lunes, 6 de diciembre de 2010

Argentina: En busca de memorias alternativas para las máquinas del siglo XXI

Laura García (AGENCIA CYTA - INSTITUTO LELOIR - GIyANN - CNEA)

Existe un límite en la carrera de miniaturización de las memorias que se utilizan en celulares, computadoras y hasta reproductores MP3. Por eso, investigadores de diferentes países buscan desarrollar un salto innovador, según señala en esta nota la científica María José Sánchez. En especial, explica los avances de un tipo de memoria que es candidata a generar una nueva tecnología en ese campo.

La carrera para desarrollar nuevas memorias de máquinas -sean estas teléfonos, computadoras o hasta lavarropas inteligentes- está en pleno auge. Sucede que las memorias tradicionales como las DRAM y “Flash”, omnipresentes en la actualidad, y que están basadas en el almacenamiento de carga en dispositivos semiconductores, tienen una fecha de caducidad próxima.

Según un enunciado del co-fundador de INTEL, Gordon Moore, la cantidad de transistores en circuitos integrados crece en progresión exponencial, imponiendo serias limitaciones tanto tecnológicas como físicas a los actuales dispositivos.

¿Qué ocurrirá en el futuro con las memorias de las máquinas del siglo XXI? El desafío es continuar el proceso de miniaturización a la par de lograr un mayor aumento del espacio de almacenamiento de información. En ese campo están trabajando físicos e ingenieros de todo el mundo.

Entre ellos, se encuentra la doctora en física María José Sánchez, egresada de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires. Sánchez, que además realizó su posdoctorado en Francia, vive desde 2004 en San Carlos de Bariloche, donde se desempeña como investigadora del CONICET en el Grupo de Teoría de Sólidos del Centro Atómico Bariloche. Es además profesora del Instituto Balseiro.

El equipo integrado por María José Sánchez y colegas del Centro Atómico Constituyentes, de la Universidad de Buenos Aires (UBA) y del Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTI), recibió el premio Dupont -Conicet 2010. Fue a modo de incentivo para desarrollar un prototipo de “memoria resistiva” fabricada en base a compuestos llamados “óxidos de metales de transición”.

Ese tipo de memoria es uno de los candidatos a reemplazar a las memorias “Flash”, entre otras opciones tecnológicas que están siendo probadas por los grandes laboratorios de electrónica. En concreto, el premio consiste en 25 mil dólares, destinados al desarrollo de un prototipo que pueda responder a ambientes hostiles, con cambios de temperaturas, presión y radiación.

“Comenzamos a trabajar en el tema de ‘memorias resistivas’ en 2003 junto a un colega de la UBA, Marcelo Rozenberg, motivados por un colaborador japonés, Isao Inoue, que se encontraba realizando experimentos en sistemas basados en óxidos donde observaba la conmutación de la resistencia al aplicar pulsos eléctricos”, cuenta María José Sánchez.

“Sin embargo hasta ese momento no se entendían los mecanismos físicos fundamentales que daban lugar al fenómeno observado. En el 2004 presentamos un modelo teórico fenomenológico, que contenía los ingredientes necesarios que permitieron reproducir cualitativamente los experimentos. El trabajo se publicó ese año en la revista Physical Review Letters, constituyéndose en un referente para la comunidad interesada en el tema”, cuenta la investigadora.

Un tiempo más tarde, comenzó la interacción con el físico experimental Pablo Levy, quién trabaja en el Centro Atómico Constituyentes y es actualmente el director del proyecto ganador del premio. También se sumaron los investigadores de la FCEN, UBA y en la actualidad participan profesionales del INTI. “Existe una sinergia y una masa crítica de gente trabajando en Argentina, detrás de un proyecto interesante y prometedor”, destaca Sánchez.

Desde la memoria Flash a nuevas opciones

“Muchas de las memorias que utilizamos en los discos duros de las computadoras, en los teléfonos celulares, en las memorias portátiles USB, están basadas en el almacenamiento de carga en dispositivos semiconductores,” explica la doctora en física.

“Pero esta tecnología posee serias limitaciones a escalas nanométricas, como por ejemplo la alta disipación de potencia. Entre los candidatos para memorias de próxima generación, están las memorias resistivas, que almacenan la información en un estado de resistencia y no en un estado de carga. Esto permitiría desarrollar dispositivos con muy bajos consumos de potencia”, agrega la especialista.

Para conocer más sobre el tema, la Agencia CyTA dialogó con María José Sánchez. Lo que sigue es un resumen de esa charla.

-¿En qué fenómeno se basa este tipo de “memoria resistiva”?
- Se basa en la conmutación de la resistencia por la aplicación de pulsos eléctricos. El sistema cambia su resistencia (se hace más o menos conductor de electricidad) entre dos o más estados estables, que son no volátiles. El estado permanece una vez que el dispositivo es desconectado del circuito eléctrico.

-¿Qué es la conmutación resistiva?
-La conmutación resistiva es el cambio de la resistencia, en nuestro caso por aplicación de pulsos eléctricos. En general, tiene dos estados: de alta y de baja resistencia y ocurre para distintas polaridades del pulso aplicado. Se pasa de baja a alta resistencia por ejemplo para un valor de pulso positivo; y de alta resistencia a baja resistencia para un valor de pulso negativo. En el caso más general los estados (estables) de alta y baja resistencia corresponden a los 0 y 1 de una memoria de dos bits.

-¿Qué sistemas se están estudiando?
-Los prototipos que se están estudiando ahora son muy simples. Son estructuras tipo sándwich, de Metal/Óxido/Metal. La capa de óxido puede ser de algunas decenas hasta cientos de nanómetros de espesor, y se emplean desde óxidos simples como de Titanio, Cobre o Níquel, hasta óxidos compuestos. Los metales pueden ser oro, plata o platino. Al aplicar pulsos de voltaje o de corriente, se produce la conmutación, esto es, el cambio de alta a baja resistencia o a la inversa. Hay una gran diversidad de materiales con los que experimentar.

-¿Por qué es importante que conmute la resistencia?
-Porque cada estado de resistencia define el estado de memoria. En el código binario que se utiliza en la memoria tradicional, se tiene dos dígitos para hacer escritura. En este caso, la baja resistencia correspondería al 0 (cero), y el estado de alta resistencia al 1 (uno).

-¿Qué demostraron en el trabajo científico publicado en 2004?
-Mostramos entre otras cosas que para la conmutación de la resistencia, los procesos relevantes ocurren en la interfase, entre el metal y el óxido. También modelamos al óxido como medio aislante con “granos” conductores inmersos en ese mar aislante. Fue un primer modelo fenomenológico sobre el que fuimos avanzando a lo largo de estos años.

-¿Y qué descubrieron más recientemente?
-El trabajo teórico fue creciendo, alimentado por los experimentos, muchos de los cuales dieron cuenta de que efectivamente las interfases eran las que conmutaban. Recientemente mostramos el rol fundamental que juegan las vacancias (espacio libre) de oxígeno en la conmutación, y recurrimos a una descripción más microscópica. Así, asociamos la densidad de vacancias de oxígeno que hay en las interfases a la resistividad local.

-¿Y qué significa eso?
-Sucede que, dependiendo del tipo de óxido, al sacar oxígeno puede aumentar o disminuir la resistividad local. En nuestro modelo, analizamos la dinámica de las vacancias de oxígeno frente a la aplicación de pulsos eléctricos. En una región de pocos nanómetros en las interfases se puede sacar o poner vacancias de oxígeno debido a los altos campos eléctricos que se generan.

-¿Cuál es el nivel de desarrollo?
-El desafío es que una memoria necesita ensamblados en arreglos, por ejemplo en forma de “cross points” (puntos cruzados), que son estructuradas en forma de grilla, donde cada nodo es una memoria. Empresas como IBM y Hewlett Packard ya han patentado algunos prototipos de memorias resistivas.

-¿Ustedes en qué etapa están?
-En nuestro equipo, los físicos teóricos trabajamos en el modelado. Somos el soporte de los requerimientos de los experimentales. Ellos también escuchan nuestras sugerencias, hay una muy buena realimentación. Ahora estamos comenzando a hacer ciertos análisis orientados al proyecto del premio (Dupont 2010), estudiando la influencia de la temperatura y de la atmósferas de oxígeno, por ejemplo.

-¿En qué otros temas estás trabajando?
-También estudio las propiedades de transporte electrónico en sistemas a escala nanométrica y a bajas temperaturas. En estos sistemas se manifiesta la mecánica cuántica en las propiedades del transporte, por ejemplo en forma de fenómenos de interferencia. Es un área fascinante para la investigación tanto teórica como experimental.

-Para terminar, ¿es posible que este tipo de memoria resistiva sea ampliamente utilizada en el futuro?
- Los desafíos no son pocos. Lo que puedo decir es que en los últimos años se están produciendo grandes avances y desde Argentina estamos contribuyendo en esa dirección.

Foto: Argentina, Ciencia - La física María José Sánchez es investigadora del CONICET en el Grupo de Teoría de Sólidos del Centro Atómico Bariloche y profesora del Instituto Balseiro. / Autora: Laura García

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