Ahora un grupo de investigadores de la Universidad Northwestern -Estados Unidos- publicaron un estudio en donde detallan la forma como lograron crear un nuevo tipo de baterías, cuya principal característica es su capacidad de carga que supera en 10 veces a las actuales baterías y que, al mismo tiempo, se cargan hasta 10 veces más rápido.

Las actuales baterías de Li-Ion que todos conocemos almacenan su carga en uno de los extremos, para lo cual cuentan con múltiples capas de grafeno de un grosor atómico en donde se van acumulando los iones de litio. Esta solución presenta el inconveniente de limitar la cantidad de iones que pueden ser almacenados entre capas (uno por cada seis átomos de carbono en cada lámina).

Es en este último punto donde los investigadores han logrado un importante avance para incrementar la capacidad de las actuales baterías, ya que consiguieron incluir silicio entre las láminas de grafeno para así aumentar la cantidad de iones de litio que se pueden acumular y consiguiendo, de esta manera, aumentar su densidad a 4 iones por cada átomo de silicio.

Si bien el uso del silicio en otras investigaciones similares provocó que la capacidad de carga de las baterías se viera reducida muy rápidamente (entre carga y carga), la solución planteada por los investigadores no sufre del mismo efecto al no reemplazar completamente el grafeno por silicio, sino que solamente es utilizado en pequeñas cantidades.

Por ser una tecnología que aún se encuentra en etapa de investigación pasarán varios años para que sea aplicada en algún proceso productivo, aunque los investigadores confían en que dicho plazo no será superior a los cinco años.

Links:
- Scientists boost battery strength with small holes (BBC)
- Breakthrough could bring tenfold increase in battery life (TechSpot)

La compañía publicó un paper en la revista Science anunciando haber construido un circuito integrado usando grafeno. Este material es un sólido de dos dimensiones compuesto por una sola capa de átomos de carbono, y sus descubridores, Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Nobel de Física el año pasado por su trabajo aislándolo en 2004.

El interés en el grafeno ha ido en aumento desde entonces, no sólo por el pequeño tamaño que tiene el material, sino también por su capacidad de transportar información de manera muy rápida. El ordenamiento de los átomos de carbono en el grafeno causa que el material tenga una alta movilidad de electrones, lo que podría redundar en una mayor velocidad de las comunicaciones si es que se utiliza para eso.

El circuito desarrollado por IBM es integrado, lo que significa que todos los componentes del mismo están concentrados en un solo lugar, tal como ocurre en los chips de computador. Los circuitos anteriores hechos con grafeno eran grandes (en el universo de circuitos, lo que significa quizás 1 cm), porque los elementos estaban separados y conectados entre sí por medio de cables. Las conexiones degradaban la señal que corría por el circuito, haciéndolo menos efectivo, además de aumentar el tamaño.

El circuito construido por IBM mide menos de un milímetro cuadrado. Fue diseñado para funcionar como un mezclador de frecuencias, es decir, que recibe señales de frecuencia de radio, las mezcla y emite una señal diferente a la salida. Esta conversión se utiliza mucho en las redes de comunicación actuales, para transformar las señales de frecuencia en sonido o información. Los mezcladores de este tipo se usan en radios y teléfonos, y se utilizan todavía en televisión analógica.

El circuito de IBM opera a 10 Ghz, una capacidad mayor a la que tienen la mayoría de los teléfonos actualmente. El sistema también funciona en altas temperaturas, lo que es útil en sistemas computacionales donde el calor puede limitar el desempeño del equipo.

Aunque los circuitos integrados de grafeno son un gran paso adelante en el uso de este material, todavía le queda mucho camino por recorrer antes de que se pueda usar en sistemas de computadora. Su principal obstáculo es que no se puede apagar completamente. El apagado es una parte importante de la transmisión de información de forma digital, porque los datos son enviados según patrones de encendido/apagado. Sin esta habilidad, el tamaño y la alta movilidad de electrones del grafeno se vuelven inútiles. Pero quién sabe, todavía quedan etapas que recorrer  y quizás en algún tiempo se le encuentre una solución a este problema.

Link: IBM builds the first graphene integrated circuit (Popular Mechanics)

El invento que cambio el curso de nuestras vidas y la del mundo entero.

Sumando más artículos a nuestra colección Viva el Ingenio, les tenemos preparado un artículo sobre un invento que marcó un antes y un después en la vida del ser humano en este planeta. Sin duda hay otros inventos y descubrimientos que también lo hicieron o lo harán, pero particularmente éste permitió que todo lo que conocemos hoy sea como es. Suena chistoso pero es verdad, sin los transistores ustedes no podrían estar leyendo este artículo.

El nacimiento de la electrónica moderna

Aunque no lo queramos y por desgracia sea así, las diferentes guerras a nivel mundial han sido claves para el desarrollo de tecnologías que de otra forma hubieran pasado al olvido como muchas de las grandes ideas de Nicola Tesla. A lo largo de la historia de la humanidad, hemos visto como el ingenio extremo y la necesidad de dar solución a diferentes problemas nos han llevado a crear y/o descubrir cosas que jamás hubiéramos pensado, como la ampolleta incandescente, el tubo de vacío, los semiconductores y por supuesto, el invento que junta todo el avance anterior en un solo producto, el Transistor, nombre que resulta de la contracción de las palabras “Transfer Resistor“.

Como bien pudieron informarse en nuestro artículos anteriores dedicados al Ingenio Humano, la solución a un problema daba por resultado otro genial invento y solo con recordar que a raíz del problema de las ampolletas incandescentes negras nacieron los tubos de vacío y buscando una mejora a estos se descubrieron las propiedades de ciertos elementos de la conocida tabla periódica, que nuestro amigo Wen Fong Kwong explicó notablemente en el artículo dedicado a los semiconductores, podríamos intuir que algo debía seguir en esta línea de invención y por supuesto que así fue.

El ingenio humano es como una cascada infinita, siempre alguien está creando algo para solucionar un problema de otro invento, es casi como el principio de acción y reacción. Ahora y entrando en materia, tenemos que gracias al descubrimiento de las propiedades semiconductoras (no es 100% conductor ni 100% aislante) de algunos cristales se pudo ver un uso importante para un nuevo invento y es aquí donde entran los muchachos de Bell Labs; Willian Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, que el 23 de diciembre de 1947 armaron el primer transistor, rudimentario al máximo pero que ya lleva 64 años y contando desde que tocó tierra, aún siendo el pilar de la electrónica.

Primer transistor funcional.

Un duro camino

El desarrollo y adopción de toda nueva tecnología generalmente es más lento de lo que todos quisieran, surgiendo la pregunta de por qué si es mejor no reemplaza de un sopetón todo lo que ya existe. Para responder a esta pregunta primero debemos situarnos años después de una de las guerras más duras y destructivas de los últimos tiempos, donde las grandes potencias mundiales chocaron, dejando en un mal pie a muchas compañías de dichos países. Por ende, hacer virajes cerrados en esas circunstancias no era algo que fuera tan simple de realizar.

La cantidad de dinero que se invirtió en el desarrollo de las válvulas termoiónicas fue tal, que las empresas detrás de las piezas electrónicas con nombre de Transformer (selectrón, trocotrón, etcétera) fueron las primeras en poner el grito en el cielo contra la nueva tecnología. Además muchos de los usos posibles del transistor eran un campo conocido para los tubos y el avance de estos a ratos fue arrollador para los recién iniciados hijos de los semiconductores.

Lentamente, desde el año 1947 hasta 1960, el transistor fue ganando terreno por sobre las válvulas termoiónicas, ya que estas, aparte de consumir muchísima más energía que un transistor, se quemaban con frecuencia debido a su construcción. Esto dio pie para que definitivamente llegara el reemplazo tecnológico que dispararía de forma estrepitosa el desarrollo de nuevos y mejores semiconductores para los transistores. Otro asunto importante en todo esto es que el tamaño y costo de fabricación de un transistor eran infinitamente menor al que se podría lograr en el mejor de los casos para un tubo, siendo otro de los factores que sus inventores vieron en pos del desarrollo; bajos costos de producción con altos beneficios económicos y científicos. Estos nuevos pedazos de silicio eran el directo reemplazo del tubo conocido como tríodo, aunque pronto y gracias a los avances en la electrónica se fueron construyendo circuitos más complejos, al punto de poder realizar casi cualquier cosa prescindiendo por completo del uso de los anticuados tubos.

Hoy, con solo mirar la definición de transistor según la RAE, podemos darnos cuenta de que hasta en los diccionarios este invento supera al tubo por donde se le mire.

Transistores de los años 1950 al 1960.

La gloria luego de la genialidad

En el año 1956, estos tres genios de la Ingeniería y la Física – Willian Shockley, John Bardeen y Walter Brattain – lograron el punto máximo en la carrera de todo científico, por sobre las publicaciones en revistas de alto impacto y más allá del reconocimiento de sus propios pares, recibieron el premio que se entrega (en el caso de los científicos ) a aquellos hombres y mujeres que han dejado un legado importante para la humanidad, el Premio Nobel y en específico el de Física.

Este fue el reconocimiento al Ingenio de estos tres hombres luego de revolucionar al mundo diezmado por una catastrófica guerra, descubrimiento e invento que le daría un giro al desarrollo humano hasta como lo conocemos hoy. Shockley fue el visionario de las patentes y por tanto se encargó de registrar a su nombre todos los avances en los transistores o cosas relacionadas con ellos, donde se contabilizan más de 90 patentes aceptadas en la oficina de patentes de los Estados Unidos de América.

Tres hombres que cambiaron el curso de nuestras vidas.

Cómo funciona un Transistor

Bien, dijimos anteriormente que sin el descubrimiento de las propiedades semiconductoras de algunos materiales, el transistor no existiría. Esto es así ya que el invento que siguió al descubrimiento del semiconductor fue el diodo, el que nace al unir un material P con uno N. Con esto el nacimiento del transistor era inminente y al sumar la mente brillante de los tres hombres de arriba, se logró combinar de forma satisfactoria germanio, oro, unos contactos eléctricos y un trozo de plástico, al más puro estilo MacGyver para dar vida a un Frankenstein llamado “Transfer Resistor”. Los puntos débiles del tubo de vacío o a presión fueron las fortalezas del transistor, por lo que gracias a esto se pudo comenzar a manejar grandes intensidades de corriente sin requerir de artilugios costosos, frágiles y poco duraderos como lo fueron los tubos.

Este transistor bipolar fue el primero en ser funcional, aunque era difícil de operar debido a la precariedad con que fue fabricado, fue suficiente para poner a prueba las matemáticas que Shockley había asociado a este invento dos años antes de que siquiera se pensara en crear. En palabras simples, el principio de funcionamiento del transistor es similar al de dos diodos unidos, pero esta vez tenemos control sobre el flujo de corriente que lo atraviesa, cosa que un diodo no posee y por ello el transistor tiene al menos tres contactos, dos actúan como entrada y salida de la corriente mientras que el tercero controla el flujo entre los dos primeros.

El transistor de unión bipolar opera aprovechándose del comportamiento inherente de los electrones, controlando su avance como un interruptor de luz. Los transistores más básicos poseen tres capas, una de entrada, una de control y una de salida. Las tres diferentes capas del transistor se fabrican a partir de Silicio químicamente puro, el que luego es dopado (contaminado con pequeñas trazas de átomos o compuestos) con Fósforo para producir un semiconductor del tipo N o con Boro para dar como resultado un semiconductor tipo P. Estos semiconductores pueden ser ordenados en dos tipos de arreglos básicos, el NPN (Negativo-Positivo-Negativo) o el PNP(Positivo-Negativo-Positivo). Los semiconductores del tipo N poseen un exceso de electrones, mientras que los del tipo P carecen de los suficientes, por lo tanto con esta cualidad intrínseca de estos materiales es posible controlar el flujo de electrones con los dos arreglos que anteriormente les mencionamos.

Al ingresar un flujo de electrones por el emisor en un transistor del tipo NPN, estos rápidamente se mueven a la base (semiconductor tipo P) que posee un déficit de electrones y cuando esta falta de electrones se acaba la carga negativa resultante repele a otros electrones que quieran ingresar, volviéndose no conductor el transistor. Para solucionar este problema se aplica una pequeña corriente positiva a la base, por lo que el déficit de electrones se hace presente y el transistor se vuelve conductor nuevamente, permitiendo un mayor o menor flujo entre el emisor y el colector dependiendo de cuál sea la corriente aplicada en la base, sencillo pero genial.

Uno de los usos más connotados del transistor bipolar es como un potente amplificador, ya que la corriente que fluye entre el emisor-colector es muy superior a la que fluye entre el emisor-base, por ello el efecto de amplificación.

Los transistores tienen tres etapas de funcionamiento, que describimos más abajo:

1. Zona Activa: aquí el transistor opera como un amplificador, que es controlado por la corriente que se aplica a la base, donde pequeños aumentos de corriente en la base se traducen en un gran aumento de esta en el colector. En este caso el conjunto base-emisor está polarizado de forma directa mientras que el conjunto base-colector está polarizado de forma inversa.
2. Zona de Saturación: el transistor opera como una resistencia, ya que la base-colector está polarizada de forma directa, es decir, el terminal positivo está conectado al semiconductor tipo P y el negativo al semiconductor tipo N. En este estado, un aumento de corriente en la base no produce un aumento de corriente en el colector, ya que esta depende única y exclusivamente de la tensión reinante entre el emisor y el colector, operando como un interruptor en estado cerrado.
3. Zona de Corte: acá, en la base del transistor no hay intensidad, por lo que en el emisor y colector tampoco la hay y la única tensión que se mide en estos es la de la fuente de energía, por lo tanto podemos decir que en este estado el transistor es un interruptor abierto.

Tipos de transistores

Existen cuatro conocidos grupos de transistores que pasamos a revisar a continuación, indicándoles qué tipos existen para cada familia. Cabe señalar que es prácticamente imposible nombrar y definir todos los tipos de transistores sin que la audiencia se nos quede dormida, así que para facilitarles el trabajo es que les mostramos este pequeño diagrama que intenta destacar los tipos de transistores más utilizados.

Algunas familias de transistores.

Uno de los tipos de transistores que actualmente más difusión tiene en la electrónica es el MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), responsable de los transistores n-MOS, p-MOS y CMOS. Esta familia de transistores es la que puebla en mayor proporción nuestros gadgets, computadores y todo tipo de aparatos electrónicos y es la que ha dado pasos agigantados en mejoras como la disminución de tamaño, materiales, vida útil, consumo energético, disipación térmica, etcétera.

El transistor en nuestras vidas

Como ya pudieron imaginarse, hasta ese miserable ratón de bajo costo posee unos cuantos transistores en su interior, que comandan el correcto funcionamiento de este y si seguimos escalando en tecnología nos podremos dar cuenta que hoy en día casi cualquier cosa posee transistores o está en vías de tenerlos, siempre pensando en facilitarnos la vida o hacerla de alguna forma más abordable. ¿Qué sería de nuestras vidas son los transistores?, bueno, aún seguiríamos esperando que se calentara el televisor para ver nuestros programas favoritos, el computador portátil seguramente necesitaría de un camión con acoplado para ser transportado, el reproductor de música portátil no cabría en una palma de mano y por supuesto, todo lo que hoy tomamos como normal y propio de nuestra época sería por lo bajo 10 veces más grande.

Tomando en cuenta lo anterior, les dejamos una imagen del primer computador totalmente transistorizado, es decir, prescindió por completo de los tubos de vacío y fue construido por Bell Labs para la Fuerza Aérea de los Estados Unidos de América bajo el nombre de TRADIC (Transistorized Airborne Digital Computer). Este primer computador a transistores hacía uso de 800 de ellos y consumía aproximadamente 100 vatios, además de ser al menos 20 veces más rápidos que su análogo a tubos de vacío era el sueño de los creadores del transistor hecho realidad, tecnología pura y aplicada.

El primer computador 100% a base de transistores.

Sin el conocimiento, el ingenio y por supuesto la capacidad de ver cosas donde una mente no preparada no las ve habría sido imposible imaginar, describir matemáticamente y llevar a la práctica tan notable invento. Podríamos seguir hablando una tarde entera del transistor queridos lectores, pero eso daría como para mil artículos más, aunque por mientras escribimos los otros 999 artículos los dejamos con este enlace que muestra algo de la historia de los computadores desde los años 40 hasta fines de los 80.

El material, sin embargo, podría ser reemplazado ya por el “siliceno”, creado por un grupo de físicos que han logrado desarrollar una lámina de silicio de espesor atómico y que tendría las mismas propiedades de las láminas de grafeno creadas a partir de carbono.

El desarrollo de esta nueva tecnología se remonta al año 2007, en momentos en que un grupo de investigadores plantearon la idea de utilizar silicio para formar láminas similares al grafeno, con la salvedad de que el silicio no posee de forma natural el tipo de enlaces necesarios para emular al grafeno.

La ventaja de usar silicio en lugar de carbono es que el primer material sería más compatible con los equipos electrónicos actuales, basados en silicio.

Según cuenta Antoine Fleurence, investigador del Japan Advanced Institute of Science and Technology en Ishikawa, consiguieron hacer crecer una lámina con átomos de silicio sobre una superficie cerámica. Luego de observar dicha lámina por medio de rayos X se percataron que tenía una estructura de “panal de miel” con hexágonos, algo similar a lo que ya habían visto en la estructura del grafeno.

Mientras tanto otro investigador estaba atento al trabajo liderado por Fleurence, se trataba del francés Guy Le Lay (Universidad de Provence en Marsella); quien ya el año pasado había logrado crear las primeras estructuras de siliceno, aunque aún no lograba obtenerla en forma de lámina sino que de finos listones.

Según los datos presentados por Le Lay durante el último congreso de la American Physical Society, el silicio como el grafeno no sólo poseen estructuras similares sino que también comparten algunas propiedades electrónicas. Para comprobarlo utilizaron técnicas espectroscópicas que demostraron cómo el siliceno contiene una estructura de bandas electrónicas similares a las que permiten a los electrones moverse velozmente por el grafeno.

Si bien el estudio de este nuevo tipo de material recién está comenzando, los resultados de los últimos estudios demostrarían que a futuro el siliceno se convertirá en una alternativa real al grafeno. Claro que los investigadores señalan que aún falta mucho tiempo como para saber cuál de los dos terminará por imponerse.

Links:
- Meet Silicene, the Semiconductor of The Future (GadgetCrave)
- Silicene – a new atom-thin honeycomb material made from Silicon atoms (Grafhene-Info)
- Silicene: It could be the new graphene (ScienceNews)

Hoy Intel Labs anunció un enlace fotónico de silicio a 50Gbps, la conexión de datos óptica (más veloz) basada en silicio con rayos láser integrados. Se compone de un transmisor de silicio y un chip receptor, cada uno integrado con componentes básicos de anteriores avances de Intel, incluyendo el primer láser de silicio híbrido, así como moduladores ópticos de alta velocidad y fotodetectores (anunciados en 2007).

El chip transmisor se compone en un modulador óptico que codifica los datos a 12,5 Gbps en haces de luz mediante cuatro láseres, después se combinan en una salida de fibra óptica con una tasa de transferencia de 50Gbps – equivalente a transmitir una película HD en un segundo. En el otro extremo del enlace, el chip receptor separa los 4 haces y los dirige en fotodetectores, que convierten los datos de nuevo en señales eléctricas.

La capacidad para desarrollar un rápido modulador fotónico (fibra óptica) a partir de silicio estándar podría llevar a la creación de conexiones de fibra óptica con gran ancho de banda a un precio muy económico, que podrían utilizarse para conexiones entre PCs, servidores u otros dispositivos electrónicos, e incluso eventualmente dentro de los ordenadores.

Click aqui para ver el video.

Esta investigación es independiente de la tecnología Light Peak, aunque ambos son componentes de la misma visión de Intel basada en transmisión de datos por luz. Light Peak es un esfuerzo por llevar una conexión óptica multiprotocolo de 10Gbps para plataformas Intel en un corto plazo, mientras que la fotónica de silicio busca reducir costos en las comunicaciones a una escala mayor.

Link: New Intel technology to make it possible to download an HD movie in a second (Neowin)

(cc) Carbophiliac

A mediados del año pasado les contamos que unos investigadores del MIT habían logrado crear un chip multiplicador de frecuencia basado en grafeno, logrando duplicar la frecuencia de una señal electromagnética.

Ahora es IBM la que va a presentar los avances que han logrado en sus investigaciones, con las que han conseguido construir transistores de radiofrecuencia que operan a 100 GHz, mientras que los actuales transistores sólo llegan a operar a 40 GHz.

Recordemos que el grafeno es un derivado del grafito descubierto en el año 2004, destacando por el hecho de que su uso elimina el problema de generación de ruido existente en los actuales procesadores de silicio.

Si todo sale bien en un futuro podríamos comenzar a ver transistores que operen a 1.000 GHz, lo que sin lugar a dudas representará un importante avance en el desarrollo de una nueva generación de procesadores.

Link: IBM developed a 100-Ghz Graphene RF Transistor, now works on 1-Thz ones (Vía CHW)

Ahora el circuito cuántico fotónico puede imprimirse con relativa facilidad en un chip de silicio de sólo 26 mm de largo y pude ejecutar el algoritmo de Shor. Para la demostración compilada del algoritmo usaron luz en lugar de electricidad sobre una capa delgada que guía 4 fotones qbits con propiedades cuánticas para calcular el factor de 15.

El algoritmo fue desarrollado por el matemático Peter Shor para descomponer en factores un número entero de manera eficiente y rápida en una computadora cuántica, en la teoría de números la factorización de factorización de enteros consiste en encontrar un divisor no trivial de un número compuesto; Por ejemplo dado el número 91, el reto es encontrar un número tal como el 7 que lo divida.

Cuando los números son muy grandes no se conoce ningún algoritmo que resuelva eficientemente la factorización; un reciente intento para un número de 200 dígitos (RSA-200) tardó 18 meses y consumió más de medio siglo de tiempo de cálculo.

El algoritmo de Shor ya se había probado en  2001 por un grupo en IBM, que descompuso 15 en sus factores 3 y 5, pero usando una computadora cuántica con 7 qubits, mediante resonancia magnética nuclear.

En el 2005 F. Bahr, M. Boehm, J. Franke, T. Kleinjung factorizaron un número de 193 dígitos (RSA-640) utilizando 30 procesadores Opteron de 2.2Ghz en un periodo de 5 meses.

Este tipo de demostraciones se encaminan a la demostración del uso y futuro de la computación cuántica, donde aumenta la escala de integración y caben más transistores en un espacio. Así se fabrican microchips cada vez más pequeños alcanzando mayor velocidad de proceso. Mientras tanto con esta aplicación práctica en un chip de silicio podría crecer el interés de los hackers sobre OpenSSL y las competencias de factorización RSA. Una buena noticia para Sheldon, Leonard y Raj.

Link: Code-Breaking Quantum Algorithm On a Silicon Chip (Slashdot)