriente, ya que los electrones atraviesan por efecto túnel incluso las uniones cerradas. Este y otros factores podrían frenar pronto el desarrollo de la electrónica basada en corriente, mientras la demanda de capacidad de cálculo seguirá creciendo. Para ese escenario se ha desarrollado en EE. UU. un transistor de concepción radicalmente distinta, que funciona a partir de ondas magnetoacústicas.
Aleación de hierro y galio. Fuente de las imágenes: University of Michigan
El desarrollo corre a cargo de científicos de la Universidad de Míchigan (University of Michigan) y de la Universidad de Wisconsin. Si no se puede prescindir de los transistores, señalan los investigadores, porque sobre ellos se han construido toda la arquitectura informática y los algoritmos existentes, basta con sustituir los transistores convencionales por dispositivos que funcionen con otro principio, no basado en la corriente (el movimiento de electrones).
El punto de partida de la nueva propuesta resultó tan prometedor que el proyecto ha recibido una financiación de unos 6 millones de dólares de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa de EE. UU. (DARPA) dentro del programa Fast and Curious. El dispositivo en desarrollo se llama M
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BOLT, acrónimo del proyecto Multiferroic Magnetoelectric–Magnetoacoustic Beyond-charge Logic via Tunable Transmission, que podría traducirse como «Lógica más allá del transporte de carga basada en efectos magnetoeléctricos y magnetoacústicos multiferroicos con transmisión sintonizable».
El principio de funcionamiento del nuevo transistor se basa en el uso de ondas magnéticas y acústicas en lugar del transporte convencional de electrones. Según las estimaciones, esta alternativa podría multiplicar por entre 100 y 1.000 la velocidad de cálculo y reducir de forma sustancial el consumo energético.
La base de M
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BOLT es una estructura multicapa de dos materiales con propiedades físicas distintas. La capa inferior es un cristal ferroeléctrico PMN-PT, un compuesto de niobato de magnesio y plomo con titanato de plomo. Encima se coloca una fina película de una aleación magnética de hierro y galio (FeGa).
Bajo la acción de un campo eléctrico, los átomos de la capa ferroeléctrica se desplazan y transmiten una deformación mecánica a la capa magnética superior de FeGa. Como resultado, en la capa magnética cambia la orientación de los momentos magnéticos y por la película se propagan ondas magnéticas. Esto ocurre gracias a las oscilaciones coordinadas de los magnones, los cuantos de excitación de la onda de espín. Así, la información se transmite sin desplazar electrones y sin utilizar carga eléctrica alguna.
Para representar los datos como ceros y unos convencionales, los desarrolladores proponen utilizar dos estados del material. En uno, los momentos magnéticos oscilan y forman una onda de magnones, lo que corresponde a un uno. En el otro, su orientación cambia de tal manera que las oscilaciones magnéticas se suprimen y en su lugar se propagan perturbaciones acústicas, una onda de fonones.
Transistor magnetoacústico (esquema básico)
Según la idea de los autores, los procesos ondulatorios podrán funcionar en frecuencias del rango de los terahercios, mientras que los procesadores actuales utilizan frecuencias de reloj del orden de varios gigahercios. Otra ventaja es la posibilidad de conservar la orientación de los momentos magnéticos tras cortar la alimentación, gracias a lo cual un mismo material podría desempeñar potencialmente las funciones de elemento de cálculo y de memoria no volátil. En esencia, se trata de computación en memoria, una tecnología también importante para avanzar en rendimiento y eficiencia energética.
El proyecto M
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BOLT se encuentra en una fase temprana de desarrollo. El equipo dirigido desde la Universidad de Míchigan se encarga del diseño del dispositivo y de los circuitos lógicos, mientras que el grupo de la Universidad de Wisconsin en Madison modelará los procesos físicos, la influencia de los defectos de los materiales y las particularidades de los estados límite entre las capas.
Por su parte, DARPA, dentro del programa Fast and Curious, plantea a los desarrolladores un objetivo más amplio: crear circuitos lógicos que superen a las soluciones actuales basadas en CMOS en eficiencia energética al menos 100 veces. Los propios desarrolladores confían en que el nuevo transistor pueda superar hasta 1.000 veces a sus equivalentes actuales. Queda por comprobarlo en la práctica, aunque nadie promete resultados concretos antes de mediados de la década de 2030.