Analógico y digital: lo mejor de ambos mundos en una sola energía

Vivimos en un mundo analógico de flujo continuo de información que nuestro cerebro procesa y almacena al mismo tiempo, pero nuestros dispositivos procesan la información digitalmente en forma de código binario discreto, dividiendo la información en pequeños fragmentos (o bocados). Investigadores de EPFL han revelado una tecnología pionera que combina el potencial del procesamiento analógico continuo con la precisión de los dispositivos digitales. Al integrar a la perfección semiconductores bidimensionales ultrafinos con materiales ferroeléctricos, la investigación, publicada en Nature Electronics, revela una forma novedosa de mejorar la eficiencia energética y agregar nuevas funcionalidades en la informática. La nueva configuración fusiona la lógica digital tradicional con operaciones analógicas similares a las del cerebro.

Electrónica más rápida y eficiente

La innovación del Laboratorio de Dispositivos Nanoelectrónicos (Nanolab), en colaboración con el Laboratorio de Microsistemas, gira en torno a una combinación única de materiales que conducen a funciones inspiradas en el cerebro e interruptores electrónicos avanzados, incluido el destacado transistor de efecto de campo de túnel (TFET) de capacitancia negativa. En el mundo de la electrónica, un transistor o "interruptor" se puede comparar con un interruptor de luz, que determina si la corriente fluye (encendido) o no (apagado). Estos son los famosos 1 y 0 del lenguaje informático binario, y esta simple acción de encender y apagar es parte integral de casi todas las funciones de nuestros dispositivos electrónicos, desde el procesamiento de información hasta el almacenamiento de memoria. El TFET es un tipo especial de interruptor diseñado pensando en un futuro consciente de la energía. A diferencia de los transistores convencionales que requieren un cierto voltaje mínimo para encenderse, los TFET pueden funcionar a voltajes significativamente más bajos. Este diseño optimizado significa que consumen considerablemente menos energía al conmutar, lo que reduce significativamente el consumo total de energía de los dispositivos en los que están integrados.

Según el profesor Adrian Ionescu, director de Nanolab, "Nuestros esfuerzos representan un avance significativo en el dominio de la electrónica, habiendo superado los puntos de referencia de rendimiento anteriores, y se ejemplifican con las extraordinarias capacidades del TFET de diseleniuro de tungsteno/diseleniuro de estaño de capacitancia negativa y el posibilidad de crear una función neuronal sináptica dentro de la misma tecnología".

Sadegh Kamaei, candidato a doctorado en la EPFL, ha aprovechado por primera vez el potencial de los semiconductores 2D y los materiales ferroeléctricos dentro de un sistema electrónico totalmente cointegrado. Las semiconductoras 2D se pueden utilizar para procesadores digitales ultraeficientes, mientras que el material ferroeléctrico brinda la posibilidad de procesar y almacenar memoria continuamente al mismo tiempo. La combinación de los dos materiales crea la oportunidad de aprovechar lo mejor de las capacidades digitales y analógicas de cada uno. Ahora bien, el interruptor de la luz de nuestra analogía anterior no sólo es más eficiente energéticamente, sino que la luz que enciende puede brillar aún más. Kamaei añadió: "Trabajar con semiconductores 2D e integrarlos con materiales ferroeléctricos ha sido un desafío pero inmensamente gratificante. Las aplicaciones potenciales de nuestros hallazgos podrían redefinir la forma en que vemos e interactuamos con los dispositivos electrónicos en el futuro".

Combinando la lógica tradicional con circuitos neuromórficos

Además, la investigación profundiza en la creación de interruptores similares a las sinapsis biológicas (los intrincados conectores entre las células cerebrales) para la computación neuromórfica. "La investigación marca la primera cointegración de los circuitos lógicos de von Neumann y las funcionalidades neuromórficas, trazando un camino apasionante hacia la creación de arquitecturas informáticas innovadoras caracterizadas por un consumo de energía excepcionalmente bajo y capacidades hasta ahora inexploradas para construir funciones neuromórficas combinadas con el procesamiento de información digital. ", añade Ionescu.

Estos avances apuntan a dispositivos electrónicos que funcionan de manera paralela al cerebro humano, combinando la velocidad computacional con el procesamiento de información de una manera más acorde con la cognición humana. Por ejemplo, los sistemas neuromórficos podrían sobresalir en tareas con las que las computadoras tradicionales tienen dificultades, como el reconocimiento de patrones, el procesamiento de datos sensoriales o incluso ciertos tipos de aprendizaje. Esta combinación de lógica tradicional con circuitos neuromórficos indica un cambio transformador con implicaciones de gran alcance. Es posible que en el futuro veamos dispositivos que no sólo sean más inteligentes y rápidos, sino también exponencialmente más eficientes energéticamente.