En el bolsillo llevamos una máquina inimaginable hace unos años, capaz de encontrar la información que deseemos en pocos segundos. El siguiente reto es minimizar su gasto de energía. El trabajo de físicos como Albert Fert, descubridor de la magnetorresistencia gigante, sienta las bases para afrontar la actual hemorragia energética que provocan nuestras búsquedas en Google.
Si tuviéramos la capacidad de diseñar el ordenador o móvil ideal, ¿cómo sería? Muchos usuarios se centrarían en la estética, otros en la funcionalidad o la originalidad. Pero en realidad, los físicos como Albert Fert (Carcassone, Francia, 1938), que desde la semana pasada se encuadra como investigador distinguido en el departamento de Física de Materiales de la Universidad del País Vasco, se preocupan por la capacidad de almacenamiento, el consumo de energía y la duración de la batería.
“Lo más incómodo de los teléfonos actuales es tener que recargarlos constantemente”, explica a SINC el premio Nobel de Física en 2007, junto al alemán Peter Grünberg, durante una de sus últimas visitas a España en el festival Passion for Knowledge. Varias compañías ya están en proceso de fabricación de estos móviles que podrán durar de siete a quince días sin ser recargados.
“Después no tengo una idea particular de cómo será ese móvil del futuro”, confiesa el descubridor de la magnetorresistencia gigante (1988), un efecto de la mecánica cuántica que ha permitido miniaturizar los lectores de los discos duros de los ordenadores y aumentar su capacidad de almacenamiento.
Esto dio lugar a la espintrónica, una tecnología que manipula el estado cuántico de las partículas –el espín del electrón– para aplicaciones en la industria informática. Gracias a sus propiedades, el resultado serán móviles, ordenadores y discos duros, entre otros, más eficientes, rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento.
Pero para Fert, hasta ahora director científico de la Unidad Mixta de Física del CNRS/Thalès en Francia, el reto en la mejora de los ordenadores y discos duros es encontrar nuevos materiales que permitan reducir el consumo de energía. “El 20 % del consumo de electricidad del mundo en 2030 vendrá de la transmisión digital de los datos”, dice el físico, recordando un estudio publicado en la revista Challenges.
Los data centers o centros de procesamientos de datos, espacios donde se gestiona toda la información por parte de grandes empresas y organizaciones, son sin duda los mayores consumidores de energía, más incluso que los propios ordenadores personales.
“Como cada vez más cosas pasan por internet, el consumo energético de los data center aumentará en los próximos diez años en un factor 10”, señala el físico francés, que subraya que un centro de datos de Google en EE UU gasta tanta energía como la ciudad de San Francisco.
¿Pero a qué equivale la energía que gastamos con la navegación por la red? “Una información que siempre doy es que treinta búsquedas en Google corresponden a la energía necesaria para hervir un litro de agua”, puntualiza Fert. Con este dato no es difícil extrapolar la ingente cantidad de electricidad que se consume, y que afecta directamente al medio ambiente, solo para mantenernos informados.
Fert lo tiene claro: “Gastamos inútilmente cuando buscamos en internet. Con un ordenador podríamos encontrarlo directamente pero, por pereza, volvemos a pasar por Google y creamos enlaces para llegar a una web”. Ni siquiera las energías renovables, como la solar y la eólica, son capaces en la actualidad de compensar el gasto energético de los ordenadores.
El premio Nobel francés, Albert Fert, en San Sebastián. / Adeline Marcos (SINC)
A pesar de las predicciones para la próxima década, con la creación de la computación en la nube y conexiones de inteligencia artificial, que no harán más que incrementar el consumo, solo la tecnología será capaz de reducir este gasto. Y es aquí donde la espintrónica de Fert tiene algo que decir.
El premio Nobel francés plantea una cuestión frente a este problema: “¿Cómo continuar mejorando las tecnologías de la información a la vez que se frena un poco esta hemorragia de consumo energético?”. Para ello, pronto llegará una nueva generación de ordenadores que consumirán mucho menos y estarán basados en efectos de la mecánica cuántica.
“En la actualidad, en los ordenadores lo que consume la energía es la memoria RAM, el almacenamiento de datos que para cumplir su labor tiene que estar continuamente proporcionando energía”, declara a SINC el físico.
Ahora la producción de almacenamiento masivo ya se está produciendo en Samsung o IBM –que llevó al mercado la magnetorresistencia gigante en 1997– con los STT-RAM (spin-transfer torque magnetic random-access memory) que están basados en principios de la espintrónica, en particular sobre fenómenos cuánticos como es el efecto túnel cuántico que depende del espín, una propiedad cuántica de los electrones.
El investigador colaboraba con el centro de investigación vasco nanoGUNE para desarrollar una nueva generación de microprocesadores con la compañía Intel. Gracias a la espintrónica, busca soluciones para mejorar la eficiencia de microprocesadores con nuevos materiales.
“Aún hoy las puertas lógicas de los ordenadores consumen mucha energía. El proyecto con Intel se basa en aislantes topológicos, unos sistemas bidimensionales con propiedades muy especiales que permiten transformar señales magnéticas en señales eléctricas de manera muy económica y eficaz”, explica el físico.
En los últimos años el desarrollo de la espintrónica se ha acelerado hacia múltiples direcciones, y no solo culmina en discos duros y productos de STT-RAM.
Una de las aplicaciones son los ordenadores y sistemas neuromórficos, es decir computadoras inspiradas en el cerebro. “Esto está empezando”, recalca el físico. En la actualidad, los ordenadores bioinspired reproducen las sinapsis y las neuronas con microcircuitos.
“Pero hacen falta cientos de transistores para hacer una neurona y decenas para hacer una sinapsis, y el resultado son ordenadores enormes que consumen también mucha energía como los del programa Alphago, que gastan 10.000 veces más energía que el jugador de Go que tiene enfrente”, especifica el francés.
Estas máquinas utilizan un tipo de cálculo diferente, más bien neuronal, al que usan los ordenadores habituales, principalmente digital. En este caso, tienen compuestos específicos basados en otros materiales nanofísicos.
“En toda la informática actual, lo que gasta mucha energía es que hay vaivenes incesantes entre operación lógica y memoria. Incluso en los microprocesadores entre la memoria SRAM (Static Random Access Memory) y puertas lógicas es este tipo de escritura y lectura continuo lo que gasta energía”, ilustra Fert.
Pero en el cerebro, el proceso difiere: “La memoria y la transferencia de señales a la memoria ocurren a la vez. En cuanto una señal pasa de neurona a neurona, cada vez que se atraviesa una sinapsis, esta cambia y es memorizada”, dice el físico. Los señales analógicas del cerebro permiten una visión con más matices que se transmiten por millones de sinapsis y neuronas.
¿Será posible algún día usar ordenadores que imitan al cerebro? Para ello habría que realizar una sinapsis con 50 transistores y una neurona con 500. “Esto es enorme. Si quisiéramos realizar algo con la potencia del cerebro necesitaríamos un ordenador del tamaño de Madrid”, confiesa.
Esta tecnología, desarrollada especialmente por la investigadora francesa Julie Grollier, con la que ha trabajado Fert, todavía es limitada. “Aún no existen los componentes ni los efectos que permiten imitar las neuronas y las sinapsis”, dice. “Estamos solo al principio”, concluye el premio Nobel.
Investigadores del centro CiQUS de la Universidad de Santiago de Compostela han desarrollado una técnica pionera para regular el flujo de calor en estos sistemas aplicando campos eléctricos sobre regiones muy localizadas del material.
Este científico liderara a partir de 2026 el mayor laboratorio de física de partículas del mundo. Mark Thomson tendrá el reto de impulsar proyectos de enorme envergadura, como la posible construcción de un nuevo acelerador de casi 100 kilómetros de longitud, que transformaría el panorama de la física.
