Ellie Gabel analiza cómo la computación a la escala más delgada impulsa los avances en tecnologías cuánticas, chips ultra delgados y dispositivos de capa atómica que pueden cambiar el futuro de la computación.
La informática ha progresado exponencialmente en solo unas pocas décadas. Incluso si se reducen los componentes internos, la potencia informática aumenta en un orden de magnitud.
Aún así, las computadoras más poderosas del mundo se limitan a factores de forma voluminosos y configuraciones ópticas complejas.
La nueva tecnología presenta nuevos problemas. Las computadoras cuánticas, por ejemplo, son sensibles a las perturbaciones más pequeñas. Los componentes condensados pueden ser recompensados, pero el enfoque plantea muchos desafíos técnicos.
¿Qué pasaría si hubiera una manera de reducir la electrónica y usar muchas menos piezas sin afectar el rendimiento?
Los investigadores finalmente respondieron esta pregunta candente y descubrieron que se puede ver la línea de meta de la carrera para la computación a escala atómica.
Si parece imposible, se han desarrollado chips sub-nanoescala. Si es escalable, esta tecnología podría revolucionar la informática.
La tecnología de chips ultrafinos ve avances
La calculación a la escala más delgada posible no se trata de arrogancia del cubo, sino de velocidad, eficiencia y rendimiento.
Las supercomputadoras son extremadamente poderosas, pero recuerdan a las computadoras personales antiguas y voluminosas. La escala altamente controlada requiere condiciones que son difíciles.
Las computadoras cuánticas prácticas son importantes para la computación de próxima generación, y la miniaturización es la clave para desbloquearlas.
Los fotones generalmente se acceden a estados cuánticos por dispositivos ópticos complejos como guías de onda. Entanglement permite que los datos se codifiquen y procesen en paralelo.
Esta interacción es notoriamente difícil de escalar porque la incompletitud puede descomponer el cálculo.
Los investigadores ópticos de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Harvard han dado un gran salto a la computación cuántica de temperatura ambiente aprovechando la tecnología a nanoescala.
Desarrollaron una nueva metasuperficie, un dispositivo bidimensional grabado en patrones a nanoescala para controlar el comportamiento de las ondas electromagnéticas.
Reemplazar una configuración tradicional con un chip ultra delgado elimina la necesidad de componentes ópticos complejos y voluminosos.
Sus metastallas cuánticas en miniatura, resistentes a los errores, producen fotones entrelazados, lo que hace que las redes cuánticas sean más confiables y escalables. Esta solución es rentable, fácil de fabricar y no requiere una alineación complicada.
La tendencia hacia la miniaturización de la fabricación de semiconductores muestra que tales avances no se limitarán a los círculos académicos durante mucho tiempo.
Los tamaños funcionales alcanzan menos de 5 nanómetros y soluciones subnanométricas en el horizonte: la fabricación de precisión avanza rápidamente.
La ciencia detrás de la computación a escala atómica
La computación de carrera a escala atómica debe comenzar en algún lugar. La disipación térmica es uno de los desafíos más apremiantes que enfrentan los equipos de investigación y desarrollo. La cantidad de electrónica térmica aumenta exponencialmente a medida que disminuye.
En los espesores a nanoescala, es más probable que los electrones chocen con la superficie del cable, aumentando el calor de los desechos, lo que resulta en un rápido aumento en la resistencia eléctrica del alambre de cobre.
El aumento de la capacidad de potencia para compensar las pérdidas de rendimiento está fuera de discusión. La clave general es la miniaturización. Este problema limita la escala y la eficiencia de las tecnologías informáticas a nanoescala.
Los investigadores de la ingeniería de Stanford han desarrollado una solución innovadora a este problema, el fosfuro de Biobium. Este material ultra delgado se produce más que cobre en películas con solo átomos gruesos.
El cobre empeora cuando se realiza electricidad con un grosor de aproximadamente 50 nanómetros, pero funciona bien a temperatura ambiente y a 5 nanómetros.
Los materiales bidimensionales son la base de la computación a la escala más delgada. Otro equipo de investigación descubrió que los dispositivos de capa atómica formados por direnidas de tungsteno (WSE2) tienen una reacción óptica no lineal muy fuerte.
Utilizan miles de fotones, que es mucho más eficiente que la fibra óptica para la comunicación de larga distancia.
Las redes de fibra óptica son rápidas, pero el procesamiento eléctrico genera calor excesivo de residuos e introduce retrasos. WSE2 utiliza un pequeño número de fotones para procesar información y mejorar la eficiencia de la comunicación.
El fabricante de equipos original puede aplicar este avance a la computación cuántica.
Estado actual de la investigación y el desarrollo
Hay muchos hitos de I + D notables en los que los prototipos y descubrimientos están surgiendo constantemente de la industria y la academia.
Muchos se centran en la computación cuántica. La aplicación puede ser un nicho, pero los hallazgos se engañan e inspiran el progreso.
Eche un vistazo a un reciente avance de punto cuántico, por ejemplo. Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore han sido pioneros en nuevas técnicas para depositar puntos cuánticos en superficies corrugadas de ingeniería líquida.
Este enfoque innovador elimina la necesidad de postprocesamiento y mejora significativamente la escalabilidad y el rendimiento del dispositivo.
Los fotodetectores de infrarrojo cercano son la base de la tecnología de detección. Se prioriza el rendimiento, pero los factores de forma compactos no se pueden negociar, especialmente con los sistemas de defensa, biomédicos y de seguridad de última generación.
Un sistema de imágenes debe detectar simultáneamente la luz de múltiples longitudes de onda en un solo chip. Sin embargo, depositar puntos cuánticos en superficies texturizadas es difícil.
Este nuevo enfoque de aplicación ofrece alternativas rentables y escalables que podrían revolucionar la producción de dispositivos médicos, sistemas de comunicación y electrodomésticos.
El camino hacia la computación a la escala más delgada
El fabricante de equipos original no ha aplicado su reciente avance a gran escala, pero ya lo está esperando.
Tienen razón: esta industria se mueve rápidamente. Una vez que logren la producción sub-nanoescala, ¿procederán a la purificación de dispositivos de capa atómica?
¿Qué sigue para calcular a la escala más delgada?
Una evaluación del estado actual de la fabricación de semiconductores y electrónicos proporciona una imagen más clara de las perspectivas futuras de la industria.
Estados Unidos administra solo el 12% de la capacidad de fabricación global de semiconductores. El Congreso aprobó la Ley CHIPS para alentar los currículums, pero los fabricantes permanecen limitados por la rareza de los sedimentos de elementos de tierras raras.
A partir de 2025, China lidera el mundo en la miniaturización de la electrónica. Los investigadores chinos ya han utilizado la epitaxia del haz molecular para evitar limitaciones tradicionales en el crecimiento de los cristales.
Este enfoque ofrece un control estructural incomparable, garantiza una alineación perfecta y reduce significativamente los defectos de fabricación.
En teoría, China puede usar este método para generar hasta 50 capas por minuto, con hasta 15,000 capas semiconductoras.
Con solo atómica de grosor, los chips ultra delgados revolucionan la informática. Llegar al mercado primero con métodos de producción en masa eficientes puede inclinar permanentemente la escala.
La innovación es beneficiosa independientemente de dónde ocurra. Pero las acciones de hoy darán forma al panorama tecnológico del mañana, afectando las cadenas de suministro y la competencia del mercado.
Los formuladores de políticas deben prestar atención a la integración de materiales y los avances de ingeniería de dispositivos.
Presionar a los científicos y los responsables políticos
Las nuevas técnicas de fabricación son principalmente una prueba de concepto, pero hay rutas de comercialización.
A medida que los tamaños funcionales se acercan a la escala subnanómetro, los ingenieros deben continuar explorando formas de habilitar operaciones informáticas sofisticadas. Cuanto más eficiente sea el diseño, más energía puede gastar en los cálculos reales.
La línea de meta de producción en masa para dispositivos de capa atómica de próxima generación se acerca rápidamente. Cualquiera que primero lo alcance controla el mercado.
La colaboración transfronteriza con científicos, expertos de la industria y responsables políticos es extremadamente importante en esta etapa.
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