Una nova arquitectura d'ordinadors: els memcomputers

Els ordinadors actuals tenen separades la memòria on es troben les dades de la unitat de processament. Així, per exemple, quan usem el Word per a escribir una frase l’ordinador mou una sèrie de zeros i uns, la representació que usa la màquina de les paraules del document, d’una àrea temporal de memòria i l’envia a una altra part física de l’ordinador, la CPU o unitat central de procés, per mitjà de cables. La CPU transforma les dades en les lletres que veiem en la pantalla. Per a que el que hem escrit no desaparegui quan apaguem l’ordinador les dades que representen les lletres han de tornar a un lloc més estable de la memòria que és en el disc dur.

Aquestes passes amunt i avall no es poden evitar perquè avui les memòries no poden processar ni els processadors poden guardar memòries. Això alenteix els ordinadors i els fa molt ineficients des del punt de vista enèrgetic. Recordeu quanta electricitat consumia el Mare Nostrum (newsletter 266).  Els superordinadors que treballen en paral·lel també tenen el mateix problema perquè cadascun dels seus milers de processadors tenen la mateixa limitació. Avui en dia, els sectors de la comunicació i de la informació ja consumeixen el 15% de l’electricitat global. Endemés la fabricació de transistors aviat arribarà a un límit tecnològic, molt probablement en el 2016, ja que la grandària dels components ja no es pot reduir més sense comprometre la seva funcionalitat. La recerca científica també es veurà afectada perquè moltes qüestions importants com la predicció del temps o de epidèmies analitzant grans bases genòmiques requeriran més i més potència dels ordinadors.

Els ordinadors actuals usen resistències que impedeixen el pas del corrent elèctric, condensadors que guarden les cargues elèctriques i inductors que transformen corrents elèctrics en camps magnètics. Ara s’estan desenvolupant equivalents anomenats memristors, memcapacitors i meminductors que retenen els seus canvis d’estat i aquesta “memòria” permet fer càlculs complexs molt ràpidament. Es preveu que en un futur podrem construir memcomputers. De fet, el cervell es comporta de forma similar a un memcomputer ja que les neurones processen informació al mateix temps que la guarden en memòria. El cervell és una mena d’ordinador que treballa en paral·lel de forma molt eficient. Pot efectuar 10.000  bilions d’opracions per segon usant uns 10 watt, mentre que un  superordinador usa uns 100 milions de watt per a fer al mateix nombre d’operacions.

Per entendre com funciona un memristor imaginem que el memristor és un tub  i el corrent elèctric és aigua. Si l’aigua circula de dreta a esquerre, el tub es fa més ample i al revés si circula d’esquerre a dreta. Si interrompim el pas de l’aigua, el tub conserva la seva amplada.  Si ara canviem aigua per corrent elèctric i tub per memristor entendrem que la resistència es pot assimilar a un nombre i el canvi a un càlcul, per tant, el memristor pot procesar informació i guardar-la.

Endemés, els memristors es poden fabricar en les mateixes fàbriques de semiconductors en una varietat de materials amb dimensions de nanòmetres i, per tant, es poden fabricar a escala industrial. De fet, la idea del memresistor ve dels anys 1970.

Els memcapacitors també existeixen ja, però són relativament cars perquè els materials ferroelèctrics que s’usen són costosos, encara que ja s’està investigant per a fer-los de silici.

Els meminductors també ja es fabriquen però són més grans perquè usen bobines de cables, però es creu que avenços en materials possibilitaran fer-los molt petits com ha passat amb els memristors. Alguns investigadors ja han començat a usar el disseny dels  memcomputers per provar la seva viabilitat. Un problema complex que es fa servir per a testar superordinadors és el problema de trobar la sortida d’un laberint. Un dels algoritmes més habituals és seguint el mur d’un laberint, evitant els espais buits on el mur s’acaba. Es un procés lent que es fa pas a pas. La idea que van fer servir els investigadors, en una simulació, és col·locar un memristor a cadascun dels llocs on el mur gira i aplicar un impuls elèctric d’un sol voltatge a l’entrada i a la sortida del laberint. El corrent només fluirà pel camí de sortida. Amb el flux del corrent, els memristors per on passa canvien de resistència. Quan l’impuls desapareix la solució quedarà gravada en els memristors que han canviat la seva resistència. Tots els memristors computen la solució al mateix temps, en paral·lel.

Els memcomputers també mostren la seva eficàcia en un dels problemes més difícils en la ciència de la computació: calcular les propietats d’una sèrie molt llarga de nombres enters. Aquesta és la tasca que cal fer quan es vol desxifrar codis complexs. Per exemple si en una sèrie de 100 nombres enters positius i negatius volen esbrinar si algun subconjunt suma zero. Si un ordinador és capaç de donar resposta a aquesta pregunta en un segon per una sèrie de 10 nombres, per una de 100 trigaria 10 elevat a 27 segons, més d’un trilió d’anys. Un memcomputer podria fer-ho en un segon de manera similar a la usada en el problema del laberint.

De moment, encara que ja tenim els components d’un memcomputer, un ordinador basat en aquesta arquitectura no està disponible comercialment. Un dels reptes serà escriure el software adequat per a controlar-lo.  També s’està pensant en ordinadors híbrids que facin servir la mateixa arquitectura actual per a tasques senzilles, però que usin els nous components per a tasques que ho requereixin. En el futur sentirem a parlar molt de memristors i els altres components ja esmentats. Podria ser que a la volta d’uns quants anys portessim a la mà un aparell que pogués reconèixer patrons o modelar el clima de la Terra a una escala molt fina.