Nanocomputación: qué es, para qué sirve, cómo funciona este misterioso paradigma

Actualizado a: 19 de enero de 2024

Como bien sabemos, existe la computación convencional, la supercomputación, la computación cuántica, optical computing, etc. Ahora vamos a hablarte de lo que es la nanocomputación, otro paradigma interesante que deberías conocer, por lo que puede aportar al presente y futuro de la tecnología.

¿Qué es la microelectrónica?

La microelectrónica es una rama de la electrónica que se enfoca en el diseño, fabricación y estudio de componentes electrónicos en una escala muy pequeña, a menudo a nivel de microscopio. Su objetivo principal es crear dispositivos y circuitos electrónicos extremadamente pequeños y eficientes, lo que ha llevado al desarrollo de la tecnología de los microchips y la miniaturización de componentes electrónicos.

Los avances en microelectrónica han permitido la creación de dispositivos electrónicos cada vez más compactos y potentes, como ordenadores, teléfonos móviles, cámaras digitales, sensores, y una amplia gama de dispositivos electrónicos portátiles. Esta tecnología se basa en la fabricación de circuitos integrados en los que miles o incluso millones de transistores y otros componentes electrónicos se incorporan en un solo chip de silicio.

La microelectrónica también juega un papel fundamental en la industria de la computación, ya que los avances en la miniaturización de los componentes han permitido aumentar la capacidad de procesamiento y reducir el consumo de energía de los dispositivos electrónicos. Esto ha llevado al desarrollo de procesadores más rápidos y eficientes que impulsan la informática moderna.

Microcomputador vs Minicomputador

Seguramente que has escuchado hablar en el pasado de términos como microcomputadora y minicomputadora. Estos términos se utilizaban tradicionalmente para describir tipos específicos de ordenadores en función de su tamaño y capacidad de procesamiento. Sin embargo, con el avance de la tecnología, estas distinciones han perdido su significado original y se han vuelto menos claras. Aún así, aquí hay una descripción general de lo que solían significar y algunas diferencias clave:

• Minicomputadora: eran ordenadores de tamaño intermedio entre las microcomputadoras y las mainframes. Eran más grandes que las microcomputadoras, pero más pequeñas que las mainframes. Las minicomputadoras tenían una capacidad de procesamiento más alta que las microcomputadoras y se utilizaban para tareas más complejas. Eran adecuadas para su uso en empresas y organizaciones más grandes. Las minicomputadoras se utilizaban para una variedad de aplicaciones empresariales, como procesamiento de datos, gestión de inventario, control de procesos industriales y aplicaciones científicas. Ejemplos clásicos de minicomputadoras incluyen la serie DEC PDP y las máquinas DEC VAX.
• Microcomputadora: se usaba para referirse a ordenadores personales de tamaño pequeño que se podían colocar en un escritorio. Estas eran las precursoras de los ordenadores personales modernos. Las microcomputadoras solían tener capacidades de procesamiento relativamente limitadas en comparación con los ordenadores más grandes, como las minicomputadoras y las mainframes. Estaban diseñadas principalmente para uso individual o en pequeñas empresas. Las microcomputadoras se usaban principalmente para tareas generales de procesamiento de texto, cálculos simples y juegos. Las primeros ordenadores personales, como la IBM PC, Apple II y Commodore 64, se consideraban microcomputadoras.

Es importante destacar que, con el tiempo, las diferencias entre microcomputadoras y minicomputadoras se han vuelto menos claras debido a los avances tecnológicos. Las microcomputadoras modernas (como los portátiles y los ordenadores de escritorio) superan en capacidad de procesamiento a las minicomputadoras de antaño, y el término ha caído en desuso.

¿Qué es un nanómetro?

Un nanómetro (nm) es una unidad de medida de longitud que equivale a una mil millonésima parte de un metro. Para ponerlo en perspectiva, un nanómetro es significativamente más pequeño que muchas de las estructuras y objetos que encontramos en la vida cotidiana.

Para poner esto en perspectiva:

• El diámetro de una hebra de ADN humano es de aproximadamente 2.5 nanómetros.
• Una hoja de papel tiene un grosor de alrededor de 100,000 nanómetros.
• Hay 25,400,000 nanómetros en una pulgada.
• Las uñas crecen a una velocidad de aproximadamente un nanómetro por segundo de forma natural.
• Un solo átomo de oro tiene un diámetro de aproximadamente un tercio de nanómetro.
• En una comparación extrema, si el diámetro de una canica fuera de un nanómetro, entonces el planeta Tierra tendría un diámetro de un metro.

¿Qué es la nanoelectrónica?

La nanoelectrónica es una rama de la electrónica que se enfoca en la fabricación, diseño y estudio de dispositivos electrónicos a una escala nanométrica, es decir, a nivel de nanómetros, por lo que va más allá de la microelectrónica que expliqué anteriormente, aunque muchas veces pueda confundirse y resultar un término algo difuso.

En la nanoelectrónica, se investiga y desarrolla dispositivos electrónicos en la escala de los nanómetros, lo que incluye transistores, circuitos integrados, memoria y otros componentes electrónicos. Este campo se ha vuelto fundamental debido a los límites físicos a los que se enfrenta la tecnología de semiconductores tradicional a medida que los componentes se hacen más pequeños.

En cuanto a las aplicaciones, podemos verla en la informática y las comunicaciones hasta la medicina y la energía. Algunos ejemplos de avances en nanoelectrónica incluyen transistores de efecto de campo a escala nanométrica, dispositivos de memoria no volátil de alta densidad, sensores ultra pequeños, nanobots o nanorobots, y dispositivos cuánticos.

¿Qué es una nanocomputadora?

Nanocomputadora se refiere a un ordenador más pequeña que la microcomputadora, que a su vez es más pequeña que la minicomputadora. El término nanocomputadora se utiliza cada vez más para referirse a dispositivos informáticos generales del tamaño de una tarjeta de crédito, o incluso ordenadores contenidos en un solo chip. Por ejemplo, se podría decir que las SBCs son un tipo de nanocomputadora, como la Raspberry Pi, Gumstix, etc. Es discutible que los dispositivos móviles también se clasificarían como nanocomputadoras, pero algunos los incluyen también en este campo.

La reducción de tamaño ha sido más o menos continua desde alrededor de 1970. Algunos años después, el proceso de 6 μm permitió la creación de ordenadores de escritorio, conocidas como microcomputadoras. La Ley de Moore en los siguientes 40 años trajo características que eran 1/100 del tamaño, o diez mil veces más transistores por milímetro cuadrado, poniendo smartphones en cada bolsillo. Eventualmente, se desarrollarán ordenadores con partes fundamentales que no sean más grandes que unos pocos nanómetros.

Las nanocomputadoras pueden construirse de varias maneras, utilizando nanotecnología mecánica, electrónica, bioquímica o cuántica. Solía haber consenso entre los desarrolladores de hardware de que es poco probable que las nanocomputadoras estén hechas de transistores semiconductores, ya que parecen funcionar significativamente peor cuando se reducen a tamaños inferiores a 100 nanómetros. Sin embargo, los desarrolladores redujeron las características hasta los actuales nodos o procesos de fabricación de 7nm, 5nm (ancho de 21 átomos de Si aprox.), 3nm, y más allá, como tienen planeado foundries como la de Intel, Samsung y TSMC.

Nanocomputación: aportes y retos

La nanocomputación combina dos conceptos clave: «nano» y «computación» o informática. La informática implica el uso de un ordenador, que incluye hardware y software, para procesar datos y realizar tareas algorítmicas. Por otro lado, «nano» proviene del término «nanómetro», como he explicado anteriormente.

Estamos hablando de una escala extremadamente pequeña, y la nanocomputación se basa en esta escala. A pesar de que fabricantes líderes como Intel, Samsung y TSMC están produciendo chips con litografías de 5 o 3 nanómetros en la actualidad, los transistores que conforman estos chips tienen el grosor de aproximadamente dos hebras de ADN humano.

Este avance representa un hito en la industria, pero también evidencia que estamos acercándonos a límites físicos. La litografía de chips implica la integración de miles y miles de transistores a escala nanométrica en un espacio definido. Al reducir el tamaño de los transistores, se puede aumentar la cantidad de ellos en el mismo espacio, lo que mejora la capacidad de cómputo y la eficiencia del chip. Sin embargo, esto también tiene limitaciones, ya que la densidad de calor generada por la mayor cantidad de transistores en un espacio limitado puede dificultar la disipación adecuada del calor.

Si bien la nanocomputación ofrece muchas ventajas, como un rendimiento y eficiencia mejorados, también presenta desafíos significativos. La fabricación de dispositivos basados en nanotecnología es costosa y compleja, y la reducción de escala exige un alto nivel de experiencia y financiamiento para la investigación.

Además, la nanocomputación representa un desafío para la economía actual, ya que el avance de la nanotecnología tiene el potencial de alterar significativamente muchas áreas económicas. A medida que los chips más avanzados se vuelvan más accesibles, habrá un impacto en el mercado y en las tecnologías y empresas que no se adapten y evolucionen para mantenerse competitivas.

Ventajas y desventajas de la nanocomputación

Como hemos explicado, la nanocomputación se refiere a procesos de cómputo realizados por dispositivos que son mucho más pequeños que los de hace unas décadas, reduciéndose hasta alcanzar dimensiones de menos de 100 nanómetros, con ventajas como:

• Esta drástica reducción en tamaño tiene un efecto exponencial en la funcionalidad del circuito, mejorándola hasta 10.000 veces, y también significa que la capacidad de procesamiento de estos dispositivos puede aumentar hasta un millón de veces.
• Esto resulta en un consumo de energía considerablemente menor, lo que se traduce en una eficiencia notablemente superior.
• Las nanocomputadoras también destacan por ser considerablemente más veloces que otras microcomputadoras y pueden realizar cálculos que serían inalcanzables para otros dispositivos.
• Su tamaño reducido es una ventaja adicional, ya que pueden ser incorporadas en dispositivos más pequeños, ligeros y fáciles de transportar. Además, estos ordenadores son menos susceptibles a las interferencias y el ruido.

Pero no todo son ventajas, también tiene algunas desventajas:

• La fabricación de dispositivos basados en nanotecnología es extremadamente complicada y costosa, ya que reducir la escala de los componentes a niveles microscópicos requiere un alto nivel de experiencia y una inversión considerable en investigación y desarrollo.
• Puede plantear desafíos económicos. El surgimiento de la nanotecnología, como muchas otras tecnologías novedosas, puede tener un impacto disruptivo en diversas áreas económicas. Inicialmente, las nanocomputadoras podrían ser un lujo costoso e inaccesible, pero con el tiempo podrían volverse más populares y comunes. Esto podría provocar un importante reordenamiento del mercado, lo que podría ser perjudicial para las tecnologías y las empresas que no se adapten a estos cambios.
• Por último, la naturaleza microscópica de la nanocomputación plantea preocupaciones éticas en cuanto a las aplicaciones de estos nuevos dispositivos que pueden ser indetectables. Se ha hablado desde elementos que podrían servir para el espionaje, atentando contra la privacidad, hasta otras posibilidades de ser introducidos en el cuerpo mediante inyecciones, etc. No obstante, ésto último no se ha demostrado, pero sí que se hacen investigaciones médicas para poder crear nanobots que curen ciertas enfermedades, reparen tejidos, etc.

Computación cuántica: más allá de los átomos

Como sabes, la computación cuántica es un campo revolucionario de la informática que se basa en los principios de la mecánica cuántica para realizar operaciones de manera fundamentalmente diferente a los ordenadores clásicos. Y la nanotecnología ha permitido hacer posible también estos nuevos procesadores cuánticos, basados en:

• Bits cuánticos (qubits): mientras que un ordenador clásico utiliza bits como unidades básicas de información, que pueden estar en uno de dos estados (0 o 1), un ordenador cuántico utiliza qubits. Los qubits pueden existir en múltiples estados al mismo tiempo debido al fenómeno llamado superposición. Esto permite que la computación cuántica realice múltiples cálculos simultáneamente.
• Entrelazamiento: los cubits pueden estar entrelazados, lo que significa que el estado de un qubit está intrínsecamente relacionado con el estado de otro, incluso si están separados por distancias grandes. Esto permite una comunicación y computación cuántica altamente eficiente y segura.
• Interferencia cuántica: la superposición y el entrelazamiento permiten que los qubits interactúen y se influyan mutuamente de maneras específicas y predecibles. Esto se llama interferencia cuántica y es fundamental para los algoritmos cuánticos.
• Decoherencia: los qubits son extremadamente sensibles a su entorno y pueden perder su coherencia cuántica (superposición y entrelazamiento) debido a factores ambientales como la temperatura y la radiación. La decoherencia es uno de los principales desafíos en la construcción de ordenadores cuánticos prácticos y estables.

Pero para que esto sea posible, hacen falta grandes cambios, y la teoría del paradigma de la computación actual no sirve, hay que buscar nueva teoría y bases:

• Algoritmos cuánticos: diseñados para un ordenador cuántico pueden aprovechar la superposición y la interferencia cuántica para resolver problemas específicos de manera mucho más eficiente que los ordenadores clásicos. Por ejemplo, el algoritmo de Shor puede factorizar números grandes de manera significativamente más rápida que cualquier algoritmo clásico conocido, lo que tiene implicaciones importantes para la criptografía.
• Puertas cuánticas: al igual que los ordenadores clásicos utilizan compuertas lógicas para realizar operaciones en bits (OR, AND, NOR, NAND, NOT, XOR,…), lOs cuánticOs utilizan puertas cuánticas para realizar operaciones en qubits (NOT, Hadamard, SWAP,…). Estas puertas cuánticas pueden cambiar el estado de los qubits de acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica.

Existen varios enfoques para construir ordenadores cuánticos, incluyendo dispositivos basados en circuitos superconductores, átomos atrapados, iones y fotones, espín de los electrones, entre otros. Cada enfoque tiene sus propias ventajas y desafíos técnicos.

En definitiva, la informática cuántica se basa en gran medida en los principios de la teoría cuántica, que describe el comportamiento de la energía a niveles atómicos y subatómicos. Mientras que los ordenadores convencionales utilizan ceros y unos para codificar información, la computación cuántica se vale de qubits, que pueden existir en múltiples estados simultáneamente, como se mencionó previamente.

Es importante destacar que la nanocomputación no guarda relación directa con la computación cuántica, aunque tiene el potencial de influirla de manera significativa. El hecho de poder utilizar procesadores de tamaño microscópico podría impulsar considerablemente el rendimiento de la computación cuántica, abriendo nuevas posibilidades en esta área.