La información
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CUANTIFICAR LA INFORMACION
4 Los orígenes del código binario F. G. Heath
12 El geómetra de la información Jérôme Segal
16 La información en el universo holográfico Jacob D. Bekenstein
24 Un Alan Turing desconocido B. Jack Copeland y Diane Proudfoot
ALMACENAR LA INFORMACION
32 Nanounidades de memoria Peter Vettiger y Gerd Binnig
40 DVD Alan D. Bell
46 El primer siglo de
las memorias magnéticas James D. Livingston
52 ¿Son perdurables los documentos digitales? Jeff Rothenberg
58 La crisis de las memorias masivas Jon William Toigo
TRANSMITIR LA INFORMACION 72 Criptografía para Internet Philip R. Zimmermann
79 Láser en el kilómetro final Anthony Acampora
84 Informatización del hogar W. Wayt Gibbs
90 Antenas adaptables Martin Cooper
CUANTIFICAR LA INFORMACION
E L O P R O W N IA
Los orígenes del código binario Los antecedentes de este elemento clave para los sistemas de cómputo modernos se remontan hasta el siglo XVII. Francis Bacon se valió entonces de una treta tipográfica binaria para codificar sus mensajes secretos F. G. Heath
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l sistema binario de numeración se ha convertido en un elemento básico para la tecnología moderna. Sirve como medio de cómputo en los ordenadores digitales, así como de sistema de control en una infinidad de mecanismos. Sin embargo, pocos conocen la historia de este código o los personajes que protagonizaron los descubrimientos más importantes en este campo. Describiré en estas páginas cuatro de tales descubrimientos, las aportaciones de cuatro hombres que enfocaron la cuestión desde distintos ángulos. Fueron éstos Francis Bacon (1561-1626), cuyo código omnia per omnia para enviar mensajes secretos era en reali-
El lector podrá observar que cada paso adelante en este sistema lleva al número inmediatamente mayor que podemos formar con las cifras 0 y 1. En la conversión (de decimal a binario) de un número un poco mayor como el 41, por ejemplo, la misma progresión produce 101001. Para convertirlo de nuevo en decimal debemos leer las cifras binarias de derecha a izquierda en forma de potencias crecientes de 2. Así, en este ejemplo concreto se comprueba que hay un 1, ningún 2, ningún 4, un 8, ningún 16 y un 32, por lo que tenemos 1 +8 + 32 =41. En el cálculo mental que usamos para resolver pequeñas operacio-
decimal, este método se vale de procesos binarios. El sistema binario muestra su gran valor en operaciones de naturaleza binaria: encendido o apagado, abierto o cerrado, verdadero o falso, seguir o parar, y así sucesivamente. Un componente electrónico de un ordenador se encuentra activo o inactivo. La información que aporta el que esté en uno o en otro estado recibe el nombre de bit, palabra construida truncando la frase “binary digit” (“dígito binario” en inglés). Esa es la razón por la cual el sistema binario resulta tan eficaz para el cálculo computacional.
(1752-1834), dad binario; Joseph quien diseñó Marieun Jacquard sistema para el control de telares basado en tarjetas perforadas, de código binario; George Boole (1815-1864), matemático inglés cuya álgebra proposicional constituye la base de la lógica computacional; y Emile Baudot (18451903), que tanto contribuyó a la telegrafía con su código de permutación cíclica. El sistema binario de numeración solamente utiliza dos símbolos: 0 y 1. De ahí su nombre. El sistema decimal, que nos resulta más familiar, se basa en los números que van del 0 al 9. En el sistema binario, las diez unidades del sistema decimal se expresan como sigue:
sido tan nes, la codificación fructífera. Las binaria largas norisha tras de ceros y unos ejercen un efecto hipnótico que dificulta su reconocimiento y manejo. Probablemente la única aplicación del sistema binario en la computación no mecanizada haya sido la “multiplicación del campesino ruso”: los dos números a multiplicar se escriben uno junto a otro (como, por ejemplo, en 10 × 12); el número de la izquierda se divid e por 2 (sin ten er en cuenta la parte fraccionaria del resultado) al tiempo que se duplica el número de la derecha; a continuación se tachan en la columna de la derecha todos los números situados frente a números pares en la izquierda; el cálculo termina sumando todos los números que aún queden a la derecha. En el ejemplo de 10 × 12 se procedería como sigue:
El dealfabeto Bacon binario
Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4
Binario 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001
10 × 12 5 24 2 48 1 96 120 Aunque se opera en la notac ión
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a aportación de Bacon no corresponde al cómputo sino a la cod ificación. Fue el primero en idear conscientemente un código binario y en describir sus propiedades. Se proponía desarrollar una clave para sus mensajes diplomáticos secretos. En primer lugar, estableció para cada una de las 24 letras del alfabeto inglés (que en aquella época no incluía las letras v y j ) un código binario de cinco letras compuesto por diversas combinaciones de a y b: la letra a se traducía en aaaaa , la b en aaaab , y así sucesivamente hasta la z , sin repetir ningún grupo de cinco letras. (Bacon pudo asimismo haber hecho que los símbolos del código fueran 0 y 1.) El segundo elemento de la clave de Bacon consistió en un “alfabeto biforme”. Se trataba de utilizar dos tipos de letra ligeramente distintos para imprimir un mensaje aparentemente inocente. Uno de los tipos representaba la a de su código binario; el otro denotaba la b. Por ejemplo, una G mayúscula de un cierto tipo de letra podría representar una a, la segunda G se tomaría de otro tipo de TEMAS 36
letra y representaría una b; dos g minúsculas se diferenciarían de modo similar. Para dar un ejemplo, el propio Bacon propuso la codificación del mensaje “fuge”, que en latín significa “huye”. Examinando las agrupaciones de cinco letras se comprueba que la f se traduce en aabab , u en baabb , g en aabba y e en aabaa . Ahora es preciso formular un mensaje “exterior” que abarque el mensaje “interior”; el mensaje exterior de Bacon fue “Manere te volo, doneo venero”. La M y la a habrían de ser impresas con el tipo de letra representativo de la
b , la e del tipo a y la r del tipo b, lo que proporcionaría la letra f a quien
dispusiera de la clave. Partiendo del mensaje exterior, uno acabaría con la siguiente secuencia: aababb aabbaa bbaaa baa[aaa] . Agrupando las letras en grupos de cinco, se obtendría la versión codificada de fuge . Bacon hizo breve mención del código en 1605, en Of the Advancement of Learning . Lo describió por completo en De augmentis scientiarum. El objetivo fundamental y la naturaleza binaria del código fueron enunciados como sigue en un pasaje de esta última obra: “Estos c aracteres-cifras no son
camino se abre, por cuya virtud puede un hombre expresar y dar significado a sus pensamientos a cualquier distancia, mediante objetos que puedan verse y oírse; suponiendo, únicamente, que éstos admitan sólo una doble condición. Para ello sirven campanas, trompetas, luces y antorchas, mosquetes y cualesquiera instrumentos de similar naturaleza”. Si bien Bacon opinaba que la disposición binaria proporcionaba el código más efectivo, él mismo ideó y utilizó otros sistemas criptográficos. En uno de ellos, empleaba palabras clave para señalar párrafos de luga-
a, la n se tomaría de la letra del tipo
nada baladíes: pues por este arte un
res sin relación que, ensamblados,
C E T C A N M O IV H C R A / S E D R O L L A S E R E T
1. EL TELAR JACQUARD, desarrollado en Francia a principios del siglo XIX por Joseph Marie Jacquard, constituye la primera máquina de producción con control binario. Opera mediante tarjetas perforadas. Estas gobiernan el alzamiento de la urdimbre (hilos longitudinales) de forma que la lanzadera, que contiene la trama (hilos transversales), se entrecruce con la urdimbre tejiendo un determinado motivo. Las tarjetas pasan y se apoyan sobre un bloque cuadrangular de madera. Cada una de las caras del bloque tiene un conjunto de perforaciones enfrentadas a un arreLA INFORMACIÓN
glo horizontal de agujas unidas a ganchos que alzan los hilos de la urdimbre. Cuando las agujas se dirigen hacia el bloque de madera, topan con una tarjeta. Las que encuentran una perforación, siguen su camino hasta penetrar en el orificio del bloque y alzan el hilo de urdimbre correspond iente. Las que no encuentran perforación, quedan bloqueadas; su gancho se desvía y el hilo de urdimbre no se alza. El número de tarjetas necesarias en cada caso es igual al número de hilos de la trama del motivo que se pretende tejer. 5
componían el mensaje secreto. Tal esquema aparece ahora en los ordenadores con el nombre de “descriptor” o “método de direccionamiento indirecto por palabras clave”.
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e forma parecida, el telar de Jacquard constituye el ancestro de muchos de los aparatos digitales que se utilizan hoy en día. Aunque más reciente, la pianola representaría otro antepasado de la misma familia. Sin embargo, ninguno de estos artilugios puede considerarse, estrictamente, un prototipo de los equipos
rario. En 1725, Basile Bouchon ideó un sistema en el cual los hilos de la urdimbre se controlaban mediante papel perforado y un conjunto de agujas. En 1728, Jean Falcon propuso utilizar una tarjeta para cada separación de la urdimbre en hilos levantados y no levantados. En 1745, Jacques de Vaucanson construyó un telar que incorporaba las ideas de Bouchon y de De Falcon. En 1801 este telar se encontraba averiado. Jacquard, tras promocionar su maquinaria textil en una exposición, gozaba de una reputación de experto. Así que Napoleón le convocó a París
cies planas en el portador de tarjetas, resultó decisiva. Además, el uso generalizado de telares fácilmente reprogramables, aptos para tejer cualquier motivo, puede considerarse también resultado directo de su trabajo. Del telar Jacquard emanaron dos desarrollos importantes. Por un lado, Charles Babbage, quien concibió el primer ordenador digital en el siglo XIX , llegó a la conclusión de que el método óptimo para introducir datos en su máquina consistía en usar tarjetas perforadas, inspiradas en las de Jacquard. Ello suponía una aplicación genuina de la codificación bina-
modernos: sus mecanismos son binarios por naturaleza, mientras que las máquinas actuales requieren procesos más complejos. En un telar, cada hilo de la urdimbre concreto se levanta, o no, al pasar la lanzadera; en una pianola, se hace sonar, o no, una nota en un momento determinado. Con todo, el telar Jacquard fue la primera máquina de control binario que se utilizó extensamente. El desarrollo del telar puede resumirse como sigue. Cuando la industria textil empezó a interesarse por la fabricación de telas con motivos tejidos (no estampados), recurrió en primera instancia a un sistema manual: un aprendiz se encargaba de ir levantando hilos de la urdimbre para que se pasasen entre ellos los de la trama (en un telar, los hilos de urdim-
para que trabajara en la máquina de De Vaucanson. Su contribución consistió en reemplazar el cilindro que portaba las tarjetas perforadas por un montaje prismático. Ello permitía colocar, en el orden adecuado, muchas más tarjetas en un mismo telar. Esta modificación estuvo respaldada por una ingeniería de alta precisión, lo que resultaba de vital importancia para un mecanismo que requiere tolerancias mecánicas estrictas (un concepto srcinal en aquellos tiempos). El telar perfeccionado se construyó en 1804. Hacia 1812 funcionaban en Francia unos 11.000 telares Jacquard. A pesar de las tensas relaciones entre ambos países, la innovación se propagó hasta Inglaterra. En 1834 había ya en Coventry 600 telares Jacquard. Muchos de ellos se instalaron
ria. Por otro muchas de las subrutinas y loslado, sistemas de corrección usados en los ordenadores modernos se concibieron en el siglo XIX con el objetivo de diseñar tarjetas perforadas para tejer motivos en la ropa. Transformar un dibujo en una secuencia binaria para tejerlo equivale a traducir un programa escrito en un lenguaje de alto nivel (Fortran, C ++, etc.) a su código bi nario correspo ndiente, expresado en lenguaje máquina (apto para el ordenador). En efecto, la conexión entre tejer una tela y diseñar un sistema de cómputo es muy estrecha. Vean sino el parecido que muestran el cableado de un ordenador o la imagen ampliada de un circuito integrado complejo con los dibujos tejidos en la ropa. El problema que resolvieron Jac-
nal;se bre loscolocan de trama, en en sentido el transversal). longitudiDurante el siglo XVII , se inventaron en Italia y en Francia mecanismos que subían y bajaban los lizos. Estos dispositivos reducían la mano de obra pero el telar seguía exigiendo un ope-
Funcionaban en viviendas de mediante los propios ejes obreros. y correas accionados por máquinas de vapor. Se ha dicho a veces que Jacquard, en realidad, no inventó nada. Tal acusación parece injusta. La modificación que introdujo, utilizar superfi-
a otrosysectores quard sus predecesores industriales. afecta Consihoy guieron tejer motivos muy diferentes en un mismo telar, el cual podía cambiar rápidamente de un patrón a otro. Los fabricantes de aparatos electrónicos, por ejemplo, requieren proce-
El telar de Jacquard
2. LOS TEJIDOS Y LOS CIRCUITOS, vistos muy de cerca, presentan un hilo horizontal sobre uno vertical o viceversa. En el circuito integran semejanza a causa de la conexión con los sistemas binarios. grado, determina el carácter binario la conductividad eléctrica de En un tejido, el elemento binario es el punto, que puede consistir en cada región, que será metálica o aislante. 6
TEMAS 36
sos lo bastante automáticos como para conseguir una producción rápida de artículos idénticos, y a la vez, lo bastante flexibles como para cambiar ágilmente de un producto a otro. No sorprende, pues, que las máquinas que conectan el cableado de los ordenadores o crean las plantillas para circuitos integrados se inspirasen en su momento en el telar de Jacquard, en el sentido de que empleaban cinta digital binaria o tarjetas perforadas para controlar la producción. La lógica booleana
ara encontrar los precursores del
álgebra lógica debemos remontarnos hastade losBoole antiguos griegos. Estos se dedicaron intensamente a la lógica (así como a la geometría) y establecieron los fundamentos del pensamiento europeo en lo que se refiere a esta disciplina. Entre los matemáticos clásicos, fue Gottfried Wilhelm von Leibniz quien más cerca estuvo de descubrir el álgebra de Boole. De hecho, identificó todos los procesos en los cuales el álgebra booleana no discurre paralelamente al álgebra ordinaria. Por ejemplo, en el álgebra de Boole la multiplicación no consiste realmente en un producto, sino meramente en una reconsideración de la misma cosa: si con el símbolo M se describen manzanas, el enunciado M × M = M no representa una mayor cantidad de
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deración desino manzanas las manzanas. una ulterior Conconsitodo, la incursión de Leibniz en el terreno del álgebra lógica no pareció interesar a ninguno de sus contemporáneos. Hasta principios del siglo XIX , la comunidad de matemáticos no volvería sobre la cuestión. Le estaba reservado a Boole llevar a cabo el trabajo definitivo. Boole aplicó símbolos algebraicos a argumentos lógicos típicos, del jaez de “El mal absoluto es, o bien mal moral, o bien consecuencia del mal moral”. También analizó demostraciones teológicas más positivas, como “El Ser inmutable e independiente tiene que existir por sí mismo”. El método simbólico logró extraer muchas más deducciones de las que ofrecía el razonamiento verbal. Descubrió también su principal punto débil, a saber, que las hipótesis subyacentes a un determinado aserto podían depender del contexto. La sencillez del álgebra booleana —que aplicaba las funciones “y”, “o” y “no” a variables binarias— tal vez se haya vuelto en contra de su propio autor, pues parece haber ensombrecido las grandes contribuciones que LA INFORMACIÓN
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T T A -W T IO R E H D A ID S R E V I N U , H T A E H . G . F
aaaab aaaba. aaabb. aabaa. aabab. aabbb abaaa. abaab. ababa. ababb.
abbaa. abbab. abbba. abbbb. baaaa. baaab. baaba. baabb. babaa. babab. babba. babbb.
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{ A A a a B B b b C C c c D Dd d {G G g g H H h h I I i i K K k k {N Nn n O Oo o P P p p Q Qq q { T T t t V V v v WWww X X x x a
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3. CODIGO BINARIO ideado por Francis Bacon en el siglo XVII. Se valía de las letrasa y b (equivalentes al 0 y al 1 de los códigos modernos) para representar el alfabeto de entonces, que tenía esas 24 letras, mediante grupos de cinco letrasarriba ( ). La segunda parte del código consistía en un “alfabeto biforme” (abajo dos tipos de letra ligeramente distintos, uno de los cuales representaba laa y el). Utilizaba otro lab para imprimir un mensaje aparentemente inocente. El destinatario debía transformar el mensaje en una ristra de a y b, dividir esta serie en grupos de cinco y, por fin, recuperar el mensaje secreto srcinal.
hizo en muchos campos de las matemáticas. Boole no desarrolló su álgebra en la forma elemental que hallamos en los manuales de informática, sino a partir de un estudio profundo y minucioso de los procesos del pensamiento y el lenguaje humano. “Existen, en efecto, ciertos principios generales fundados en la naturaleza misma del lenguaje en virtud de los cuales se establece el uso de símbolos, que no son sino los elementos del lenguaje científico”, escribió. La evolución del álgebra lógica desde los tiempos de Boole ha producido un contraste desconcertante. Boole desarrolló las pocas conectivas de su álgebra partiendo del estudio riguroso del uso del lenguaje. En nuestros días, sin embargo, si se quiere implementar un lenguaje preciso en un ordenador, éste ha de contener varios millares de conectivas booleanas, juntamente con un programa
compilador que puede ocupar miles de palabras de 16, 32 o 64 bits cada una. Es posible que nuestra interpretación de la lógica booleana no sea la mejor ni la única vía para procesar enunciados del lenguaje. El código cíclico de Baudot
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legamos ahora a los avances en la impresión telegráfica. Baudot sobresalió en este campo desde todos los puntos de vista: descubrió nuevos códigos, aplicó métodos de control por realimentación y diseñó su sistema íntegramente. Empero, antes de describir su trabajo, veamos en qué c onsisten el código de permutación cíclica, o código cíclico (código Gray), y el código en cadena. Baudot afrontaba el siguiente reto: lograr que en un lugar se imprimieran las letras y cifras transmitidas eléctricamente desde una localidad distante. En el control de mecanis7
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CODIGO BINARIO SIMPLE
CODIGO CICLICO (CODIGO GRAY)
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4. TRES CODIGOS BINARIOS mostrados en un esquema que utiliza espacios en blanco para representar los 0 y espacios negros para los 1. A la izquierda, un código binario simple para los números del 0 al 15 (la misma disposición podría servir, como en telegrafía, para las letras de a hasta q). El código cíclico, o código Gray, y el código en cadena tienen organizaciones distin-
tas. El código Gray ( centro ) reduce las ambigüedades en la lectura mientras que el código en cadena simplifica la descodificación, dado que una sola pista o columna genera el código entero si se reproduce tras un desfase de un paso. El ingeniero francés Emile Baudot introdujo el código cíclico en la telegrafía hace más de 125 años.
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5. DISPOSITIVOS DE LECTURA representados en discos. Un material aislante ( blanco ) se utiliza para representar los 0 y un metal ( negro ) representa los 1. Los datos entrantes se leen mediante escobillas conductoras. Con un código binario simple (izquierda ) se producirán errores de lectura en algunas de las
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fronteras, tal como en la línea A-A , donde la escobilla podría leer 0000, 0001, 0010 o 0011. Un código cíclico ( derecha ) cambia sólo un dígito en cada divisoria . En una frontera como la A-A, la escobilla únicamente puede leer una de las dos configuraciones adyacentes a la recta.
TEMAS 36
2 8 8 1 , 6 . L O V , E U Q I R T C E L E E R E I M U L A L / R E L L E
6. TECLADO Y RUEDA DE RECEPCION del telégrafo de Baudot. En el teclado, un cuadro en blanco correspondía a un 0 y un cuadro con un círculo a un 1. Para transmitir la F, sea por caso, el código era 01 para la mano izquierda (gauche) y 110 para la derecha (droite). En el receptor, se almacenaban los cinco dígitos binarios y se hacía girar la rueda hasta alcanzar un ángulo en el cual la configuración situada bajo la cabeza de lectura coincidía con la configuración transmitida. Entonces, el disco de impresión, conectado a la rueda, se accionaba y, por fin, se imprimía la letra, el número o el símbolo enviado por el remitente.
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mos se presenta un problema parecido: se requieren dispositivos capaces de convertir en señales digitales una magnitud física, como el ángulo de un eje. Una solución consistiría en un disco en el cual una pieza de metal (conductora) representase un 1 y una de material aislante representase un 0. Pero este código binario simple puede acarrear problemas: errores de lectura. Los datos se leen mediante escobillas conductoras y, por grande que sea la precisión con que el disco se construye y se alinea con los lectores, el paso de las escobillas por ciertas divisorias provocará interpretaciones erróneas. Por ejemplo, una escobilla situada en la línea que separa la posición 0001 y ola0011. 0010 podría leer 0000, 0001, 0010 Una solución mejorada consiste en un código que en cada divisoria solamente cambie una de sus cifras significativas . Se trata del código cíclico o código Gray. El dispositivo de lectura no puede leer sino las configuraciones adyacentes a una transición, eliminando así la ambigüedad del disco binario simple. Esta propiedad ofrece muchas aplicaciones para las máquinas automáticas modernas. El código en cadena es harina de otro costal. No conserva una relación con el binario, como el Gray, sino que cada código en cadena constituye su propio sistema de numeración y sólo puede hallarse la correlación con el binario por recuento a lo largo del código. Posee varias propiedades valiosas en electrónica y en informática. En las configuraciones de cuatro dígitos, los tres de la derecha de un a serie coinciden con los tres del lado izquierdo de la serie inmediatamente inferior. Por consiguiente, los códigos pueden generarse mediante un simple registro de desplazamiento. Ad em ás, ca da co lumna, tras una demora de un paso, contiene la misma LA INFORMACIÓN
secuencia de dígitos que la situada a su derecha, por lo que el código entero se sintetiza en una sola columna o pista. Al int roducir más dígit os en un código en cadena, éste adquiere la propiedad de detectar y corregir errores. Un ejemplo sencillo puede aclararlo. Supongamos un código simple de cuatro bits y 14 configuraciones como el que se sintetiza en la columna 11110010000110 (fijémonos en que la segunda mitad de la secuencia es inversión de la primera mitad, es decir, la primera mitad consiste en cuatro 1, dos 0 y un 1, y la segunda en cuatro 0, dos 1 y un 0). En este caso, la alteración de uno de los cuatro bits
que designan una posición se traduce en un resultado erróneo. Veamos por qué. La configuración 1100, por ejemplo, podría trocarse en 0100, 1000, 1110, o en 1101; dado que todas estas combinaciones corresponden a configuraciones válidas en el código, el error pasa inadvertido. Sin embargo, si se introducen más dígitos, los fallos salen a la luz. Imaginemos que el código anterior se amplía a seis bits por cada posición. La configuración 110010, por ejemplo, podría trocarse en 010010, 100010, 111010, 110110, 110000 o 110011. En este caso, ninguna de las combinaciones “falsas” aparece en la secuencia srcinal del código; por tanto, el error se detecta. 9
Información cuántica. Estado de la cuestión a información cuántica es un área de investigación en rápido desarrollo que comprende distintas disciplinas científicas, entre las que se incluyen la física, las ci encias de la computación y la matemática aplicada. En sentido amplio podríamos decir que es el resultado de la confluencia de cuatro campos diferentes del saber: la teoría cuántica (física), la teoría (clásica) de la información, la teoría de la computación y la criptografía. En la teoría cuántica, desarrollada en el primer tercio del siglo pasado para entender la estructura atómica, se cimientan los desarrollos tecnológicos de mayor éxito de la segunda mitad del siglo XX . Es la base y el futuro de la química moderna, porque fundamenta con rigor el enlace químico; de los sólidos, puesto que, al explicar la interacción entre los electrones y los iones de la red cristalina, la teoría de bandas permite entender el comportamiento de los conductores, aislantes y semiconductores, pre-
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A N E I V E D D A ID S R E V I N U , L A T N E M I R E P X E A IC S I F E D O T U IT T S IN
Pero el código todavía puede ser más robusto: si se aumenta a siete dígitos, los errores individuales no sólo se detectan sino que, además, se pueden corregir. La razón es que un único cambio en una ristra de siete bits produce una versión corrupta más cercana en estructura a la ristra primitiva que cualquiera de las variantes realmente presentes en el conjunto srcinal de ristras. El primer telégrafo de Baudot disponía de un teclado que empleaba cinco dígitos binarios para transmitir cada letra, cada número y cada símbolo. Admitía dos posiciones: una para letras y otra para cifras y símbolos 10
sentes en toda la tecnología electrónica actual; de los láseres; de las microscopías electrónica y de efecto túnel; de la superfluidez; de la superconductividad, etc. Es difícil encontrar un producto cotidiano que utilice técnicas actuales y no tenga de un modo u otro su fundamento en la teoría cuántica, hasta el punto de que se estima que el 25 % del PIB mundial depende de un modo u otro de ella. La necesidad de abordar los problemas de la información, la computación y la criptografía, aspectos básicos de las sociedades modernas, desde un punto de vista cuántico tiene una doble motivación. Por un lado es bien conocido que el número de transistores por unidad de superfic ie en un microchip se dobla, a costo constante, cada 18 meses, aproximadamente (ley de Moore), por lo que nuestros ordenadores parecen lentos o quizás inútiles a los tres o cuatro años de haberlos comprado. Esta reducción del tamaño tiene su límite en el mundo microscópico, e incluso antes, en el mesoscópico. El horizonte temporal de ese límite se sitúa hoy día en unos 30 años. Cuando se llegue a ese dominio, las leyes de la física que rigen el comportamien to de los componentes de los ordenadores cambiarán, pasando de la física clásica a la cuántica. Desarrollar las bases teóricas del computador cuántico, que utilizaría las propiedades cuánticas genuinas para funcionar, es casi una necesidad de nuestra sociedad hoy. Pero no es ésta la única motivación. Por otro lado, la mecánica cuántica permite hacer tareas y resolver problemas que no tienen solución, que son imposibles, en las teorías (clásicas) de la información, la computación y la criptografía, y que serán esenciales para el desarrollo futuro de nuestras complejas sociedades: así, la posibilidad de computar con muchísima más rapidez o la de transmitir de modo absolutamente secreto flujos de información. La información cuántica le debe el ser mucho más poderosa que la información clásica a la existencia de estados entrelazados, o que exhiben correlaciones estadísticas aun cuando no hay un
El entrelazamiento, o correlación local,entrelazados es esencial cuando en la información cuántica. Se pueden producir no fotones un haz láser ultravioleta incide sobre un cristal no lineal dando lugar a un proceso denominado “conversión paramétrica a la baja”. Existe una pequeña probabilidad de que uno de los fotones incidentes dé lugar a un par de ellos de mayor longitud de onda (el conjunto de anillos concéntricos de las figuras). Bajo determinadas condiciones uno de los fotones tendrá polarización horizontal y el otro vertical. Si se superponen los haces se forma un estado entrelazado, como los que se utilizan en información cuántica
(en lugar de una para las minúsculas y otra para las mayúsculas, como en los teclados modernos). El código era cíclico. En el receptor, los cinco dígitos binarios se almacenaban en una rueda codificadora. Esta se conectaba directamente al disco impresor que, al girar, acababa por alcanzar un ángulo en el que la configuración situada bajo la cabeza de lectura coincidía con la configuración recibida. Entonces, se accionaba la cabeza impresora y se imprimía la letra, el número o el símbolo transmitido. Hay quien afirma que Baudot ideó el código por su propiedad de conmu-
tación mínima. De ser así, indicaría que el ingeniero francés comprendía la forma de hallar códigos específicos a partir de propiedades deseables. Su talento se reconoció inmediatamente tras la exhibición de su equipo en la Exposición Universal de París, en 1878. Le concedieron una medalla de oro (otras dos fueron para Thomas A. Edison y para Alexander Graham Bell) y el título de caballero de la Legión de Honor. El telégrafo impresor de Baudot llegó a convertirse en un artefacto estándar. Hacia 1882 lo rediseñó: cambió el código cíclico por un código en cadena. Una vez más, fue capaz TEMAS 36
nexo causal, o transferencia de información, entre ellos (principio de superposición y composición tensori al de estados de varias partículas). Algunos momentos esenciales en la constitución de la información cuántica fueron, primero, los experimentos que contrastaron las desigualdades de Bell, relaciones numéricas ligadas al entrelazamiento, que establecieron de modo inequívoco la existencia de éste; luego, la construcción del protocolo de teleportación y su posterior verificación experimental, y la introducción, por Peter Shor, de un algoritmo cuántico que permitiría resolver problemas imposibles de superar con los ordenadores convencionales. Como ya se ha indicado, las tres aplicaciones más importantes en esta área son la teleportación, la criptografía y la computación cuánticas. Una línea resumiría qué se está haciendo hoy en el campo de la información cuántica: los teóricos estudian situaciones donde intervienen estados cuánticos coherentes (es decir, con entrelazamiento), y los experimentadores tratan de manejarlas, de momento con un número reducido de elementos. He aquí algunos de los problemas abiertos que se están estudiando. Por el lado teórico: i) La búsqueda de criterios generales que determinen cuándo un estado es separable en componentes no entrelazados y cuándo no. ii) La cuantificación del entrelazamiento para estados de varias partículas y determinación de la equivalencia entre sus distintas medidas. iii) La “destilación” del entrelazamiento en estados mezcla (mezclas estadísticas ordinarias de estados cuánticos). Estudio de los estados entrelazados no destilables. iv) El desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos. v) Las capacidades de los canales y los problemas de superaditividad (magnitudes de un estado mayores o iguales que la suma de esas mismas magnitudes para los componentes del estado). Desde el punto de vista experimental, el grupo de Nicolas Gisin, en Ginebra, y el de Richard Hughes, en Los Alamos, están realizando progresos muy notables en criptografía cuántica. Están enviando mensajes que no pueden ser descifrados, o que, si son descifrados, quienes los intercambian pueden saber con total seguridad si alguien los ha interceptado o no, el primero mediante la fibra óptica, con un alcance de 67 kilómetros, y el segundo a
de identificar una propiedad deseable (una sola pista en lugar de cinco) y hallar el código que la incorporaba. Así lo muestra su descripción del aparato: “Desde el punto de vista de la construcción, resulta interesante encontrar, entre los millares de disposiciones posibles, aquellas que podrían ordenar 31 configuraciones de forma que permita disponer las pestañas y los espacios de la misma forma en cada una de las pistas de una rueda codificadora. En estas investigaciones y en muchas otras, he contado con la eficaz ayuda de Monsieur Cartier, ingeniero jefe de investigación de los talleres Carpentier, cuyo ingenio y modestia son perfectamente conociLA INFORMACIÓN
través de la atmósfera, incluso cuan do el emisor se halla a 10 kilómetros del receptor del mensaje. Se están también explorando los sistemas físicos que, con la deseada propiedad de la escalabilidad (capacidad de adaptarse a tareas de distinta magnitud), puedan resultar más adecuados para procesar la información cuántica. Citemos entre ellos los sistemas ópticos cuánticos (cavidades resonantes de alta calidad y iones confinados en trampas electromagnéticas) y la creciente activi dad en el campo del estado sólido, donde se están realizando puertas lógicas por medio de puntos cuánticos y de uniones Josephson superconductoras (realizadas ya para un qubit —la unidad cuántica de información—, en ensayo para dos). Otros desarrollos experimentales recientes con incidencia en este campo son la generación de impulsos individuales de fotones (en el Instituto Max Planck); el desarrollo de detectores de fotone s con una eficiencia de casi el 100 % (propuestos por Kwiat y por Imamoglu); la sincronización de relojes y sistemas de posiciona mient o valiéndose del entrelaz amien to (en el Instituto de Tecnología de Massachusetts); demostraciones experimentales de la corrección de errores (en el Instituto Nacional de Patrones y Tecnología de Estados Unidos); la clonación con alta fidelidad de sistemas cuánticos individuales (Oxford); etc. Además de todas estas excitantes perspectivas, hay otros dos aspectos en la información cuántica que se deben mencionar, a saber: el valor añadido que tendría el desarrollo de nuevas áreas técnicas en una futura sociedad de la información, hacia la que caminamos, y su contribución, en nuestro caso, a los objetivos sociales de Europa. Más que desplazar a la actual tecnología de la información, la nueva información cuántica se haría un lugar a su lado, en la ejecución de tareas imposibles con la técnica actual. A nadie se le oculta la trascendencia económica de, por ejemplo, transmitir de modo absolutamente seguro flujos de información (piénsese en Internet o en la necesaria codificación de un mensaje cuando se efectúa una transacción económica con la tarjeta de crédito), y así lo han entendido algunas de las empresas más importantes del mundo, como IBM, Hewlett Packard, Laboratorios Bell, Microsoft, etc., e instituciones y agencias gubernamentales de los países mas desarrollados, fundamentalmente en EE.UU. (la Universidad de Harvard, el Caltech, el MIT, la NASA , el Ministerio de Defensa, etc.), en la Unión Europea, a través de la Fundación Europea de la Ciencia, y en distintos países europeos, en particular el Reino Unido, Austria y Alemania. M IGUEL FERRERO Departamento de Física Universidad de Oviedo
dos por todos los inventores que han trabajado con él.” La modestia de Cartier no place tanto al historiador de la ciencia. Hubiera sido interesante poder saber qué enfoque le dio al problema en aquellos días, anteriores a los registros de desplazamiento y al álgebra booleana aplicada. No cabe duda, sin embargo, de que la figura dominante fue Baudot. De hecho, puede considerarse inventor del código cíclico así como del código en cadena. Los códigos binarios han proliferado desde el diseño y la construcción de los primeros ordenadores binarios, allá por 1949. Sin embargo, el curso de los descubrimientos muestra que,
en general, las aplicaciones que han surgido desde entonces consisten solamente en refinamientos de propiedades que se encontraban ya en los antiguos códigos aquí descritos.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA T ÉLÉGRAPHE M ULTIPLE I MP RIM EU R DE M. BAUDOT en Annales Télégraphiques, serie 3, vol. 6, págs. 354-389; 1879. L A TÉLÉGRAPHIE M ULTIPLE en Anna les Télégraphiques, serie 3, vol. 22, págs. 2871, 152-177; 1895. THE LAWS OF THOUGHT. George Boole. Dover Publications, Inc., 1953.
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El geómetra de la información Claude Shannon dio al vago concepto de información una expresión matemática, una magnitud mensurable que puede aplicarse a una lengua, una música o al patrimonio genético de un organismo Jérôme Segal
¿S
abe alguien quién inventó una máquina para resolver el cubo de Rubick, un monociclo biplaza, un ratón mecánico capaz de orientarse en un laberinto, una computadora que calculaba con números romanos o un “frisbee” a propulsión? Daremos una pista: se trata del mismo personaje que en 1945 concibió una teoría matemática de la criptografía y al que sus colegas de los Laboratorios Bell recuerdan recorriendo los pasillos montado en monociclo al tiempo que hacía juegos malabares con tres bolas. Claude Shannon, ingeniero y matemático fallecido en 2001, marcó hitos de la segunda esenciales para mitad la ciencia del siglo y la técnica XX . Tres de sus hallazgos han sido importantísimos: su tesis de licenciatura, que permitió aplicar el cálculo binario a los circuitos formados por relés y conmutadores; sus investigaciones sobre máquinas jugadoras de ajedrez, que contribuyeron al desarrollo de la inteligencia artificial; y, sobre todo, el artículo Una teoría matemática de la comunicación , que publicó en 1948. Este artículo, convertido más tarde en el libro La teoría matemát ica de la comunicación , versaba sobre la transmisión de la información y las mejoras de la codificación. Shannon proponía una cuantificación unívoca de la información a condición de no tener en cuenta el significado de los mensajes transmitidos. Sus trabajos han sobrepasado el campo de las telecomunicaciones y se han aplicado a todas las formas posibles de comunicación. Desde entonces, la información ha perdido su carácter subjetivo y se ha tornado mensurable, cualquiera que sea su srcen: se ha podido cuantificar la información que contiene una lengua, una melodía, una secuencia de ADN... Con inde12
pendencia del soporte, la información ha alcanzado un estatus primordial. ijo de un juez y una profesora de lengua, Claude Elwood Shannon nació en Michigan, EE.UU., en 1916. Su abuelo, inventor de una máquina lavadora y titular de varias patentes, probablemente influyó en los intereses científicos y técnicos del joven Shannon. En 1932 entró en la Universidad de Michigan. Cuatro años después salía con dos títulos bajo el brazo: matemático e ingeniero. Muy habilidoso, construyó un barco radio-
trabajo en el verano de 1937. Inmediatamente, se publicó y alcanzó una gran difusión. En 1940 fue galardonado con el premio Alfred Noble de la Sociedad de ingenieros american os. En su Historia del orde nador desde Pascal a von Neumann , H. Goldstine, uno de los participantes en la construcción del primer ordenador civil, el ENIAC, resaltaba la importancia del proyecto de Shannon, pues contribuyó a que el arte del diseño de circuitos digitales se convirtiera en una ciencia. Vannevar Bush, padre del analizador diferencial y vicepresidente del MIT, era entonces decano de la Uni-
le permitía dirigido y un comunicarse sistema telegráfico con un amigo que que vivía a un kilómetro de distancia mediante los alambres que separaban las fincas. Admirador de Edison, le apasionaba la electricidad y a ratos trabajaba reparando radios y otros dispositivos eléctricos. Tras finalizar sus estudios, Shannon consiguió entrar en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, el MIT. Por un pequeño anuncio, se había enterado de que necesitaban a alguien para encargarse del mantenimiento del analizador diferencial, un ordenador analógico concebido para resolver ecuaciones. Al propio tiempo, redactó una tesis de licenciatura sobre la aplicación del álgebra de Boole, la teoría matemática que rige los cálculos con números binarios (formado con ceros y unos), a los circuitos constitui dos por relés y conmutadores. En ella demostraba que cualquier circuito puede representarse por un conjunto de ecuaciones. Manipulando estas ecuaciones estableció reglas de equivalencia entre grupos de componentes, merced a las cuales logró simplificar notablemente los circuitos electrónicos. Presentó el
mentor deldejoven versidad Michigan. Shannon, En su le propupapel de so centrar su tesis doctora l en las matemáticas aplicada s a la genética. En 1939, Bush fue nombrado presidente del Instituto Carnegie, en Washington. Este instituto trabajaba en una teoría orientada al perfeccionamiento genético de la especie humana. En una palabra: la eugenesia. Cuando Bush se enteró de que los nazis utilizaban la eugenesia para justificar su política racista, ordenó cerrar el Laboratorio de Cold Spring Harbor. En este contexto, Shannon aceptó la proposición de Bush y comenzó su tesis Un álgebra para la genética teórica . Allí examinaba la dinámica de las poblaciones mendelianas. A partir de los trabajos de Mendel, sabemos que el cruce de guisantes lisos con guisantes rugosos engendra ejemplares lisos y rugosos en proporciones determinadas. Estas resultan difíciles de calcular al cabo de varias generaciones; también cuando las características morfológicas dependen de varios genes. Merced a su álgebra, que asociaba elementos matemáticos a las poblaciones y establecía entre ellos un conjunto de operacio-
Matemático e ingeniero
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1. SHANNON concibió un ratón electromecánico capaz de salir de un laberinto. Este invento demuestra su interés por la inteligencia artificial, disciplina en cuya fundación participó al organizar el primer congreso en 1956.
S IO R O T A R O B A L
nes, consiguió reformular y generalizar teoremas de la genética teórica. En numerosos casos, su notación condensada le permitía expresar con sencillez fenómenos complejos. Shannon sólo se refirió a la eugenesia de una forma implícita, al final de su tesis, donde abordaba la existencia de selecciones que favorezcan a los individuos de una cierta constitución genética. En resumen, si bien la eugenesia constituye el contexto en que se inscriben los trabajos de Shannon, no se inspiraron directamente en ella.
Cuando Shannon defendió su tesis, en 1940, los EE.UU. todavía no habían entrado en guerra. Sin embargo, la investigación científica ya se había reorganizado para sostener el esfuerzo bélico. Así, la rapidez de los aviones exigía radares que dirigiesen los proyectiles. Shannon participó en el diseño de una pieza de artillería acoplada a un radar que se utilizó en batallaBretaña Gran de Inglaterra. durantePermitió la segunda destruir más de las tres cuartas partes de los misiles V1 alemanes. La guerra ofreció a Shannon otra ocasión para trabajar con el ejército: en 1945 redactó un informe —confidencial hasta 1957— sobre la criptología, la ciencia del cifrado. Las investigaciones que emprendió Shannon para este fin serían decisivas en su carrera; la Teoría matemática de la comunicación que publicaría tres años después no constituye sino una prolongación de esos trabajos. Shannon intentaba ligar en ese informe la forma en que se codifica un mensaje a la dificultad que debe vencer quien lo intercepta y pretende descifrarlo. Imaginemos que un espía desea
enviar el mensaje “La fórmula química del X-tran es...” y lo codifica cambiando cada letra del alfabeto por
Si el mensaje es suficientemente largo, la respuesta es afirmativa, pues en una lengua las letras no aparecen
k , ejemplo la f letra, otra por lapor etcétera.laLaaversión por la l, cifrada del mensaje sería “Hl kfdzphl opwzwsl rch v-gdla cn...”. Si el enemigo intercepta este mensaje, ¿tiene alguna probabilidad de descifrarlo?
cesazar. al que aparece Sólo hacecada faltauno contar de loslassímvebolos de la versión codificada y hacerlos corresponder con las letras de idéntica frecuencia de aparición en la lengua empleada.
2. EL ANALIZADOR DIFERENCIAL era un ordenador analógico diseñado para resolver ecuaciones diferenciales. Funcionaba mediante engranajes. Para cambiar de programa debía modificarse el emplazamiento de unas varillas. Siendo aún estudiante, Shannon fue contratado para enseñar a los investigadores cómo programarlo.
LA INFORMACIÓN
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una lengua, que él denominaba H, se define como el sumatorio con respecto a i de ( —p i log pi), siendo pi la probabilidad de selección de una letra. As í de finida, la cantid ad H será máxima cuando todas las letras de esa lengua tengan la misma probabilidad de ser escogidas (todas las pi sean iguales). Por el contrario, la información que poseen los que intercepten el mensaje será mínima. Shannon escogió la letra H para designar la información, en alusión al teorema H de Boltzmann sobre la entropía. En 3. DURANTE LA SEGUNDA GUERRA MUN- la misma línea, más tarde llamó DIAL, Shannon trabajó en la primera artille- “entropía” a la información.
Karl Küpfmüller de los Laboratorios Siemens & Halske, de Alemania, o Ralph Hartley y Harry Nyquist, de los Laboratorios Bell, en EE.UU., ya habían definido la cantidad de información contenida en un mensaje, si bien en contextos más restringidos. En 1948, Shannon se decidió a publicar una síntesis de sus investigaciones sobre la teoría de la comunicación en la revista de los Laboratorios Bell —a los que pertenecía desde 1941—. Volvió allí a emplear la definición de información utilizada en su informe sobre criptología. Asimismo, siguiendo la idea que su colega
ría automática. Cone ctada a uny radar,antiaérea seguía los misiles V1 alemanes los De la criptología a las comunicacio nes destruía.
ingeniero John el Tukey en 1947, introdujo “bit”, propuso contracción de “binary digit” (número binario, en inglés) como unidad de la cantidad. La definición de H constituía, sin duda, una extensión de la que había dado Hartley, pero los teoremas de Shannon abrían campos de investigación mucho más vastos. Tomemos como ejemplo el teorema fundamental de la vía de transmisión sin ruido. Toda señal se deforma al ser transmitida. Por ejemplo, una señal eléctrica de onda cuadrada se ensancha y atenúa a medida que recorre un cable. La razón no estriba solamente en el ruido que pueda añadirse a la señal (la agitación térmica de los electrones en los hilos conductores, por ejemplo), sino también en la alteración introducida por el medio de trans-
Este método de descifrado sólo resulta válido si en el idioma utilizado cada letra aparece con una frecuencia distinta. Así, cuanto más difieran entre sí las frecuencias de aparición de las letras, más fácil será identificarlas con símbolos y mejor se descifrará el mensaje. En términos más exactos, diremos que se tendrá más información a priori sobre un mensaje cuanto mayores sean las diferencias entre las probabilidades de aparición de las distintas letras en una determinada lengua. En su informe sobre la criptología, Shannon lo expresaba matemáticamente: la cantidad de información que posee
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a investigación en criptología ha mantenido una continua relación con las telecomunicaciones, dado que toda transmisión viene a ser una codificación de la información. El código Morse, por ejemplo, hace corresponder cada letra del alfabeto con un símbolo, combinación de puntos y rayas, que se transmite mediante impulsos eléctricos de distinta duración. Cuando Shannon escribió su informe para las fuerzas armadas, ya mostró interés por la teoría de la comunicación y la transmisión de información, fuese por telefonía, telegrafía, radio o televisión. Ante el auge del telégrafo transatlántico y con miras a economizar el tiempo de ocupación de las líneas, ingenieros como
La entropía y la lingüística
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a entropía de una lengua permite cuantificar en qué medida es predecible y, en consecuencia, su redundancia. Esta entropía puede definirse de dos maneras diferentes. La primera consiste en efectuar un cálculo a partir de las frecuencias de las letras y de grupos de letras, y aplicar la fórmula de Shannon para la cantidad de información. Una lengua que utilizara con la misma frecuencia cada una de las 27 letras (26 más el espacio) del alfabeto internacional tendría una entropía de H = 4,75 bits ( log 2 27). Si se considera que la w se utiliza menos que la e, la entropía disminuye al no ser iguales todas las probabilidades (su valor se reduce a unos cuatro bits). Además, dado que la elección de un carácter condiciona la elección del siguiente, la entropía aún resulta menor. En español, así como en francés o inglés, se sabe que después de la q viene la u . Así pues, se deben tener en cuenta las frecuencias de aparición de grupos de dos letras. De esta forma, se puede afinar el cálculo de H atendiendo a las diferentes restricciones idiomáticas. En una palabra, H está comprendida entre uno y dos bits por letra. segundo lúdico, consiste cada una de lasEl letras de unmétodo, texto a más alguien capaz de leeren en la hacer lenguaadivinar en cuestión. El número medio de preguntas de respuesta binaria (sí o no) que él plantee para adivinar una letra corresponde a la entropía de la lengua. Como ejemplo: “n lctr lr fclmnt n txt sn vcls” (un lector leer á fácilmente un texto sin vocales). Este tipo de cálculo, iniciado por Shannon al principio del decenio de 1950, todavía se utiliza a menudo en criptoanálisis (la ciencia que intenta “revelar” los algoritmos criptográficos) o en el diseño de programas para el reconocimiento del habla.
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pongan dos misión. Para señales evitarconsecutivas, que se superno se deben enviar demasiado seguidas. Con ejemplo se comprende que toda vía de comunicación (no sólo los hilos conductores sino también el aire para las ondas electromagnéticas o el agua para las ondas acústicas del sónar) posee una capacidad máxima de transmisión fiable de información. El teorema de la vía sin ruido estipula que es posible codificar los datos de tal forma que se aproximen a ese va lor límite todo lo que se de see. Análogamente, en el caso de una vía perturbada por ruido, Shannon demostró que es posible codificar los mensajes de manera que se reduzca el número de errores de transmisión a un valor tan pequeño como se quiera.
Dado que no toma en cuenta el significado de los mensajes, la definición de Shannon de la información se puede aplicar a cualquier tipo de transmisión. Así, el término “código” se extendió a todas las disciplinas. Al principio de la década de 1950, los biólogos se lanzaron a calcular la canTEMAS 36
Información, entropía y desorden a entropía de un sistema aislado acepta dos definiciones distintas, según pertenezca al mundo microscópico o al macroscópico. En este último caso, la entropía permite diferenciar la parte de energía que puede convertirse en trabajo de aquella otra que se traduce, por ejemplo, en calentamiento. Este concepto, introducido de forma intuitiva en 1824 por Sadi Carnot en sus Reflexiones acerca de la fuerza motriz del fuego y formalizado en 1865 por Rudolf Clausius, desarrolló un importante papel en la
estados. En el caso de un gas perfecto, en el que las moléculas se consideran esferas, la distribución de éstas en el espacio basta para determinar la entropía. Así se ha difundid o la analogía, a menudo engañosa, que asimila la entropía al desorden, pese a ser orden y desorden conceptos subjetivos. En ciertos casos, la entropía se expresa como una suma de logaritmos: un sumatorio de x i log (x i) , siendo x i el número de estados individuales en los que puede encontrarse una partí-
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mejora del rendimiento de las primeras máquinas de vapor. A escala microscópica, la entropía representa la capacidad de un sistema de adquirir un gran número de estados, caracterizados por la energía cinética, potencial y electromagnética de sus componentes. Max Planck llegó, a partir de los trabajos de Ludwig Boltzmann, a la expresión S = k log W , en la que W representa el número de
cula dada. Por analogía formal entre esta expresión y la propuesta por Shannon para la cantidad de información H (el sumatorio con signo negativo de p i log pi siendo p i la probabilidad de selección de una letra), en Shannon bautizó la cantidad de información ocasiones se llama entropía a la cancon el nombre de “entropía” por existir una tidad de información. Fue el mateanalogía formal entre ésta y la entropía físi- mático John von Neumann quien sugica (S = k log W), grabada en la tumba de rió a Shannon dar este nuevo nombre Boltzmann en Viena. a la cantidad de información.
tidad de información que contiene un ser humano. En 1953, tras descubrir la estructura de la doble hélice del ADN, físicos seguidores del desarrollo de la teoría de la información se pusieron a estudiar las correspon-
ácido le correspondan varios tripletes de bases de ADN (¿cómo se puede hablar de código cuando no existe relación unívoca entre el mensaje y su versión codificada?). Diversos lingüistas calcularon la
texto del desarrollo de la teoría de la información. Ya en 1956, en el editorial de una revista técnica, Shannon se distanció de la que solía llamarse “teoría de la información”: en su opinión, debía
tidos y los dencias entre aminoácidos los tripletes(tres de nucleóbases nitrogenadas del ADN corresponden a un aminoácido). Enseguida adoptaron las metáforas propias de la información, si bien no siempre estaban justificadas. Hoy se habla de “código” genético, aunque a un mismo amino-
de Shannon, entropía de una considerando lengua a lacada manera lengua como un código. Uno de ellos, Roman Jakobson, estudió el concepto de redundancia y sus interacciones con la teoría de la información en
las comunicaciones. ceñirse estrictamenteEsalen campo el plano de técnico donde su teoría ha tenido más aplicaciones. Ha permitido elaborar códigos correctores de errores como los que se utilizan en los discos compactos o las telecomunicaciones espaciales. El proyecto de los “ordenadores cuánticos” también puede considerarse una continuación directa de los trabajos de este gran matemático ingeniero. Hoy día, además, transcurridos más de 40 años, la teoría de la información ha aportado un lenguaje común a numerosas investigaciones interdisciplinarias.
Ling üística y teor ía de la co muni cación , uno de los capítulos de sus Ensayos de lingüí stic a general .
Luego vinieron matemáticos que unificaron las definiciones propuestas por Shannon en el marco de un formalismo más general. En 1970, el X Y soviético Andrei Kolmogorov, que haY C V W cia 1930 había propuesto una axiomaB S Z tización de la teoría de las probabiliB dades, afirmó que convenía reelaborar Z X ésta partiendo de la teoría algorítmiZ ca de la información. W Y X En paralelo con el desarrollo de la A teoría de la información, Shannon se V interesó por el cerebro desde los años 4. MERCED A LA LOGICA DE BOOLE, Shan- cincuenta. Participó activamente en non logró simplificar los circuitos eléctri- el auge de la inteligencia artificial. cos. Los dos circuitos aquí mostrados son En 1950 publicó el artículo La proA
equivalentes, pero el de abajo es más sencillo y por tanto más barato defabricar y más fiable. Las letras indican interruptores. Esta simplificación resulta válida para cualquier circuito eléctrico, como por ejemplo un amplificador de válvulas.
LA INFORMACIÓN
gram ació n del ordenad or para juga r al ajedrez . En 1956 organi zó con Mar-
vin Minsky y John McCarthy la escuela de verano “Inteligencia artificial”; patrocinada por la fundación Rockefeller, se inscribía en el con-
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA E LE ME NT S OF I NFORMATION T HEORY . T. M. Cover y J. A. Thomas. Wiley, Nueva York, 1991. CLAUDE ELWOOD SHANNON: COLLECTED PAPERS. Dirigido por N. J. A. Sloane y A. D. Wyner, IEEE Press, Nueva York, 1993. I NFORMATION , C OMPLEXITÉ , H ASARD . J.-P. Delahaye. Hermès, París, 1994.
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La información en el universo holográfico Los resultados teóricos relativos a la entropía de los agujeros negros llevan a concluir que el universo podría ser un inmenso holograma Jacob D. Bekenstein
S
i preguntamos de qué se compone el mundo físico, se nos responderá que de “materia y energía”. Pero quien sepa algo de ingeniería, biología y física nos citará también la información como elemento no menos importante. El robot de una fábrica de automóviles es de metal y plástico, pero no hará nada útil sin abundantes instrucciones que le digan qué pieza ha de soldar a otra. Un ribosoma de una célula se construye con aminoácidos y alimenta con la energía generada por la conver-
palabras sólo han de tomarse como una licencia poética? Desarrollos recientes de la física teórica contestan algunas de estas preguntas; las respuestas podrían ser hitos importantes hacia la teoría definitiva de la realidad. Del estudio de las misteriosas propiedades de los agujeros negros se han deducido límites absolutos que acotan la información que cabe en una región del espacio o en una cantidad de materia y energía. Resultados ligados a ésos sugieren que nuestro universo, al que
sintetizar sión del ATP proteínas en ADP,sin pero la información no podría suministrada por el ADN del núcleo celular. Un siglo de investigaciones nos ha enseñado que la información desempeña una función esencial en los sistemas y procesos físicos. Hoy, una línea de pensamiento iniciada por John A. Wheeler, de la Universidad de Princeton, considera que el mundo físico está hecho de información; la energía y la materia serían accesorios. Este punto de vista invita a reconsiderar cuestiones fundamental es. La capacidad de almacenamiento de la información de los discos duros y demás dispositivos de memoria ha ido creciendo a toda velocidad. ¿Cuándo se parará este progreso? ¿Cuál es la capacidad de información última de un dispositivo que pese, digamos, menos de un gramo y ocupe un centímetro cúbico (ése viene a ser el tamaño del chip de un ordenador)? ¿Cuánta información se necesita para describir todo un universo? ¿Podría tal descripción caber en la memoria de un ordenador? ¿Podríamos, tal como escribió William Blake, “ver el mundo en un grano de arena”, o esas
ciales, le percibimos podríatres en realidad dimensiones estarespa“escrito” en una superficie bidimensional, como un holograma. Nuestra percepción ordinaria de un mundo tridimensional resultaría en tal caso una profunda ilusión o sólo una de dos maneras alternativas de ver la realidad. Quizás un grano de arena no abarque el mundo, pero sí lo haga una pantalla plana.
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Las dos entropías
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a teoría formal de la información nació de los artículos publicados en 1948 por el matemático estadounidense Claude E. Shannon. En ellos enunció la medida de la información más ampliamente usada hoy en día: la entropía. La entropía había venido siendo un concepto central de la termodinámica, la rama de la física que trata del calor. Suele decirse que la entropía termodinámica expresa el desorden de un sistema físico. En 1877 el físico austríaco Ludwig Boltzmann la caracterizó más precisamente como el número de estados microscópicos distintos en los que pueden hallarse las partículas que componen un trozo de materia de forma que siga pare-
N IA J A M A K . T D E R F L A
ciendo el mismo trozo desde un punto de vista macroscópico. En el caso del aire de una habitación, se contarían las maneras en que podrían distribuirse y moverse las moléculas de gas por la habitación. Cuando Shannon buscó una manera de cuantificar la información contenida en un mensaje, la lógica le condujo a una fórmula que tenía el mismo aspecto que la de Boltzmann. La entropía de Shannon de un mensaje es el número de dígitos binarios, o bits, necesarios para codificarlo. No nos ilustra acerca del valor de la información, que depende mucho del
Incluso cuando se las ha reducido a unidades comunes, los valores típicos de las dos entropías difieren mucho en magnitud. Un microchip de silicio que contenga un gigabyte de datos, por ejemplo, posee una entropía de Shannon de unos 10 10 bits (un byte son ocho bits), muchísimo menor que la entropía termodinámica del chip, unos 10 23 bits a temperatura ambiente. Esta discrepancia se debe a que esas entropías se calculan para grados de libertad diferentes. Un grado de libertad es cualquier cantidad que pueda cambiar, así una coordenada que especifica la localización de una par-
las vicisitudes de un siglo de revelaciones en la física nos han curado co ntra el dogmatismo. Podría haber más niveles de estructura en nuestro unive rso que lo s que sueñ a la física actual. No se puede calcular la capacidad máxima de información de un pedazo de materia, o, de manera equivalente, su verdadera entropía termodinámica, sin saber la naturaleza de los últimos constituyentes de la materia, de su nivel de estructura más profundo, al que llamaré “nivel X”. (Esta ambigüedad no le causa problemas a la termodinámica práctica, la de un
contexto; en cuanto medida objetiva de lapero cantidad de información, la entropía de Shannon ha sido enormemente útil en ciencia y técnica. El diseño de todos los aparatos modernos de comunicación —desde los teléfonos portátiles hasta los módems y los reproductores de discos compactos— se basa en la entropía de Shannon. La entropía termodinámica y la de Shannon son conceptualmente equivalentes: el número de configuraciones que se cuentan en la entropía de Boltzmann refleja la cantidad de información de Shannon que se necesitaría para realizar cualquier configuración determinada. Tales entropías presentan, sin embargo, dos diferencias principales. En primer lugar, la entropía termodinámica que emplean
tícula componente de su velocidad. oLauna entropía de Shannon del chip sólo atiende al estado global de cada pequeño transistor impreso en el cristal de silicio: está on u off ; representa un 0 o un 1 —un único grado de libertad binario—. La entropía termodinámica, por el contrario, depende de los estados de todos y cada uno de los miles de millones de átomos (con sus electrones en órbita) que forman cada transistor. A medida que la miniaturización nos acerque más al día en que cada átomo nos almacenará un bit de información, la entropía útil de Shannon del mejor microchip del momento se irá acercando a la entropía termodinámica de su material. Cuando las dos entropías se calculan para los mismos grados de libertad, resultan iguales.
motor coche,lospor ejemplo, que puede de ignorar quarks del ya interior del átomo; no cambian de estado en las moderadas condiciones del motor.) Dado el vertiginoso progreso de la miniaturización, juguemos a imaginar un día en que los quarks sirviesen para almacenar información, quizás un bit cada uno. ¿Cuánta información cabría entonces en nuestro cubo de un centímetro de lado? ¿Y cuánta si lográsemos controlar las supercuerdas, o niveles más profundos aún ni soñados? Sorprendentemente, los desarrollos en la física de la gravitación en los treinta últimos años han proporcionado algunas respuestas claras a preguntas que parecían tan inabordables.
ración un químico se expresa o un experto en unidades en refrigede energía dividida por temperatura, mientras que la entropía de Shannon aplicada por un ingeniero de telecomunicaciones se da en bits, magnitud que carece de dimensiones. Esta diferencia no es más que una cuestión de convenciones.
fundamentales? ¿Cuáles son losAlgrados fin y al decabo, libertad los átomos se componen de electrones y núcleos, los núcleos de protones y neutrones, y éstos de quarks. Muchos consideran hoy en día que los electrones y los quarks son excitaciones de supercuerdas, de las que piensan que son los entes fundamentales. Pero
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El mundo como holograma • Una hipótesis asombrosa, el principio holográfico, mantiene que el universo es como un holograma: igual que jugando con luces se registra una imagen tridimensional en un pedazo de película plana, este universo que nos parece tridimensional podría equivaler por completo a otro conjunto de campos cuánticos y leyes físicas “pintado” en una superficie vasta y lejana. física de los agujeros negros —concentraciones de masa con una densi• La dad inmensa— da a entender la veracidad del principio. El estudio de los agujeros negros enseña, por mucho que desafíe al sentido común, que el máximo contenido de información de cualquier región del espacio viene dado, no por su volumen, sino por el área de la superficie que la delimita.
• Los físicos esperan que este sorprendente hallazgo sea una clave en la búsqueda de la definitiva teoría de la realidad.
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Termodinámica delrotagonista agujero negro de estos avances es
el agujero negro. Los agujeros negros son una consecuencia de la relatividad general, la teoría geométrica de la gravitación estableci da por Albert Einstein en 1915. Según esta teoría, la gravitación surge de la curvatura del espacio-tiempo, que hace que los objetos se muevan como si estuviesen atraídos por una fuerza. A la inversa, la causa de la curvatura es la presencia de materia y energía. Según las ecuaciones de Einstein, una concentración suficientemente densa de materia o energía curva tanto el espacio-tiempo, que lo rasga y nace un agujero negro. Las leyes de la relatividad prohíben a todo lo que caiga en un agujero negro volver a salir; por lo menos, dentro de la formulación clásica (es decir, no cuántica) de la física. El punto de no retorno, el horizonte de sucesos del agujero negro, es de crucial importancia. En el caso más simple, se trata de una esfera; tanta más área tendrá cuanto mayor sea la masa del agujero. Es imposible determinar lo que hay dentro de un agujero negro. Ninguna TEMAS 36
Horizonte de sucesos del agujero negro
Un área de Planck
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nunca decrecía el área total de los horizontes de sucesos. La analogía con la tendencia de la entropía a aumentar me llevó a proponer en 1972 que un agujero negro tiene una entropía proporcional al área de su horizonte ( véase la figura 1 ). Conjeturé que, cuando la materia cae e n un agujero negro, el aumento de la entropía de éste siempre compensa, con creces incluso, la entropía “perdida” por la materia. Con más generalidad: la suma de la entropía del agujero negro y de la entropía ordinaria fuera del mismo no puede decrecer. Esta es la generalización de la segunda ley
1. LA ENTROPIA DE UN AGUJERO NEGRO es proporcional al área de su horizonte de sucesos (superficie de cuyo interior no puede escapar, a causa de la gravedad del agujero, ni siquiera la luz). En concreto, un agujero con un horizonte que abarque A áreas de Planck –66 centímetros cuadrados, es tendrá A/4 unidades de entropía. (El área de Planck, unos 10 la unidad cuántica de área fundamental, determinada por la intensidad de la gravedad, la velocidad de la luz y el tamaño de los cuantos.) Como si la entropía, en cuanto medida de la información, estuviese escrita sobre el horizonte de sucesos, de suerte tal que cada bit (cada 0 o 1 de la codificación digital) correspondiera a 4 áreas de Planck.
(o La GSL). GSL ha superado un gran número de estrictas pruebas, si bien puramente teóricas. Cuando una estrella se desploma sobre sí misma y crea un agujero negro, la entropía de éste supera en mucho la de la estrella. En 1974 Hawking demostró que un agujero negro emite espontáneamente radiación térmica —hoy denominada “radiación de Hawking”— mediante un proceso cuántico. El teorema de Christodoulou-Hawking falla ante ese fenómeno (la masa del agujero negro y, por tanto, el área de su horizonte decrecen), pero la GSL ataja el problema: la entropía de la radiación emergente compensa la merma de la entropía del agujero negro, de manera que se conserva la GSL. En 1986 Rafael D. Sorkin, de
información detallada puede emerger del horizonte y escapar al mundo exterior. Con todo, un pedazo de materia deja algunos rastros cuando desaparece para siempre en un agujero negro. Su energía (contamos cualquier masa como energía, de acuerdo con la fórmula de Einstein E = mc 2) queda permanentemente reflejada en un incremento de la masa del agujero negro. Si la materia que absorbe orbitaba a su alrededor, el momento angular correspondiente se añadirá al momento angular del agujero negro. Tanto la masa como el momento angular del agujero negro son mensurables gracias a sus efectos en el espaciotiempo de los alrededores del agujero; así, los agujeros negros respetan las leyes de conservación de la energía y del momento angular. En cambio, parece como si otra ley fundamental, la segunda ley de la termodinámica, se violase. La segunda ley de la termodinámica compendia algo conocido por todos: que la mayoría de los procesos natu-
enUniversidad la que el horizonte de Syracuse, bloquee se la inforapoyó mación interna del agujero e impida que influya en el exterior para demostrar que la GSL (o algo muy parecido a ella) tiene que ser válida en cualquier proceso concebible que sufran los agujeros negros. Su profundo argumento dejaba claro que la entropía a que se refiere la GSL coincide con la calculada en el nivel X, sea cual sea ese nivel. Con su proceso de radiación Hawking determinó la constante de proporcionalida d entre la entropía de un agujero negro y el área del horizonte: la entropía del agujero negro es exactamente una cuarta parte del área del horizonte de sucesos medida en áreas de Planck. (La longitud de Planck, unos 10 –33 centímetros, es la escala de longitud fundamental relacionada con la gravedad y la mecánica cuántica. Su cuadrado es el área de Planck.) Incluso desde un punto de vista termodinámico, se trata de una enorme cantidad de entropía. La entropía de un agujero negro de un centímetro de diámetro sería de unos 10 66 bits, aproximadamente igual a la entropía termodinámica de un cubo
Una unidad de entropía
LA INFORMACIÓN
rales son irreversibles. Una taza de té cae de la mesa y se rompe; nadie ha visto jamás que los trozos salten del suelo y recompongan la taza. La segunda ley de la termodinámica prohíbe la inversión del proceso. Establece que la entropía de un sistema físico aislado nunca decrece; en el mejor de los casos, permanecerá constante; por lo normal, aumentará. Esta ley es esencial para la físico-química y la ingeniería; cabe sostener que es la ley física que más se tiene en cuenta fuera de la propia física. Tal y como explicó Wheeler, con la materia que cae en un agujero negro desaparece también su entropía; diríase que así se supera y arrumba la segunda ley. Una idea de cómo podía resolverse este problema llegó en 1970. Demetrious Christodoulou, entonces estudiante de doctorado de Wheeler en Princeton, y por otra parte Stephen W. Hawking, de la Universidad de Cam bridge, demostraron que en varios procesos, entre ellos la fusión de dos agujeros negros,
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de agua de 10.000 millones de kiló metros de lado. a GSL nos permite establecer cotas de la capacidad de información de cualquier sistema físico aislado, límites que se refieren a la información en todos los niveles de estructura, hasta el X. En 1980 empecé a estudiar la primera de tales cotas; la “cota de entropía universal”, así se llama, limita la entropía que puede contener una determinada masa de un tamaño concreto. Una idea afín, la cota holográfica, fue apun-
masa aislada, aproximadamente esférica, que no fuese un agujero negro y que cupiera dentro de una superficie cerrada de área A . Si la masa puede contraerse hasta convertirse en un agujero negro, éste acabará con un horizonte de área menor que A; su entropía será, por tanto, menor que A/4. Según la GSL, la entropía del sistema no puede decrecer; por tanto, la entropía de la masa srcinal no pudo haber sido mayor que A/4. En consecuencia, la entropía de un sistema físico aislado limitado por un área A es necesariamente menor que A/4. ¿Qué sucede si la masa no
La cota es, por tanto, independiente de la constitución del sistema o de la naturaleza del nivel X. Sólo depende de la GSL. Podemos ahora responder alguna de las cuestiones espinosas sobre los últimos límites del almacenamiento de información. Un dispositivo que mida un centímetro de diámetro podría, en principio, contener hasta 10 66 bits. El universo visible contiene por lo menos 10 100 bits de entropía, que cabría en principio almacenar dentro de una esfera de una décima de año luz de diámetro. Estimar la entropía del universo es un problema
tada 1995 por Leonard Susskind, de la en Universidad de Stanford. Limita cuánta entropía pueden contener la materia y la energía que ocupen un determinado volumen de espacio. En su trabajo sobre la cota holográfica, Susskind consideró cualquier
sufre gravitatorio espontáneoun quecolapso la convierta en un agujero negro? En el año 2000 demostré que con un pequeño agujero negro podía convertirse el sistema en un agujero negro no muy diferente del considerado en el argumento de Susskind.
difícil, sin embargo; parecen verosímiles números mucho mayores, que requerirían una esfera casi tan grande como el propio universo. Pero hay otro aspecto de la cota holográfica que sorprende: la máxima entropía posible depende del área de
El mundo, un holograma
L
Límites de la densidad de información Area de la superficie A Agujero negro
a
b Diámetrod
Masa m engullida por un agujero negro
Masa M
c
Masa M +
10 70 ) s it b ( n ó i c a m r o f in e d d a id c a p a C
10 60
Cota holográfica
10 50 Cota de entropía universal (de un objeto de la densidad
10 40
) a ic f á r g ( E C A R G E I R U A L / N IA J A M A K . T D E R F L A
20
del agua)
10 30
Litro de agua (entropía termodinámica)
10 20 10 10 1
Internet Biblioteca CD del Congreso de música
Cromosoma humano
10 – 4 0,01
1
100
10 4
10 6
10 8
m
a termodinámica de los agujeros negros permite deducir cotas de la densidad de entropía o información en diversas circunstancias. La cota holográfica define cuánta información puede albergar una determinada región del espacio. Para averiguarlo, se considera una distribución de materia aproximadamente esférica incluida en el interior de una superficie de área A. Se provoca que esa materia colapse y forme un agujero negro (a). El área del agujero negro será menor que A; su entropía no deberá, pues, llegar a A/4. Debido a que la entropía no puede menguar, se infiere que la distribución srcinal de materia también deberá tener menos de A/4 unidades de entropía o información. Este resultado —que el máximo contenido de información de una cierta región del espacio viene determinado por su área— desafía la expectativa del sentido común, a tenor del cual la capacidad de una región debería depender de su volumen. La cota universal de la entropía define cuánta información puede contener una masa m de diámetro d. Para deducirla, hay que imaginar que una cápsula de materia es engullida por un agujero negro no mucho mayor que ella ( b). El aumento del tamaño del agujero negro establece un límite a cuánta entropía pudo haber contenido la cápsula. Este límite es más estricto que la cota holográfica, salvo cuando la densi-
L
dad de la cápsula se aproxima a la del agujero negro, en cuyo caso las dos cotas coinciden. La capacidad de almacenamiento de datos de cualquier técnica existente se halla muy lejos de ambas cotas, que superan también en mucho a la densidad de información de los cromosomas y la entropía termodinámica del agua ( c ).
Tamaño ( centímetros)
TEMAS 36
2. EL CONTENIDO DE INFORMACION de un montón de chips de ordenador aumenta en proporción al número de chips; dicho de otro modo: aumenta con el volumen que ocupe. Esta simple regla fallará para un montón de cierto tamaño: en cierto momento, la información superará la cota holográfica, que la liga al área del montón, no al volumen. El “fallo” se producirá cuando el montón de chips, inmenso, se derrumbe sobre sí mismo y forme un agujero negro.
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la superficie que delimita el volumen y no de éste. Imaginemos que apilamos chips de memoria de ordenador. El número de transistores —la capacidad total de almacenamiento de datos— aumenta con el volumen del montón. Con éste, aumentará también la entropía termodinámica total de los chips. Pero es bien notable que la teórica capacidad final de información del espacio ocupado por el montón sólo aumente con el área superficial. Como el volumen aumen-
ras impreso en un pedazo de película bidimensional, lista para que se la regenere. El principio holográfico afirma que un análogo de esta maravilla visual es aplicable a la plena descripción física de cualquier sistema que ocupe una región tridimensional: otra teoría física, definida sólo en el límite bidimensional de la región, describirá por completo la física tridimensional. Si un sistema tridimensional completo puede ser plenamente descrito por una teoría física
nido de información del sistema no exceda del contenido de la descripción limitada al contorno.
un más ta momento deprisa en que quelaelentropía área, llegará de los chips sobrepasará la cota holográfica. Parecería entonces que, o bien la GSL, o bien nuestras ideas corrientes de entropía y de capacidad de información, fundadas en el sentido común, tendrían que fallar. Pero lo que fallaría sería el propio montón: se derrumbaría bajo su propia gravedad y formaría un aguj ero negro antes de que se alcanzara el callejón sin salida. Cada chip adicional de memoria aumentaría la masa y el área superficial del agujero negro de manera que se respetase la GSL. Este sorprendente resultado —que la capacidad de información depende del área superficial— tiene una explicación natural si es cierto el prin cipio holográfico (propuesto en 1993 por el Nobel Gerard ‘t Hooft, de la Universidad de Utrecht, y elaborado por Susskind). En el mundo ordinario, un holograma es una clase especial de fotografía que genera una auténtica imagen tridimensional cuando se la ilumina de la manera adecuada. Toda la información que describe la imagen tridimensional va codificada en un diagrama de luz y zonas oscu-
definida sólo mensional, se en esperará su contorno que el contebidi-
que se aplicaríadel tridimensional en espacio-tiempo, algún contorno
LA INFORMACIÓN
Un universo pintado sobre su contorno
¿P
odemos aplicar el principio holográfico a todo el universo? El universo real es un sistema tetradimensional: tiene volumen y se extiende en el tiempo. Si la física de nuestro universo fuese holográfica, habría otro conjunto de leyes físicas,
3. NUESTRA PERCEPCION INNATA de que el mundo es tridimensional podría resultar una extraordinaria ilusión. N IA J A M A K . T D E R F L A
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Un espacio-tiempo holográfico
E
l principio holográfico convierte en equivalentes a dos universos de distinta dimensión que obedecen leyes físicas dispares. Se ha encontrado matemáticamente un ejemplo de esta situación en cierto tipo de espacio-tiempo (el antiDe Sitter) de cinco dimensiones y su contorno de cuatro dimensiones. El universo pentadimensional queda registrado como un holograma en su superficie periférica tetradimensional. La teoría de supercuerdas rige el espacio-tiempo pentadimensional y una “teoría de campos conformes contetradimensional. partículas puntuales”, el holograma Un agujero negro del espacio-tiempo pentadimensional equivale a radiación caliente en el holograma; de ese modo, el agujero y la radiación tienen la misma entropía a pesar de que el srcen físico de ésta difiere por completo en cada caso. Aunque estas dos descripciones del universo parecen distintas, ningún experimento podría diferenciarlas, ni siquiera en principio.
Espacio-tiempo plano de 4 dimensiones (holograma)
Espacio-tiempo anti-De Sitter de 5 dimensiones Supercuerdas
Agujero negro
Campos conformes
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Radiación caliente
equivalente a nuestra conocida física tetradimensional. Aún no sabemos de ninguna tal teoría tridimensional que actúe de esta manera. Y ¿qué superficie deberíamos usar como contorno del universo? Estudiar modelos más
ter, los teóricos han encontrado una realización concreta del principio holográfico: un universo descrito por la aplicación de la teoría de supercuerdas a un espacio-tiempo anti-De Sitter equivale a una teoría cuántica de cam-
sistible prejuicio de “sentido común” a favor de una u otra descripción, de la misma manera que nuestros cerebros construyen una innata percepción de que nuestro universo tiene tres dimensiones espaciales.)
un paso hacia sencillos que nuestro la realización universodereal estas es ideas. Una clase de ejemplos concretos del principio holográfico en acción la constituyen los espacio-tiempos antiDe Sitter. El espacio-tiempo de De Sitter srcinal consiste en un modelo de universo obtenido por Willem de Sitter en 1917, una solución de las ecuaciones de Einstein que incluye una fuerza repulsiva, la “constante cosmológica”. El espacio-tiempo de De Sitter está vacío, se expande a un ritmo acelerado y es muy simétrico. En 1997, de la observación de explosiones de supernova distantes se dedujo que nuestro universo se expande aceleradamente; es probable que en el futuro se vaya pareciendo cada vez más a un espaciotiempo de De Sitter. Pero si en las ecuaciones de Einstein la repulsión se convierte en atracción, de la solución de De Sitter se pasa a un espacio-tiempo anti-De Sitter, no menos simétrico y que cuenta con un contorno localizado en “el infinito” que se parece mucho a nuestro espaciotiempo habitual. Con el espacio-tiempo anti-De Sit-
espacio-tiempo. pos que opera enAsí, la frontera toda la majestad de dic ho de la teoría de supercuerdas en un universo anti-De Sitter está pintada sobre el contorno del universo. Juan Maldacena, ahora en la Universidad de Harvard, conjeturó tal relación en 1997 para un anti-De Sitter pentadimensional; luego lo confirmaron para muchas otras situaciones Edward Witten, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, y Steven S. Gubser, Igor R. Klebanov y Alexander M. Polyakov, de la Universidad de Princeton. Ahora se conocen ejemplos de esta correspondencia holográfica para espacio-tiempos de diversas dimensiones. Se establece así la equivalencia de dos teorías, en apariencia muy diferentes, que ni siquiera actúan en espacios de la misma dimensión. Las criaturas que vivieran en uno de estos universos serían incapaces de determinar si habitaban en un universo pentadimensional descrito por una teoría de cuerdas o en uno tetradimensional descrito por una teoría cuántica de campos con partículas puntuales. (Las estructuras de sus cerebros les podrían inducir un irre-
fica, Gracias en vezade la un equivalencia difícil cálculo holográen el espacio-tiempo frontera tetradimensional, como los relativos a quarks y gluones, puede efectuarse otro más sencillo en el muy simétrico espaciotiempo anti-De Sitter de cinco dimensiones. La correspondencia funciona también en el otro sentido. Witten ha demostrado que un agujero negro en un espacio-tiempo anti-De Sitter corresponde a una radiación caliente en la física alternativa que opera en el espacio-tiempo frontera. La entropía del agujero, un concepto profundamente misterioso, es igual a la entropía de la radiación, que es muy corriente.
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El universo en expansión
ltamente simétrico y vacío, el universo anti-De Sitter pentadimensional es muy distinto de nuestro universo tetradimensional, lleno de materia y radiación, escenario de sucesos violentos. Incluso cuando describimos de manera sólo aproximada nuestro universo real como uno dotado de materia y radiación distribuida s uniformemente, no obtenemos un universo anti-De Sitter, sino un univer-
A
TEMAS 36
so de Friedmann-Robertson-Walker (FRW). Hoy en día, la mayoría de los cosmólogos coinciden en que nuestro universo se parece a un FRW, mundo infinito, sin frontera, que se irá expandiendo por siempre jamás. ¿Concuerda un tal universo con el principio holográfico o con la cota holográfica? El argumento de Susskind, basado en un colapso creador de un agujero negro, no nos ayuda aquí. La cota holográfica deducida de los agujeros negros debe fallar en un universo uniforme en expansión. La entropía de una región uniformemente llena de materia y radiación es, sin
tiene. Bousso también ha demostrado que su estrategia sirve para encontrar superficies bidimensionales en las que se puedan inscribir los hologramas del mundo. Aug ur ios de una revolución
S
e han propuesto muchas otras cotas de la entropía. La proliferación de variaciones de la idea holográfica deja claro que no ha alcanzado aún la categoría de ley física. Pero aunque no se entienda todavía del todo el planteamiento holográfico, parece que arraigará. Y de su mano
duda, a su volumen. regiónproporcional lo bastante grande violaríaUna por tanto la cota holográfica. En 1999 Raphael Bousso, entonces en Stanford, propuso una cota holográfica modificada; se ha ido comprobando su validez incluso en situaciones en las que no pueden aplicarse las cotas de las que hemos hablado antes. La formulación de Bousso parte de cualquier superficie bidimensional adecuada, cerrada como una esfera o abierta como una hoja de papel. Hay que imaginar a continuación breves destellos de luz que salgan simultánea y perpendicularmente de toda una cara de la superficie. La única c ondici ón es que eso s imagi narios rayos de luz converjan. La luz emitida por la superficie interior de una capa esférica, por ejemplo, satis-
viene la convicción de fundamenque deberá abandonarse la creencia tal, imperante durante medio siglo, en que la teor ía de campos es e l lenguaje final de la física. Los campos, el electromagnético por ejemplo, varían continuamente de un punto a otro; comprenden por tanto una infinidad de grados de libertad. La teoría de supercuerdas también abarca un número infinito de grados de libertad. La holografía restringe los grados de libertad del interior de una superficie delimitadora a un número finito; la teoría de campos, con su infinitud, no puede ser la última palabra. Aun cuando se controlase la infinitud, habría que encajar la misteriosa ligazón entre la información y el área. La holografía puede ser una guía
tonces face este la requisito. entropía de Selaconsidera materia yenla radiación que atraviesan estos imaginarios rayos hasta llegar a los puntos donde se cruzan. Bousso conjeturó que no puede superar la representada por la superficie inicial: un cuarto de su área, medida en áreas de Planck. Esta forma de medir la entropía difiere de la usada en la cota holográfica srcinal. La cota de Bousso no se refiere a la entropía de una región en un tiempo, sino a la suma de entropías de lugares en una diversidad de tiempos: los que son “iluminados” por los destellos de luz que salen de la superficie. La cota de Bousso subsume otras cotas de entropía, a la vez que evita sus limitaciones. Tanto la cota de entropía universal como la forma de ‘t Hooft-Susskind de la cota holográfica se pueden deducir de la de Bousso para cualquier sistema aislado que no evolucione rápidamente y cuyo campo gravitacional no sea intenso. Cuando estas condiciones se superan —como en el caso de una esfera de materia que colapsa ya dentro de un agujero negro—, aquellas cotas fallan, mientras que la de Bousso se man-
será launa hacia teoría teoría fundamental? mejor. ¿De qué La cadena tipo de razonamientos relativa a la holografía sugiere a algunos, especialmente a Lee Smolin, del Instituto Perímetro de Física Teórica, en Waterloo, que no deberá referirse a campos, ni tampoco al espacio-tiempo, sino al intercambio de información entre procesos físicos. Si es así, la idea de que el mundo está hecho de información habrá encontrado un digno vehículo.
LA INFORMACIÓN
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA BLACK HOLE THERMODYNAMICS. Jacob D. Bekenstein en Physics Today, vol. 33, número 1, pág. 24-31; enero 1980. B LACK H OL ES AN D T IM E W ARPS : E IN STEIN ’S OUTRAGEOUS L EGACY . Kip S. Thorne. W. W. Norton, 1995. LOS AGUJEROS NEGROS Y LA PARADOJA DE LA INFORMACIÓN. Leonard Susskind, en Inve sti gaci ón y Cien cia, págs. 12-18; junio 1997. THE UNIVERSE IN A NUTSHELL . Stephen Hawking. Bantam Books, 2001. THREE ROADS TO QUANTUM GRAVITY. Lee Smolin. Basic Books, 2002.
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Un Alan Turing desconocido Este británico genial, célebre por la máquina, el test y la tesis que llevan su nombre, fue también precursor de las redes neuronales y de la “hipercomputación” B. Jack Copeland y Diane Proudfoot
A
lan Mathison Turing concibió la máquina computadora moderna en 1935. Todos los ordenadores hoy en servicio son, a la postre, “máquinas de Turing”. Matemático, precursor y pionero de la inteligencia artificial, propuso el criterio o test de Turing, como medio para determinar si un ordenador, adecuadamente programado, es capaz de pensar. Durante la Segunda Guerra Mundial, intervino en la desencriptación del código alemán Enigma, integrado en una operación británica ultrasecreta que, según los historiadores, adelantó dos años el final de la guerra. A su muerte, a los 41, Turing estaba emprendiendo los primeros trabajos sobre
todos realizamos sin esfuerzo, como reconocer rostros o leer textos escritos a mano, han resultado diabólicamente difíciles de programar. Tal vez las redes de neuronas que constituyen nuestro cerebro posean una facilidad natural para realizar estas tareas, facultad de la que carecen los ordenadores normales. De ahí el interés por las computadoras inspiradas en el cerebro humano. El conexionismo estudia la computación mediante redes de neuronas artificiales. Los investigadores suelen remedar las neuronas y sus interconexiones programándolas en ordenadores digitales ordinarios (al igual que los ingenieros crean modelos vir-
cial”, lo quesimulando ahora se llamaría los procesos “vidaquímiartificos del desarrollo biológico. Pese a su sobresaliente carrera, nunca mostró especial interés en dar difusión a sus ideas. Y así, aspectos importantes de su trabajo no han recibido la atención debida o han sido olvidados con el paso de los años. En concreto, son pocos, incluso en las ciencias de cómputo, los familiarizados con las fascinantes previsiones de Turing en el conexionismo, es decir, en la computación mediante redes neuronales. También han sido despreciadas sus nociones teoréticas en el apasionante campo de la “hipercomputación”, en el que abrieron tierras vírgenes. A decir de algunos, las hipercomputadoras podrían algún día resolver problemas hasta ahora tenidos por inabordables.
nes). Un tuales dealgoritmo rascacielos deo de entrenamiento, alas d e avioinstalado en el ordenador, ajusta las conexiones entre las neuronas, afinando la red hasta convertirla en una máquina específica y dedicada a una función determinada, como la predicción de los mercados internacionales de divisas. Para los conexionistas modernos, el fundador de su metodología es Frank Rosenblatt, quien publicó en 1957 el primero de muchos artículos sobre este tema. Pocos saben, sin embargo, que Turing había investigado ya las redes conexionistas en 1948, en un artículo titulado “Intelligent Machinery”, apenas conocido. El manuscrito, preparado mientras trabajaba para el Laboratorio Nacional de Física de Londres, no obtuvo el beneplácito de esta institución. Sir Charles Darwin, nieto del naturalista, que dirigía el laboratorio como si fuera un colegio, desdeñó el trabajo, calificándolo de “ensayo de escolar”. En realidad, este artículo, de largas miras, constituía el primer manifiesto en el campo de la inteligencia artificial. En ese trabajo, inédito hasta 1968, pasados catorce años
L
os ordenadores digitales son excelentes trituradores de números. Pidámosles que pronostiquen la trayectoria de un cohete o que calculen los parámetros financieros de una firma multinacional y nos facilitarán la respuesta en segundos. En cambio, acciones en apariencia sencillas, que 24
de la muerte de Turing, no sólo establecía los fundamentos del conexionismo, sino que introducía también muchos conceptos que más adelante constituirían nociones principales en inteligencia artificial, en algunos casos, tras reinvención por otros. En el artículo, Turing ideaba una suerte de red neuronal a la que dio el nombre de “máquina inorganiz ada de tipo B”. Consistía en neuronas artificiales y dispositivos que modificaban las conexiones entre ellas. Las máquinas de tipo B pueden contener neuronas conectadas atendiendo a una configuración cualquiera, con la condición de que cada conexión entre neuronas haya de pasar por un dispositivo modificador. odos los modificadores de conexión tienen dos fibras de entrenamiento. La aplicación de un impulso a una de ellas sitúa al modificador en el “modo de paso”, en el cual una entrada —sea un 0 o un 1— atraviesa el modificador sin sufrir perturbación y se convierte en la salida. En cambio, la aplicación de un impulso a la otra fibra hace entrar al modificador en “modo de interrupción”, en el cual la salida es siempre 1, con indepen dencia de la entr ada. En este estado, el modificador destruye toda la información que trate de pasar por la conducción a la que está ligado. Definido su estado, cada modificador mantendrá su función (sea la de paso, sea la de interrupción) hasta que reciba un impulso por la otra fibra de entrenamiento. La presencia de estos ingeniosos modificadores de conexión hace posible el entrenamiento de una máquina inorgánica de tipo B
T
ALAN TURING a los 35 años, en la época en que escribió “Intelligent Machinery”.
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A R R E T A L G N I , E G D I R B M A C / . D T L S N O S N A R E F F E H . W
COLABORADORES DE ESTE NUMERO Asesoramiento y traducción:
Luis Bou: Los orígenes del código binario, Un Alan Turing desconocido, DVD, ¿Son perdurables los documentos digitales?, La crisis de las memorias masivas y Criptografía para Internet; Ramón Pascual: La información en el universo holográfico; Juan Pedro Adrados: Nanounidades de memoria; Xavier Roqué: El primer siglo de las memorias magnéticas Portada:Jeff
Brice
INVESTIGACION Y CIENCIA DIIRECTOR GENERAL José M.ª Valderas Gallardo DIRECTORA FINANCIERA Pilar Bronchal Garfella EDICIONES Juan Pedro Campos Gómez
Casas Capón PRODUCCIÓNLaia M.aTorres Cruz Iglesias
Bernat Peso Infante SECRETARÍA Purificación Mayoral Martínez ADMINISTRACIÓN Victoria Andrés Laiglesia SUSCRIPCIONES Concepción Orenes Delgado Olga Blanco Romero EDITA Prensa Científica, S. A. Muntaner, 339 pral. 1. 08021 Barcelona (España) Teléfono 934 143 344 Telefax 934 145 413 www.investigacionyciencia.es
tradas es 0.laSisalida ambasesentradas son 1, entonces 0. Turing optó por la operación NAND porque cualquier otra operación lógica (o booleana) puede realizarse por grupos de neuronas NAND. Demostró, además, que los propios modificadores de conexión pueden construirse a partir de neuronas NAND. Especificó, pues, una red constituida exclusivamente por neuronas NAND y sus fibras
a
SCIENTIFIC AMERICAN EDITOR IN CHIEF John Rennie EXECUTIVE EDITOR Mariette DiChristina MANAGING EDITOR Ricki L. Rusting SENIOR EDITOR Michelle Press NEWS EDITOR Philip M. Yam SPECIAL PROJECTS EDITOR Gary Stix SENIOR WRITER W. Wayt Gibbs EDITORS Mark Alpert, Steven Ashley,
E
n un artículo que permaneció inédito hasta 14 años después de su muerte ( arriba ) Alan Turing describía una red de neuronas artifi-
Graham P. Collins, Carol Ezzell, Steve Mirsky y George Musser Richard Hunt GENERAL MANAGER Michael Florek VICE PRESIDENT AND MANAGING DIRECTOR, INTERNACIONAL Dean Sanderson PRODUCTION EDITOR
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ISSN: 1135-5662
mediante lo que Turing denominaba “interferenci a adecuada, que remede la educación”. Para Turing, “la corteza cerebral infantil constituye una máquina inorgánica, susceptible de organización mediante un entrenamiento interfirente adecuado”. Cada una de las neuronas del modelo de Turing cuenta con dos fibras de entrada, y la salida de la neurona es una función lógica sencilla de sus dos entradas. Cada neurona de la red ejecuta una misma operación lógica, la negación de la conjunción; es decir, “no-y” o NAND en la jerga. En ella, la salida es 1 si al menos una de las en-
ciales conectadas al de azar. “máquina inorgánica tipoEn B” (esta abajo , iz qui erd a ), cada conexión pasa por un modificador ajustado, sea para dejar que los datos fluyan inalterados ( fibra verde ), sea para destruir la información transmitida ( fi bra roja ). Cambiando los estados de los modificadores, por conmutación de sus modos, se puede adiestrar a la red. Observemos que cada neurona tiene dos entradas ( recuadro inferior ) y ejecuta una operación lógica sencilla, la negación de la conjunción (“no-y”, o NAND): si ambas entradas son 1, la salida es 0; si no, la salida es 1. En la red de Turing las neuronas se interconectan libremente. En las redes modernas ( abajo, centro ) se restringe el flujo de información de una capa de neuronas a la siguiente. Los conexionistas ambicionan simular las redes nerviosas del cerebro ( abajo, derecha ).
Dep. legal: B. 32.350 – 1995
Imprime Rotocayfo-Quebecor, S.A. Ctra. de Caldes, km 3 - 08130 Santa Perpètua de Mogoda (Barcelona) Printed in Spain - Impreso en España
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de conexión, el modelo más sencillo posible quizá de la corteza cerebral. osenblatt, en 1958, definió la base teórica del conexionismo en un sencillo enunciado: “La información almacenada adopta la forma de nuevas conexiones, o canales de transmisión en el sistema nervioso (o la creación de condiciones que son funcionalmente equivalentes a nuevas conexiones)”. Dado que la destrucción de conexiones existentes puede ser funcionalmente equivalente a la creación de otras nuevas, podemos construir una red destinada a reali-
de paso, ora de interrupción. Durante el entrenamiento, se destruyen las conexiones indeseadas, haciendo pasar sus correspondientes modificadores al modo de interrupción. Recíprocamente, se crea una conexión con el cambio de estado de un modificador, llevándolo de interrupción a paso. Mediante esta entresaca selectiva de conexiones, la red, inicialmente aleatoria, se adapta y convierte en una red organizada para una tarea dada. Turing deseaba investigar máquinas inorgánicas de otros tipos. Anhelaba simular una red neuronal y su
ral. (Hasta 1954, año de la muerte de Turing, no consiguieron Belmont J. Farley y Wesley A. Clark hacer funcionar la primera simulación computarizada de una pequeña red neuronal, en el MIT.) A Turing, sin e mba rgo, le basta ron lápiz y papel para demostrar que una red neuronal de tipo B, de cierto tamaño, puede ser configurada (merced a sus modificadores de conexión) para así constituir un ordenador de usos generales. Este descubrimiento ilumina uno de los problemas fundamen tales de la cognición humana.
zar de otradeterminada que tenga untarea excesopartiendo de conexiones y destruyendo selectivamente algunas de ellas. Estas dos acciones —destrucción y creación — se emplean en el entrenamiento de los tipos B de Turing. En el instante inicial, los tipos B contienen conexiones interneuronales aleatorias, cuyos modificadores se han ajustado al azar ora en modo
régimen entrenamiento dose de undeordenador digitalvaliénordinario. Se proponía dejar “que el sistema completo funcionase durante un período apreciable, y después entrar en él, a la manera de un ‘inspector de enseñanza’, y ver qué progresos se habían realizado”. Pero acometió su trabajo sobre redes neuronales antes de la introducción de los primeros ordenadores electrónicos de uso gene-
En la cognición, en superestructura, participanvista procesos secuenciales complejos, muchas veces, con el concurso del lenguaje o de otras formas de representación simbólica, como en los cálculos matemáticos. Mas, considerada de abajo arriba, la cognición es un disparo de neuronas. La ciencia de la cognición se enfrenta al problema de reconciliar estas dos perspectivas, tan diferentes.
R
Turing, precursor del conexionismo
)
[... ser considerado por un hombre como organizada y por otro, como inorgánica. Un ejemplo típico de máquina inorgánica sería como sigue. La máquina está formada por N, un número bastante grande de unidades similares. Cada unidad tiene dos terminales de entrada; posee un terminal de salida que puede conectarse a los terminales de entrada de otras (0 o más) unidades. Podemos imaginar que, para cada entero r, 0 ≤ r ≤ N, se eligen al azar dos números i(r) y j(r)...]
LA INFORMACIÓN
a h c e r e d , o j a b a ( . C IN D L O N R A R E T E P ;) a b ir r a ( E G D I R B M A C E D D A D I S R E V I N U A L E D A C E T IO L IB B , S E V I H C R A N R E D O M E G E L L O C S ’ G IN K ; s) o j u b i d ( E R O O M M O T
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El cómputo de lo incomputable: el oráculo lan Turing demostró que su máquina universal —y por extensión, los ordenadores más potentes de nuestros días— jamás podrían resolver ciertos problemas. Por ejemplo, una máquina universal de Turing no puede determinar en todos los casos si determinado programa informático dará fin o si continuará funcionando eternamente. En algunos casos, lo más que la máquina universal puede hacer es ejecutar el programa y esperar —eternamente, tal vez— a que concluya. Pero en su tesis doctoral ( abajo ), Turing sí imaginó que una máquina equipada con un “oráculo” especial podría llevar a cabo esta y otras tareas “no computables”. He aquí un ejemplo del modo en que, en principio, podría funci onar un oráculo.
A
Imaginemos un máquina hipotética ideada para( resolver formidable problema del “programa concluyente” arribael ). Un CITA TOMADA DE LA TESIS DE TURING
PROGRAMA DE ORDENADOR
100001...001111 REPRESENTACION BINARIA DEL PROGRAMA
programa de ordenador puede representarse mediante una secuencia finita de unos y ceros. Esta secuencia de dígitos puede considerarse también como la representación binaria de un número entero, al igual que 1011011 es el equivalente binario de 91. El trabajo del oráculo puede reformularse así: “Dado un entero que representa un programa (para cualquier ordenador que pueda ser simulado por una máquina universal de Turing), emitir un ‘1’ si el programa llega a término; emitir un ‘0’, en caso contrario”. El oráculo consiste en un dispositivo medidor perfecto más un almacén, o memoria, que contiene un valor preciso —llamémoslo τ, en honor de Turing— de cierta magnitud física. (La memoria podría parecerse a un condensador que
E
l descubrimiento de Turing ofrece una posible solución: la corteza cerebral, por ser una red neuronal que actúa como un ordenador de usos
nos se reducen a estas máquinas universales. En 1935 se proponía idear una máquina —lo más sencilla posible—
un ejemplo de hipercomputadora que se da en la naturaleza. Antes de la reciente oleada de interés por la hipercomputación, toda
tuar el procesamiento generales, está capacitada secuencial para efec-y simbólico discernido en el examen superestructural. Esta hipótesis, muy por delante de su tiempo cuando la formuló en 1948, continúa siendo una de las mejores conjeturas de uno de los problemas más difíciles de las ciencias de la cognición. Turing concibió en 1935 el dispositivo abstracto que denominamos “máquina universal de Turing”. Consta de una memoria ilimitada, donde se almacenan programa y datos, y de un escáner, que avanza y retrocede por la memoria, examinándola símbolo a símbolo, leyendo la información y escribiendo símbolos adicionales. Cada una de las acciones fundamentales de la máquina es muy sencilla; son operaciones como “identificar el símbolo situado bajo el escáner”, “escribir un ‘1’” o “desplazar el escáner un lugar hacia la izquierda”. La complejidad se consigue concatenando estas acciones básicas . Pese a su simplicidad, una máquina universal de Turing puede ejecutar cualquier tarea factible por el más potente de los ordenadores de nuestros días. En verdad, todos los ordenadores digitales moder-
que efectuara capaz de realizar un matemático cualquier cómputo humano operando según un método algorítmico, sin limitación de tiempo, energía, papel y lápiz, y con una concentración perfecta. El calificativo “universal”, aplicado a una máquina de Turing, significa que la máquina es capaz de efectuar todos esos cálculos. Como escribió el propio Turing, “las computadoras electrónicas tienen la finalidad de llevar a cabo cualquier proceso definido y rutinario que pudiera ser realizado por un operador humano que trabajase de forma disciplinada, pero sin [hacer uso de su] inteligencia”. Tan poderosos dispositivos de cómputo suscitan una cuestión sugestiva: ¿es posible idear máquinas capaces de lograr más todavía? La respuesta es que tales “hipermáquinas” admiten descripción sobre el papel, pero hasta el momento nadie sabe si será posible construir una. El campo de la hipercomputación está atrayendo cada vez a mayor número de científicos. No faltan quienes especulen que el propio cerebro humano —el procesador de información más complejo que se conoce— es en realidad
ción que tarea de procesamiento se supiera demasiado de informadifícil para las máquinas universales de Turing era descartada, considerada “no computable.” En este sentido, una hipermáquina computa lo no computable. Podemos hallar ejemplos de tareas tales en las parcelas más sencillas de la matemática. Sean, por ejemplo, enunciados aritméticos tomados al azar; una máquina universal de Turing puede no ser capaz de determinar en todos los casos cuáles de ellos son teoremas (verbigracia, “7 + 5 = 12”) y cuáles no lo son (por ejemplo, “todo número par es suma de dos números pares”). Otro tipo de problema no-computable proviene de la geometría. Se dice que un conjunto de losetas —cuadrados de diversos tamaños y bordes de distintos colores— es “teselante” si es posible recubrir perfecta y completamente el plano euclídeo con reproducciones de las losetas, sin traslaparlas ni dejar rendijas, y de modo que los lados adyacentes sean siempre del mismo color. William Hanf y Dale Myers han descubierto un conjunto de losetas que pavimenta el plano, pero sólo
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programa cualquiera, escrito en C, por ejemplo, entrará en un bucle infinito. Si fuera posible construir hipercomputadoras —y el condicional tiene mucho de improbable— se abrirían enormes posibilidades de desventrar problemas lógicos y matemáticos hasta ahora considerados inabordables. De hecho, las ciencias de cómputo podrían estar acercándose a uno de sus avances principales desde que, hace decenios, se ensambló la primera concreción electrónica de una máquina universal de Turing. Por otra parte, el trabajo en hipercomputadoras puede irse al garete a falta
MEMORIA DEL ORACULO. CONTIENE τ = 0.00000001101...
8.735.439
0
EQUIVALENTE DECIMAL DEL NUMERO BINARIO
EL PROGRAMA NO DARA FIN
ORACULO
almacenase una cantidad exacta de carga eléctrica.) El valor de τ es un número irracional; su representación escrita consiste en una secuencia infinita de números binarios, como 0,00000001101. .. La propiedad crucial de τ estriba en que sus dígitos individuales representan con precisión los programas que terminan y cuáles no. Así, por ejemplo, si el entero que designa un programa fuera 8.735.439, el oráculo podría obtener por medición el 8.735.439-ésimo dígito de τ (contando de izquierda a derecha desde la coma decimal). Si ese dígito fuera un 0, el oráculo concluiría que el programa proseguiría eternamente. A falta de τ el oráculo no serviría de nada, y es muy posible que resulte imposible hallar en la naturaleza alguna variable física que tome este valor exacto. Por ello se está buscando alguna forma practicable de materializar un oráculo. De ser hallada, el impacto sobre las ciencias de cómputo podría ser enorme.
) a rd e i u q z i( S E V I H C R A N O T E C IN R P ;) s jo u b i d ( E R O
O M M O T
según configuraciones demasiado complicadas para que una máquina universal de Turing pueda calcularlas. En el campo de las ciencias de
grama codificado digitalmente, produce a partir de la entrada una salida digital sirviéndose de un procedimiento de aplicación paso a paso de
Turing nouna cómputo, es siempre máquinacapaz universal de prode nosticar si un determinado programa dará fin o si continuará funcionando eternamente. Este hecho se enuncia a veces diciendo que ningún lenguaje de programación de uso general (Pascal, BASIC, Prolog, C y demás) puede tener un depurador de errores absolutamente infalible: no puede existir un útil informático capaz de detectar todos los fallos capaces de provocar el atasco de la máquina , sin olvidar los errores que conducen a bucles de procesamiento infinitos. El propio Turing fue el primero en explorar la idea de una máquina capaz de realizar tareas matemáticas excesivamente difíciles para las máquinas universales de Turing. En su tesis doctoral (1938), defendida en Princeton, describió “una máquina de nuevo tipo”, la “máquina-O”. Una máquina-O es el resultado de ampliar una máquina universal de Turing con una caja negra, un “oráculo”, que es un mecanismo para llevar a cabo tareas no computables. En los demás aspectos, las máquinas-O son similares a los ordenadores actuales. La máquina, alimentada con un pro-
unaoperaciones las de las cuales básicas consiste de en la máquina, trasladar datos al oráculo y registrar su respuesta.
LA INFORMACIÓN
T
uring no facilitó ninguna indicación sobre el posible funcionamiento de un oráculo. (Ni tampoco explicó de qué modo podrían tener lugar las operaciones básicas de una máquina universal de Turing; por ejemplo, “identificar el símbolo del escáner”.) Pero no resulta difícil imaginar mecanismos nocionales que cumplan las especificaciones de la caja negra de una máquina-O. En principio, incluso una red neuronal de tipo B adecuada es capaz de computar lo incomputable, siempre que la actividad de las neuronas no esté sincronizada. (Cuando un reloj central se encarga de marcar el paso de las neuronas, el funcionamiento de la red puede simularse con exactitud por una máquina universal de Turing.) En la exótica teoría matemática de la hipercomputación, tareas como la de distinguir los teoremas de los noteoremas dejan de ser incomputables. Cabe, en principio, un depurador capaz de determinar si un
de algún modo de materializar un oráculo. La búsqueda de fenómenos físicos, químicos o biológicos idóneos está en marcha. Quizá la solución se encuentre en moléculas complejas o en otras estructuras que se concatenen según configuraciones como las descubiertas por Hanf y Myers. O que, de acuerdo con lo sugerido por Jon Doyle, aparezcan de forma natural sistemas equilibrantes con espectros discretos de los que se pueda considerar que realizan, en principio, tareas incomputables, que produzcan una salida idónea (1 o 0, por ejemplo) tras ser bombardeados con entrada. Extramuros de la lógica matemática las máquinas-O de Turing han caído en el olvido, suplantadas por un mito. Según esta narración apócrifa, años treinta Turing demostró la imposibilidad a mediados de las los hipermáquinas. A Turing y a Alonzo Church se les atribuye erróneamente la formulación de un principio al efecto de que una máquina universal de Turing pueda simular exactamente el comportamiento de cualquier otra máquina de procesamiento de información. Esta proposición, amplia pero incorrectamente conocida por tesis de Church-Turing, implica que ninguna máquina puede llevar a cabo un procesamiento de información situado más allá del alcance de una máquina universal de Turing. La verdad es que Church y Turing se limitaron a afirmar que una máquina universal de Turing puede igualar el comportamiento de cualquier matemático humano que trabaje con lápiz y papel según un método algorítmico —afirmación harto más débil, que ciertamente no excluye la posibilidad de las hipermáquinas. Las contribuciones teoréticas de Turing, a pesar de su carácter pionero, permanecen ignoradas hasta por quienes se afanan en la construcción de hipercomputadoras. Los 29
expertos hablan de llevar el procesamiento de información “más allá del límite de Turing” y dicen de sí mismos que están tratando de “romper la barrera de Turing”. Un examen de este campo en emersión, publicado en New Scientist hace pocos años, afirma que las nuevas máquinas “trascienden la concepción de Turing” y son “computadoras de un tipo jamás contemplado por Turing”, como si el genio británico no hubiera concebido ya tales artilugios hace más de medio siglo. Diríase que lo ocurrido respecto a las ideas de Turing sobre el conexionismo torna a repetirse.
A
principios de los años cincuenta, próximo al final de su vida, Turing se asomaba al estudio de la vida artificial. Se proponía simular un mecanismo químico merced al cual los genes de un óvulo fecundado determinaran la estructura anatómica del futuro animal o planta. Investigación que, a su entender, “no estaba enteramente desconectada” del estudio de las redes neuronales, porque “la estructura cerebral ha de ser... conseguida por el mecanismo embriológico genético, y esta teoría en la que estoy trabajando puede dejar más claro cuáles son las restricciones que esto entraña”. Era el primero que se internaba en la exploración asistida por ordenador de sistemas dinámicos no lineales. Su teoría se valía lesecuaciones de para expresar diferenciales la químicanodel lineacrecimiento. Pero a mitad de estas investigaciones, que roturaban nuevos territorios, murió envenenado con cianuro; quizá se suicidó. El 8 de junio de 1954, poco antes del que hubiera sido su cuadragesimosegundo cumpleaños, Turing fue hallado muerto en su dormitorio. Había dejado una gran pila de notas manuscritas y algunos programas de ordenador. Transcurrido s decenios, no se ha desentrañado todavía ese valioso arsenal. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA INTELLIGENT MACHINERY. Alan Turing en Collected Works of A. M. Turing: Mechanical Intelligence . Compilación de
D. D. Ince. Elsevier Science Publishers, 1992. ON ALAN TURING’S ANTICIPATION OF CONNECTIONISM. B. Jack Copeland y Diane Proudfoot en Synthese, vol. 108, n.o 3, páginas 361-377; marzo de 1996. TURING’S O-MACHINES, S EARLE, P ENROSE AND THE B RAIN . B. Jack Copeland en Analysis, vol. 58, n.o 2, páginas 128-138; 1998.
ALMACENAR LA INFORMACION
Nanounidades de memoria Inventar un dispositivo nanotecnológico que se produzca industrialmente y les resulte útil a los consumidores es más complicado de lo que parece Peter Vettiger y Gerd Binnig
M
uchos ingenieros conocen la emoción de haber diseñado un producto nuevo que luego se utiliza por doquiera. Esperamos gozar dentro de dos años —creemos tener más de la mitad de las bazas a nuestro favor— un placer más raro: sacar a la venta un tipo de máquina del todo nuevo. Se habla mucho de nanotecnología en estos tiempos, la nueva frontera donde los entresijos de las máquinas no miden más que unas milmillonésimas de metro. La investigación en sistemas microelectromecáni cos
tátil de MP3. No almacenará unas docenas de megabytes de vídeo o audio, como las típicas tarjetas de memoria “flash” (microcircuitos de memoria permanente), sino varios gigabytes —cantidad suficiente para guardar un buen número de CD musicales o varias películas—. Se podrán borrar y reescribir datos en ella. Será bastante rápida y gastará una cantidad moderada de energía. Un nombre oportuno para el nuevo dispositivo es “nanounidad de memoria”. No es que esta primera aplicación carezca de interés, pero tampoco cabe
móviles microscópicas (SMEM) —dispositivosfabricadas de piezascon las mismas técnicas con que se construyen los chips informáticos— ha armado un gran revuelo , pese a que no ofrece todavía muchos productos comerciales. Como podemos atestiguar, ya que hemos invertido hasta ahora siete años en uno de los primeros proyectos encaminados a crear un dispositivo nanomecánico que pueda fabricarse en masa, a escalas tan diminutas la ingeniería y la investigaci ón científica se mezcl an de modo inextricable. Obstáculos inesperados aparecen en el camino que media entre los experimentos que indagan principios fundamentales, los prototipos operat ivos y, en última instancia, un producto que se venda bien. En IBM llamamos a nuestro proyecto Milpiés. Si seguimos por el buen camino, alrededor de 2005 se podrá comprar una tarjeta de memoria del tamaño de un sello de correos para la cámara digital o el reproductor por-
Ya hay decir que envaya el mercado a cambiar tarjetas el mundo. de memoria “flash” con un gigabyte de capacidad. Si Milpiés impresiona, es por otra razón: porque guarda los datos digitales de forma diferente del método seguido por los discos duros magnéticos, los discos compactos ópticos y los chips de memoria que inscriben los datos por medio de transistores. Después de décadas de progreso espectacular, esas técnicas veteranas han enfilado su recta final; ante ellas se alzan imponentes limitaciones físicas. Las primeras nanounidades, por el contrario, apenas rendirán una mínima parte de lo que llegarán a dar un día sus sucesoras; les quedan por delante décadas de mejora. Las futuras generaciones de dispositivos de la familia de Milpiés, cabe esperar, escribirán, leerán y borrarán bits que irán menguando hasta no ser más que moléculas sueltas, átomos incluso. Al reducirse, las partes móviles de las nanounidades trabajarán
PISTAS DE GRABACION. Matrices de pestañas dotadas de puntas graban sobre una superficie de plástico millones de bits en un espacio sumamente pequeño.
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S M IL F IM L S
con mayor rapidez y gastarán la energía con mejor rendimiento. La técnica Milpiés se aplicará en un principio, casi con toda seguridad, en dispositivos de almacenamiento de gran capacidad para cámaras, teléfonos móviles y otros dispositivos portátiles. Las tarjetas de las nanounida des fun ciona rán de la misma manera que las tarjetas de memoria “flash” en los aparatos actuales, pero ofrecerán una capacidad de varios gigabytes a un menor coste. Los milpiés quizá sean de gran utilidad para la ciencia de materiales o la biotecnología.
compañero de equipo, Heinrich Rohrer. Trabajaba en el laboratorio de Zúrich desde 1963, como uno de nosotros (Vettiger); había colaborado con el otro (Binnig) en la creación del microscopio de barrido de efecto túnel (MBT) en 1981, instrumento que satisfizo un viejo deseo: ver y manipular átomos sueltos. En 1996 buscábamos un nuevo proyecto en que embarcarnos. El ambiente había cambiado mucho. El principio de la década de 1990 fue difícil para IBM. Había liquidado su división de ciencia del láser, de la que Vettiger era uno de los directores. Binnig había
gen que, en los mejores casos, descubre cada átomo sobrevolado. Mientras Binnig obtenía las primeras imágenes de átomos individuales de silicio a mitad de la década de 1980, sin querer dejó en una ocasión que la punta siguiese golpeando la superficie. Quedaron pequeñas marcas en el silicio. Saltaba a la vista que un MBT o un MFA valdrían para guardar datos a escala atómica: una marca sería un 1, su ausencia, un 0. No obstante, las dificultades también estaban claras. La punta tiene que seguir el contorno del medio con procedimientos mecánicos; ésa es la razón
ce Ese unoslargo sietefuturo años. nos A loemocionó largo del hacamino, aprendimos que a veces la única forma de rodear un obstáculo es un descubrimiento afortunado. Por suerte, además de obstáculos inesperados hay también regalos inesperados. Parecen a veces una recompensa de la naturaleza a quienes se atreven a explorar nuevos terrenos. Pero en otras ocasiones la naturaleza no es tan gentil y para dar con la respuesta sólo se cuenta con las propias luces. Hemos tenido que trabajar para superar esos problemas, pero el esfuerzo no ha sido excesivo. Si en una etapa no teníamos ni idea de cómo afrontar un problema, quizás un año después encontrábamos una respuesta. En esos casos en que se espera que se pueda resolver el problema aunque aún no se sepa cómo,
cerrado laboratorio satéliteJunto en Múnich su y regresado a Zúrich. con Rohrer, hicimos por ver de qué maneras cabría aplicar el MBT u otras técnicas de exploración por barrido, en concreto el microscopio de fuerza atómica (MFA), al mundo de puertas afuera de la ciencia. El MFA, inventado por Binnig y desarrollado con Christoph Gerber, del laboratorio de Zúrich, y Calvin F. Quate, de la Universidad de Stanford, es la técnica de barrido local más utilizada. Como el MBT, el MFA se fundó en un método radicalmente nuevo en microscopía. En lugar de magnificar objetos por medio de lentes que guían haces de luz o de captar electrones que rebotan en el blanco, un MFA arrastra despacio sobre la superficie del objeto observado una minúscula pes-
de la lentitud del barrido comparación con el veloz giro deenun disco duro o los nanosegundos en que conmutan los transistores. Pronto salieron a luz otros pros y contras. Debido a la masa pequeñísima de las pestañas, el funcionamiento del MFA cuando la punta entra en contacto directo con el medio es mucho más rápido que el de un MBT o un MFA sin contacto, aunque no tanto como el almacenamiento magnético. Por otro lado, las puntas de un MFA de contacto se desgastan rápidamente cuando barren superficies metálicas; y lo más importante: una vez la punta ha impreso una marca, no hay forma obvia de “borrarla”. Un grupo encabezado por Dan Rugar había probado en el centro de Investigación de Almaden de IBM,
una buena intuición es lo que hace falta.
pea con taña, una ella. especie La pieza de palanca, lleva eno la sugolextremo una afilada punta, de menos de 20 nanómetros de ancho —unos cientos de átomos—. Cuando la pestaña pasa sobre los pozos y las crestas de la superficie (bien en contacto con ella, bien rozándola casi), un ordenador convierte su flexión en una ima-
impulsos en San José, de láser California, sobre la punta, a disparar para calentarla; se ablandaba con eso el plástico y la punta podía marcarlo. Consiguieron así grabaciones, del estilo de las impresas en un disco compacto, que almacenaban datos con una densidad superior a la de los actuales discos de vídeo digital (DVD). También realizaron exhaustivas pruebas de desgaste, con resultados muy prometedores. Pero el sistema era demasiado lento; además, ni borraba ni reescribía. Nuestro equipo esbozó un diseño que, creíamos, proporcionaría las características que faltaban. En lugar de usar una sola pestaña, ¿por qué no aprovechar la capacidad de los fabricantes de chips de construir miles, millones de piezas microscópicas idénticas en una oblea de silicio del tamaño de una uña? Un ejército de lentas puntas de MFA que trabajasen en paralelo —como las patas de un milpiés— podría leer o escribir datos con bastante rapidez. Ah í hizo falta más imaginación para prever una oportunidad de éxito que para concebir la idea misma. No siempre resulta fácil arreglárselas
Una idea disparatada
E
n cierto modo, Milpiés nació en un campo de fútbol. Jugábamos en el equipo del Laboratorio de Investigación de IBM en Zúrich, nuestro lugar de trabajo. Nos presentó otro
El proyecto Milpiés • Los actuales dispositivos de almacenamie
nto digital se aproximan a límites físicos que impedirán que sus capacidades aumenten. La nanounidad de memoria del proyecto Milpiés —un dispositivo micromecánico con componentes nanoscópicos— podría imponerse donde los otros no llegarán ya.
lee, escribe y borra datos en un medio polimérico con una matriz • Milpiés de pestañas o palancas diminutas. Para inscribir un uno digital, las puntas de las palancas marcan una depresión; la ausencia de muesca es un cero digital.
• Los primeros milpiés comerciales, con mucha probabilidad tarjetas de memoria del tamaño de un sello instaladas en aparatos electrónicos portátiles, deberían salir a la venta de aquí a dos años.
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TEMAS 36
Así funciona la nanounidad de memoria EL PROTOTIPO de nanounidad de memoria del proyecto Milpiés funciona como un diminuto fonógrafo. Las agujas de las nanoscópicas pestañas de silicio leen los datos inscritos en un medio polimérico. Una matriz de 4096 pestañas dispuestas reticularmente, dotadas de puntas que miran hacia arriba, está conectada a microcircuitos de control que convierten en ristras de bits la información codificada en los pozos analógicos. El polímero va suspendido de una plataforma de barrido por unos muelles de hoja de silicio; así, unos minúsculos imanes (no mostrados) y unas bobinas electromagnéticas desplazan el medio de almacenamiento a lo ancho de un plano, mientras lo mantienen nivelado sobre las puntas. Las puntas entran en contacto con el plástico porque las pestañas se flexionan hacia arriba (menos de una micra). Pestaña de silicio muy dopada
Medio de polímero Muelles de hoja de silicio
Plataforma de barrido
Actuadores de bobina electromagnética
Matriz de pestañas
Calefactor
Microcircuitos de enfilado y detección de bits Nitruro de silicio pretensado
Sustrato Polímero Corriente de borrado
Pestaña Corriente de escritura Pozo: profundidad 25 nm, anchura 40 nm (dimensiones máximas) ESCRITURA DE UN BIT Por medio del calor y de la fuerza mecánica, las puntas crean pozos cónicos en pistas lineales que representan series de “unos” digitales. Para producir un pozo, la corriente eléctrica circula a través de la pestaña; de esa forma se calienta una región dopada de silicio a 400 grados centígrados, que permite a la estructura pretensada del brazo flexionarse hasta hundir la punta en el polímero. La ausencia de pozo es un “cero”.
BORRADO DE UN BIT El último prototipo del proyecto Milpiés borra un bit existente calentando la punta a 400 grados centígrados y abriendo otro pozo justo al lado del pozo previamente grabado, que entonces se rellena (según se muestra). Otro método de borrado inserta la punta caliente en el pozo; el plástico recupera entonces su forma plana srcinal.
LECTURA DE UN BIT Para leer datos, las puntas se calientan primero hasta unos 300 grados centígrados. Cuando una punta de barrido encuentra un pozo y se introduce en él ( ), transabajo fiere calor al plástico. Así disminuyen su temperatura y su resistencia eléctrica, pero esta última sólo en una proporción mínima, alrededor de una parte en unos pocos miles. Un procesador digital de señal convierte esta señal de salida, o su ausencia, en una secuencia de datos derecha ( ).
Pozos grabados Corriente de exploración N IG S E D
IE T S I R H C N A Y R B
Secuencia de datos 1
00111110
10001010
10010111
0
Señal de salida 0
LA INFORMACIÓN
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ni siquiera con un solo MFA, y sin embargo confiábamos en que un dispositivo que recurría al paralelismo masivo, cargado de puntas, funcionaría fiablemente. Para empezar, necesitábamos al menos una forma de borrar, fuese o no elegante. Ya surgirían después, pensamos, otras soluciones. Desarrollamos un plan de borrado de grandes campos de bits. Los calentábamos por encima de la temperatura a la que el polímero comienza a fluir —como se alisa una superficie de cera cuando se la calienta con un soplador de aire c alien te—. Funcionaba
ese momento, descabellado nuestro proyecto. Aunque otros, por ejemplo el grupo de Quate en Stanford, estudiaban en esa época el almacenamiento de datos mediante MBT o MFA, nuestro proyecto era el único que pretendía integrar a gran escala multitud de sondas. Esperábamos que, si presentábamos un prototipo operativo en la undécima Reunión Internacional del IEEE (el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) sobre Sistemas Microelectromecánicos, que se iba a celebrar en enero de 1998 en Heidelberg, se nos devolvería el honor. Nos tuvimos que
área grande. Nos dio tanta confianza, que adoptamos una matriz mayor sin más dilación. Vettiger advirtió un grave problema en mayo de 1998, mientras daba una charla en el Laboratorio de Almaden de IBM. Exponía cómo se dispondrían las pestañas en filas y columnas regulares, conectada cada una a una rejilla de hilos eléctricos. Pero cuando quiso explicar cómo funcionaría este sistema, de pronto se dio cuenta de que de ninguna manera lo haría. Nada detendría la inmediata circulación de corriente eléctrica hacia todas partes; no habría forma, pues, de enviar
bien, teníaun suscampo, complicaciones: antespero de borrar no quedaba más remedio que transferir a otro campo todos los datos que habían de conservarse. (Después, como explicaremos, la naturaleza ofreció un método mucho mejor.) Con estas crudas ideas en mente, emprendimos nuestro proyecto multidisciplinar. Al trabajar los dos en un mismo equipo acoplamos dos departamentos de IBM, el de física y el de dispositivos (luego se fusiona-
conformar un prototipo casi rativo, unacon matriz de puntas de opecinco-por-cinco inserta en un área de 25 milímetros cuadrados. Esta estructura de funcionamiento en paralelo atinó a tomar imágenes, pero no a escribir. Habíamos ignorado un detalle técnico, insignificante pero fundamental: los hilos que conducían hasta los calefactores eran metálicos, demasiado finos para soportar la corriente que pasaba por ellos. Se fundieron inmediatamente,
una una palancadeconcreta. Elseñal flujo aincontrolado corriente no es un fenómeno desconocido cuando las unidades de una matriz se tienen que direccionar por filas y columnas. Una solución habitual consiste en conectar un conmutador transistor a cada unidad. Pero no nos era posible colocar los transistores en el mismo chip que las puntas; las puntas se afilan bajo un intenso calor, que destruiría los diminutos transistores. De nuevo en el laboratorio, proba-
Ultimo prototipo de Milpiés
rían en un único departamento de ciencia y tecnología). También se nos unieron Evangelos Eleftheriou y su equipo del departamento de sistemas de comunicaciones de nuestro laboratorio. Hoy colaboran con nosotros más grupos del departamento de investigación de IBM y de distintas universidades. Cuando se produce el encuentro de diferentes costumbres no se pueden evitar los malentendidos, al menos no al principio. Nos hemos beneficiado muchísimo, no obstante, de la mezcla de puntos de vista dispares. La brega
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o éramos expertos en SMEM. Quienes se dedicaban a los SMEM o trabajaban en la exploración por barrido habían considerado, hasta 36
M IB
como fusibles sobrecargados, debido a la electromigración en películas metálicas. Sobre electromigración había escritos suficientes; debíamos haber conocido su existencia. Este no fue nuestro único error, pero en nuestro grupo se admiten y corrigen rápidamente los fallos. A pesar de los contratiempos, los directores de nuestro laboratorio detectaron un progreso real. Nos permitieron doblar el tamaño del equipo; ahora comprendía ocho personas. El dispositivo de las 25 puntas nos había enseñado que teníamos que sustituir las conexiones de aluminio; en su lugar pusimos pestañas de silicio muy dopado. También descubrimos que era posible estabilizar la matriz de puntas bajo el medio de almacenamiento con gran precisión en un
mos toda clase de trucos para mejorar el control del flujo de corriente, ninguno de los cuales satisfizo a Vettiger. Cuanto mayor era la matriz, más importante se volvía este defecto. Un rápido cálculo y simulación por parte de Urs Dürig, integrante de nuestro equipo, mostró que para una matriz de 1000 unidades aún sería posible direccionar palancas individuales para la escritura; la lectura de las pequeñas señales de cada pestaña, sin embargo, fracasaría. Vettiger apenas durmió esa noche. El equipo estaba a punto de terminar el diseño del chip de una matriz de 1024 puntas. Vettiger les dijo que esperasen. Durante días el equipo peleó con el problema, hasta que por fin Vettiger y Michel Despont dieron con una respuesta práctica: instalar TEMAS 36
Más puntas en menos espacio EVOLUCIÓN DEL PROTOTIPO: El chip milpiés de primera generación contenía una matriz de 25 palancas en un cuadrado de cinco milímetros de lado ( abajo). El siguiente prototipo (derecha) incorporaba 1024 palancas en un cuadrado de tres milímetros.
M IB
un diodo Schottky (una vía eléctrica de un solo sentido) al lado de cada palanca. Este dispositivo, con su fuerte no linealidad, impediría que la corriente no deseada circulase hacia las demás pestañas. Reformamos el diseño y pronto dispusimos de nuestro segundo prototipo, una matriz de 32 por 32 puntas.
1024 pestañas funcionaron correctamente en el primer pase, y sólo hubo una estrecha zona “oscura” a lo largo del centro del campo de almacenamiento, que se produjo porque el chip se deformó al montarlo. Ni en sueños esperábamos tal éxito en tan temprana etapa del proyecto.
a la convección —movimiento circulatorio en un medio fluido, en este caso el aire, cuando el calor se transfiere entre dos objetos de diferente temperatura—. A escala microscópica, sin embargo, no existe la turbulencia; los objetos más fríos o más calientes alcanzan el equilibrio en unos microsegundos.
deEste nuestro prototipo empeño. demostró La totalidad la validez de las 1024 palancas salieron indemnes de la prueba. Se doblaban justo en la medida en que debían, de manera que aplicaban la fuerza correcta cuando se acoplaban a un medio de polímero blando llamado PMMA, que iba montado sobre un chip aparte, la plataforma de barrido. Unas bobinas electromagnéticas de cobre colocadas detrás de la plataforma de barrido lograron que la superficie de PMMA no se ladease demasiado cuando se desplazaba hacia la izquierda y hacia la derecha, hacia delante y hacia atrás sobre las puntas de las palancas. (Un nuevo explorador de barrido diseñado por Mark Lantz y Hugo Rothuizen ha reducido desde entonces la sensibilidad a la vibración, que constituía un problema.) Cada palanca de 50 micras de longitud tenía una pequeña resistencia en su extremo. Un impulso eléctrico enviado a través de la punta calentaba ésta hasta alrededor de 400 grados centígrados durante unos pocos microsegundos. Los resultados iniciales de nuestro segundo prototipo fueron prometedores. Más del 80 por ciento de las
De la Investigació n al Desarrollo
muy Este útil. resultado, Ahora podíamos inesperado, valernos resultó del mismo calefactor en cada palanca tanto para leer bits como para escribirlos. En lugar de tres o cuatro hilos por palanca, bastaban dos. Presentamos este segundo prototipo en el congreso del IEEE sobre SMEM de 1999. Esta vez, los asistentes quedaron más impresionados . Pero lo que realmente llamó la atención de los directivos de IBM fueron las imágenes de filas regulares de pozos que el milpiés había escrito en el polímero. Los pozos estaban separados sólo 40 nanómetros: unas 30 veces la densidad de las mejores unidades de disco duro del mercado. Poco después, a principios de 2000, el proyecto Milpiés cambió de carácter. Nos centramos en crear el prototipo de un sistema de almacenamiento. El equipo creció hasta contar con una docena de investigadores. De nuevo fusionamos dos departamentos. Ahora se nos unían Eleftheriou y su equipo. Contribuían con su excepcional experiencia en la técnica de grabación de canales, que habían estado aplicando con gran éxito a la grabación magnética. Desarrollaron la parte electró-
LA INFORMACIÓN
E
n el dispositivo de cinco por cinco, cada pestaña tenía en su base un sensor piezorresistivo que convertía la tensión mecánica en un cambio de resistencia; de esa forma el sistema detecta ba cuándo había caído la punta en un pozo —un 1 digital—. Investigamos métodos que encontraran pozos de una forma más concluyente. Probamos con diodos Schottky integrados en las pestañas, con la esperanza de que la tensión mecánica modificase su resistencia. Los diodos no exhibieron las propiedades esperadas; no sabíamos por qué. No obstante, cuando se detectaba un bit observábamos una fuerte señal. Por fin hallamos la razón: un fenómeno térmico. Si la pestaña se calienta previamente a 300 grados centígrados —menos de lo necesario para que se inscriba una muesca—, su resistencia eléctrica disminuirá mucho en cuanto la punta caiga en el pozo. Nunca se nos habría ocurrido usar un efecto térmico para medir un desplazamiento, una flexión o una posición. A escala macroscópica sería demasiado lento y poco fiable debido
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nica del prototipo de un sistema totalmente operativo, desde el tratamiento básico de señales y la codificación de la corrección de errores hasta la arquitectura y el control completos del sistema. Acab ábam os de de scubrir una forma de borrar un área pequeña; en cooperación con Eleftheriou, pudimos incluso convertirla en un sistema que antes de reescribir no tenía que borrar. En el nuevo método de borrado local, cuando la temperatura de la punta ablanda el material, el pedazo de medio hundido, el pozo, salta hacia arriba de nuevo a causa de la tensión superficial elasticidad del material. En vezyde la recocer un campo mayor mediante un calefactor integrado en el sustrato de almacenamiento —como en el método de borrado en bloque descrito antes—, la punta calienta localmente el medio. No se puede evitar que la punta ejerza cierta fuerza de srcen electrostático. Así, cuando la punta se calienta hasta una temperatura suficientement e alta y se produce una nueva muesca, se borran los viejos bits
nanounidad, para la que también teníamos que escoger tamaño y forma. El “factor forma” puede ser de máxima importancia en el mercado de la electrónica de consumo, específicamente en el área de dispositivos móviles que habíamos escogido como primer objetivo. n los últimos meses de 2002 nuestro grupo dio los toques finales al prototipo de tercera generación, dotado de 4096 palancas dispuestas en una matriz de 64 por 64 y 6,4 milímetros de lado. Embutir
modificar los polímeros existentes o crear otros nuevos que cumplan los requisitos de nuestro sistema de almacenamiento. Aunque el ojo humano reconoce con facilidad cuando barre una imagen del medio de un milpiés qué bloques de la rejilla contienen pozos y cuáles no, dista de ser trivial el diseño de circuitos electrónicos sencillos que ejecuten esa misma tarea con una precisión casi perfecta. Dar con los bits que representan ceros y los que representan unos es mucho más fácil, si todos los pozos tienen la misma profundidad y se hallan igualmente
más pestañas enfabricar un chipchips es factible. Hoy podríamos con un millón de pestañas; de una oblea ord inaria de silicio, de 200 milímetros, saldrían 250 de estas matrices. Ahora la principal tarea es conseguir el equilibrio correcto entre dos objetivos. En primer lugar, nuestro diseño para un sistema de nanounidad de memoria completo —no sólo la matriz y la plataforma de barrido, sino también la microelectrónica integrada que los controla— debería resultar tan bara-
espaciados lo largo de pistas rectas. Para elloa debe construirse plana la plataforma de barrido, debe mantenérsela paralela a las puntas y debe desplazársela con velocidad constante y movimiento lineal —dentro de una tolerancia de sólo unos nanómetros— . Hemos descubierto que al suspender la plataforma de barrido de finos muelles de hoja de silicio obtenemos un control mucho mejor del movimiento. Aun así, añadiremos un sistema de realimentación activa, muy
El camino por delante
E
Prototipo de tercera generación M B I
de las proximidades. Si se escribe una densa fila de pozos, cada bit creado recientemente eliminará a su predecesor; sólo permanecerá el último bit de la fila. Este mecanismo vale incluso para sobreescribir datos antiguos con un nuevo código sin conocer cuál era el antiguo. Al unir nuestra experiencia en física con la destreza de Eleftheriou en canales de grabación, elaboramos una forma especial de codificación restringida para esta sobreescritura directa. En ese punto estaba claro que el equipo necesitaba trabajar en la velocidad y el rendimiento energético de los milpiés. Teníamos que comenzar a medir relaciones señal-ruido, cocientes de error de bits y otros indicadores que informasen sobre lo bien que podría grabar datos digitales la 38
to, que fuese inmediatamente competitivo, en especial para los dispositivos de mano, que funcionan con poco consumo. Pero es fundamental también que el sistema opere fiablemente a pesar de los daños que sufra tras años de utilización. Hemos encontrado polímeros que se portan incluso mejor que el PMMA. En estos plásticos parece que los pozos son estables durante al menos tres años; un punto en la matriz se puede escribir y borrar 100.000 veces o más. Pero no estamos tan seguros del estado de las puntas después de hacer quizá cien mil millones de muescas durante varios años de funcionamiento. Dürig y Bernd Gotsmann, de nuestro equipo, se proponen, en colaboración con compañeros del Laboratorio de Almaden de IBM,
sensible a la posición relativa de las dos partes; satisfará esas tolerancias nanoscópicas mientras el dispositivo se balancea en la cintura de alguien que ha salido a correr. Cualquier sistema mecánico que, como el milpiés, genere calor tendrá que vérselas con la dilatación térmica. Bastará una diferencia de temperatura de algo más de un grado entre el polímero y las palancas de silicio, para que el alineamiento de los bits no se corresponda con el de las puntas. Un sistema de realimentación que compensara la desalineación añadiría complejidad y, con ella, costes. ¿Cuál es la mejor solución a este problema? Por fortuna, la naturaleza nos ha ayudado de nuevo. Tanto el milpiés como el sustrato de almacenamiento TEMAS 36
Proyectos de memorias de alta densidad EL PROYECTO MILPI ES DE IBM es sólo uno más entre otros encaminad os a sacar a la venta memorias de ordenador de tamaño muy reducido y alta capacidad. FIRMA
K I L A M Q I R A T R O P O D A IL P O C E R
T E CN I C A D EL D IS P OS IT IVO
Hewlett-Packard Palo Alto, EE.UU.
Dispositivo de microscopio de fuerza atómica (MFA) del tamaño de una uña que se vale de haces de electrones para leer y escribir datos sobre la zona de grabación
Hitachi Tokio, Japón
Dispositivo basado en un MFA; no se han revelado detalles
Nanochip Fremont, EE.UU.
Matrices de palancas con puntas de MFA que almacenan datos en un chip de silicio
Royal Philips Electronics Eindhoven, Holanda
Sistema óptico similar a los CD regrabables que utiliza un láser azul para grabar y leer datos en un disco de tres centímetros de diámetro
Seagate Technology Sistema reescribible que usa Scotts Valley, un MFA u otro método en un chip EE.UU. deuncentímetro
C A PA C I D AD D E ME MOR IA
CO M E R C I A L IZ A C I O N
Al menos un gigabyte (GB) de partida
Fin de la década
No se ha revelado
No se ha revelado
En principio medio GB; potencial para 50 GB
Hasta un GB por cada cara, quizá cuatro GB en total
Hasta 10 GB en un chip paraportátiles
Previsto para 2004
Previsto para 2005
Previsto para 2006 o después
portador de la película de polímero son de silicio; por lo tanto, se dilatarán por igual si ambos se encuentran a la misma temperatura. Además, la separación entre la matriz de puntas
todavía nos regocijamos cuando un prototipo nuevo funciona. Si tenemos suerte, nuestros más recientes prototipos revelarán problemas que nuestro equipo sabe cómo resolver.
y el sustrato tan pequeña, que el aire atrapadoesentre ambos componentes actuará como un excelente conductor de calor y a duras penas llegará a haber diferencias de temperatura entre ambos. Debido a que el proyecto ha madurado ahora hasta el punto de que podemos dar ya los primeros pasos hacia el desarrollo del producto, nuestro equipo ha incorporado a Thomas R. Albrecht, del Laboratorio de Almaden; participó en que el Microdrive de IBM llegase al mercado. Llevar Microdrive desde el laboratorio hasta el consumidor fue una singladura similar a la que tendrá que afrontar quizá Milpiés en los próximos años. Para los miembros de nuestro grupo, esta transición hacia el desarrollo del producto significa que tendremos que ir dejando Milpiés cada vez más en manos de otros. Los pasos atrás son la parte más difícil y, al mismo tiempo, de la que más depende el éxito de un proyecto. Aún no podemos esta r realmente seguros de que los milpiés lleguen un día a ser dispositivos comerciales. Como científicos ya no los consideramos un proyecto de alto riesgo, pero
Enalcualquier caso, nos emociona que, menos, gracias a esta técnica nanomecánica los investigadores puedan barrer un centímetro cuadrado con una resolución casi atómica. Hasta ahora el proyecto ha generado cerca de 30 patentes hasta cierto punto de fundamentos. ¡Quién sabe si las nanounidades llegarán a comercializarse! En cualquier caso, se tratará de un nuevo tipo de máquina que valdrá para algo. Eso sólo ya valdrí a la pen a.
LA INFORMACIÓN
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA IN TOUCH WITH ATOMS . Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en Reviews of Modern o
Physics , vol. 1999. 71, n. S330; marzo,
2, páginas S324T HE “M ILLIPEDE ”—N ANOTECHNOLOGY ENTERING DATA STORAGE. P. Vettiger, G. Cross, M. Despont, U. Drechsler, U. Dürig, B. Gotsmann, W. Häberle, M. A. Lantz, H. E. Rothuizen, R. Stutz y G. Binnig en IEEE Transacti ons on Nanotechnology, vol. 1, n. o 1, págs. 39-55; marzo, 2002.
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DVD Un acuerdo entre empresas competidoras dio como resultado la creación en 1996 del disco digital versátil (DVD), tan difundido hoy en día Alan D. Bell
L
os formatos DVD (o “disco digital versátil” y CD comparten la misma tecnología básica de almacenamien to óptico: la información está representada mediante muescas microscópicas que se forman sobre la superficie de un disco de plástico cuando se inyecta el material en un molde. La cara del disco donde están grabadas las muescas —la superior— se recubre después con una fina capa de aluminio, seguida, en el caso de un disco compacto, por una capa de laca protectora y una etiqueta. Para leer los datos el equipo reproductor proyecta un haz puntual de luz láser sobre la capa de datos a través del sustrato del disco, al tiempo que lo mantiene
de la muesca están calculadas para que se produzca una interferencia destructiva con la luz que ha incidido en terreno plano contiguo. Un fotodetector y otros dispositivos electrónicos del equipo traducen estas variaciones en los ceros y unos del código digital que represe ntan la información almacenada. Dos son las diferencias físicas esenciales entre los discos compactos y los DVD. En primer lugar las muescas de los DVD son más pequeñas, con un diámetro de sólo 0,4 micras; las de un compacto son más del doble de grandes: 0,83 micras de diámetro. Y las pistas de datos de los DVD distan nada más que 0,74 micras, mientras que las de los discos compactos
longitud de onda está entre 635 y 650 nanómetros. Los reproductores de discos compactos se valen de láseres infrarrojos de mayor longitud de onda, 780 nanómetros. Además los reproductores de DVD utilizan una lente de enfoque de mayor potencia, que tiene una apertura numérica más grande. Estas diferencias, sumadas a otras eficiencias adicional del formato DVD que se describen a continuación, explican la enorme capacidad de 4,7 gigabytes (GB) de cada capa de información de los DVD. La capacidad de un DVD puede duplicarse, llevándola a 9,4 GB, y volverla a duplicar otra vez, alcanzando unos 17 GB, merced a otras dos innovaciones. Aunque los DVD y los
reflejada en rotación. porLa la intensidad superficie varía de la en luz función de la presencia (o ausencia) de muescas a lo largo de la pista de información. Cuando el haz de lectura incide directamente (que el haz, que viene desde abajo, percibe como un abultamiento), la luz reflejada por el disco es mucho menor que si el haz incide sobre una porción plana de la pista, ya que las dimensiones
son lasseparadas están razones de1,6 que,micras. aunqueEstas los DVD tengan igual tamaño que los compactos, su espiral de datos tenga una longitud de más de once kilómetros, más del doble que la del compacto. Para poder leer estas muescas más pequeñas, el haz de lectura del reproductor de DVD tiene que lograr un enfoque más fino, lo que consigue gracias a un láser semiconductor cuya
global, de 1,2 compactos tengan milímetros, el mismolos espesor DVD poseen dos sustratos capaces de portar información, mientras que los discos compactos sólo poseen uno. Los sustratos de un DVD están ligados entre sí, quedando sus superficies grabadas enfrentadas en la mitad del grosor del disco, lo que las protege de los efectos dañinos de las partículas de polvo y de las rayaduras.
LOS DVD, a diferencia de los discos compactos, pueden contener dos estratos de muescas de datos ( izquierda ). Conforme gira el disco, estas marcas diminutas van pasando bajo un haz de luz láser ( rojo ), provocando variaciones en la cantidad de luz reflejada. Un fotodetector y otros elementos electrónicos traducen estas variaciones en los ceros y unos que constituyen los datos digitales. Por ajuste de la posición de la lente se puede hacer que el reproductor lea información ora de la capa superior, ora de la inferior de un DVD. La luz que atraviesa el holograma del centro de la lente se enfoca en un segundo punto, idóneo para la lectura de los discos compactos actuales.
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N A M D O O G L E A H IC M
MUESCAS DE DATOS
TEMAS 36
FOTODETECTOR
ESPEJO LASER
LENTE
N A M D O O G L E A H C I M
LA INFORMACIÓN
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Comparación de los discos DVD y CD C a r a c t e rí s t i c a
DV D
CD
Diámetrodeldisco
120milímetros
120milímetros
Estructuradeldisco
Dossustratos, de 0,6 milímetros de espesorcadauno
Unsustrato de 1,2 milímetros deespesor
Longitudmínima de la muesca
0,4micras
0,83micras
Longitud de onda del láser
de 635 a 650 nanómetros
780 nanómetros
Capacidad
Apertura numérica
Una capa en una cara, 4,7GBentotal Dos capas, una por cara, 9,4 GB en total Dos capas en una misma cara, 8,5 GB en total Cuatro capas, dos por cada cara,17 GB en total 0,60
Una capa en una cara, 0,68GBentotal
0,45
Densidad de las pistas
34.000 pistas por pulgada (13.400 pistas por cm)
16.000 pistas por pulgada (6300 pistas por cm)
Densidad de bits
96.000 bits por pulgada (37.795 bits por cm)
43.000 bits por pulgada (16.930 bits por cm)
Velocidad de transferencia
11 megabits por segundo
de 1,2 a 4,8 megabits por segundo
Densidad de datos
3,28 gigabits por pulgada cuadrada (0,51 gigabits por cm 2)
0,68 gigabits por pulgada cuadrada (0,11gigabitsporcm 2)
de una cara tienden a compensar a las de la otra, reduciendo los efectos de los cambios ambientales y minimizando la deformación resultante. Se consideró que uno de los requisitos de diseño prioritarios tenía que ser que los reproductores de DVD pudieran leer los CD existentes y no sólo los nuevos. La construcción de este tipo de reproductores imponía características específicas al diseño óptico. El sistema más sencillo consiste en montar dos lentes sobre un mismo cabezal óptico, optimizadas, una de ellas, para sustratos de 1,2 mm y, la otra, para los de 0,6 mm. Las lentes se intercambiarían por medios mecánicos cuando conviniera. Se acertó con una solución más elegante, que consiste en utilizar una sola lente moldeada, provista en su centro de un elemento holográfico. La luz que pasa a través de la corona exterior de la lente no es afectada por el holograma y queda enfocada sobre el plano en un punto de mínimo tamaño, tan pequeño que es apto para la lectura de DVD. Alrededor de la tercera parte del haz de lectura incidente sobre la porción central es enfocada por ambos, la lente y el holograma, creando un punto idóneo para la lectura de las hendiduras de un disco compacto, que es más grueso. Mayor número de bits
demás de contener más muescas
de dos Los discos caras, de diseño requieren más sencillo, que, para los acceder a la segunda superficie de datos del DVD, se retire el disco, se le dé la vuelta y se vuelva a insertar. Pero hay otra variante, la de la doble capa, que permite que las dos superficies con información grabada se lean sin dar la vuelta al disco. El sustrato inferior de un disco de doble capa está recubierto con una capa semirreflectante, que refleja la luz suficiente para permitir que el haz de láser lea las indentaciones en él situadas, pero transmite también la suficiente para que, si se enfoca el haz sobre el estrato superior, pueda leerse su información, circunstancia en la que las marcas de la capa inferior quedan desenfocadas y no provocan interferencia. (Para corregir la pequeña, pero inevitable, pérdida de calidad reproductora que conlleva este método es necesario reducir algo la capacidad de almacenamiento, que se queda en 8,5 GB; por eso un DVD de doble capa y de doble cara alberga alrededor de 17 GB.) Para unir los dos sustratos es imperativo utilizar un adhesivo de gran calidad óptica; el espesor de la unión ha de mante42
evitardentro nerse aberraciones de límites excesivas precisos del para punto enfocado. El diseño de los DVD de doble capa ofrece, además de mayor capacidad, otras ventajas: reduce los errores causados por los desequilibrios y el alabeo del disco. Todos los discos compactos son propensos a experimentar pandeos. Cuando su superficie se inclina y deja de ser perpendicula r al haz de láser, pueden producirse errores de lectura. La medida en que el punto de lectura resulta degradado por la inclinación del disco es proporcional al espesor del sustrato. Cada sustrato del DVD tiene un espesor de sólo 0,6 mm, lo cual beneficia al diseño global. Esta delgadez hace que el DVD sea menos sensible a las torceduras que el disco compacto, cuyo sustrato tiene un espesor de 1,2 mm. Hay razones adicionales para que el DVD sea más insensible a ciertos tipos de inclinaciones y pandeos. Un ejemplo lo tenemos en los cambios bruscos de temperatura o de humedad, que pueden provocar la hinchazón o el encogimiento de los sustratos plásticos. Como la construcción del DVD es simétrica, las perturbaciones
también quealbergan los discosmás compactos, información los DVD en cada una de ellas, merced a perfeccionamientos conseguidos en dos aspectos del rendimiento del formato de codificación. Con independencia del tipo que tenga la información srcinal —datos, textos, imágenes, sonido o vídeo— es preciso proteger a los ceros y unos digitales que la representan —los llamados “bits de usuario”— de los efectos de errores introducidos durante la reproducción, provocados por el polvo, las rayaduras o la corrosión. Las técnicas de corrección y control de errores (ECC) reducen al mínimo tales problemas merced a algoritmos especiales que computan bits de datos adicionales, que se almacenan junto con los del usuario. Estos bits adicionales, aunque esenciales, reducen la capacidad del disco disponible para el contenido real. La corrección y el control de errores de los DVD son de una potencia extraordinaria . Pueden, por ejemplo, corregir una salva de errores de hasta 2000 bytes de longitud, lo que equivale a unos cuatro milímetros de pista. La corrección de datos ocupa alrededor del 13 por ciento de la capacidad
A
TEMAS 36
Un formato universal
A
principios de 1995 parecía inverosímil que pudiera surgir en un plazo breve una técnica unificada de discos compactos de segunda generación. Dos grupos de compañías de electrónica de consumo —encabezado uno por Sony Corporation y Philips Electronics (coinventores del disco compacto srcinal) y el otro por Toshiba Corporation, Matushita Electric Industrial Corporation y Time Warner— habían creado diseños propios, cada uno por su parte. Sony y Philips proponían el disco compacto multimedios (MMCD), que podría almacenar 3,7 GB en un disco de una sola cara, parecido al disco compacto habitual. Pero el grupo encabezado por Toshiba proyectaba un formato radicalmente nuevo, al que denominaron SD, abreviatura de “superden-
proveedores de contenidos se pasarían en bloque al formato dominante. Un grupo especializado de expertos en almacenamiento informático de datos, inicialmente convocado por Sony y Philips para que revisaran críticamente su propuesta, amplió el alcance de su examen y estudió también la de Toshiba. El autor de este artículo presidió ese grupo y participó activamente en esas revisiones conforme evolucionaron a lo largo de año y medio. Este autodenominado Grupo Técnico de Trabajo (TWG) formuló claramente desde el primer momento su recomendación y su objetivo más importante: conseguir un formato de gran compatibilid ad que fuese apto para toda una familia de tipos de disco, tanto grabables como
sidad”, capaz de alojar cinco gigabytes por cada lado de un disco grabado por dos caras. Toshiba empezó ganándose el apoyo de buena parte de la industria cinematográfica, que consideraba que el formato SD era el único capaz de dar cabida digital a películas completas con bandas sonoras de calidad de disco compacto. Por otra parte, muchos fabricantes se encontraban más cómodos con el MMCD, que era una prolongación poco innovadora del formato CD, perfectamente probado. Sin embargo, ni los estudios ni las compañías informáticas estaban dispuestos a aceptar dos formatos incompatibles y tampoco lo estaban a una posible repetición del barullo que se produjo entre los sistemas VHS y Betamax para videocasete, pues ello frenaría la introducción de cualquiera de los formatos hasta que uno de los dos predominase. Quienes sufrirían serían entonces los infelices consumidores que hubieran invertido en el sistema desechado, ya que los
sólo de lectura. En agosto de 1995 el TWG estimó que ambos formatos eran aceptables para aplicaciones informáticas, pero encontró inadmisible que no se hubieran unificado. Como algunas empresas informáticas habían manifestado sus preferencias por uno de ellos, se iniciaron rápidamente conversaciones formales encaminadas a conjugar los mejores el ementos de cada diseño. Los patrocinadores de los sistemas acabaron por aceptar la oferta de IBM de arbitrar las posibles diferencias técnicas y el 15 de septiembre se pusieron de acuerdo en aceptar el sustrato delgado y el código de corrección de errores de la propuesta Toshiba/Time Warner y el código de modulación de señal tomado del formato Sony/Philips. El 8 de diciembre se confirmaron los detalles que faltaban del sistema unificado, que se hizo público, por entonces nada más que para discos sólo de lectura, con la denominación de DVD, siglas de “disco versátil digital”.
del disco en el formato DVD. Los datos
tiempo los beneficios inherentes al
flujo de bits comprimidos varía
ocupan nada de comparables menos los discos que un compactos tercio de su capacidad total. Este mayor rendimiento de la corrección en los DVD, que no se hace a costa d e su funcionalidad, se debe en buena medida a la mayor potencia de cómputo de los microcircuitos, de la que no se disponía cuando se diseñó el formato del disco compacto. Durante la grabación, los datos del usuario y los de corrección y control de errores se convierten en los denominados bits de código modulador, que constituyen las ristras reales de bits binarios representados por las muescas de la superficie del disco. Este paso es necesario para regular la gama de tamaños de muesca necesarios para la representación de los datos, un aspecto importante a la hora de garantizar la detección fiable de datos y pistas durante la reproducción. El método de codificación utilizado en los discos compactos transforma ocho bits de datos de usuario en 17 bits de código modulador. El DVD utiliza un método perfeccionado que transforma ocho bits de usuario en solamente 16 bits de código modulador, preservando al mismo
ser menos método srcinal los bits de los de código compactos. modulaAl dor utilizados para representar los bits de datos de usuario, el DVD puede contener mayor número de éstos. Tal característica hace que su eficacia sea como un seis por ciento mayor que la del formato CD.
optimizalalareproducción. durante calidad globalEste de lamétodo película incluso en casos de limitación de capacidad total. El formato para películas en DVD especifica que los métodos de codificación sonora utilizados sean o el AC-3 de compresión de aud io multicanal (5.1), de Dolby Laboratories, o el sistema de modulación por codificación de impulsos (PCM), con el método MPEG como tercera opción. El sistema Dolby utiliza una velocidad de transferencia de hasta 448.000 bits por segundo para los bits de sonido ya comprimidos, al objeto de crear cinco canales independientes de audiofrecuencia con calidad de disco compacto, así como un sexto canal dedicado a los efectos sonoros de baja frecuencia, fragmentación que explica la designación del sistema como 5.1.
LA INFORMACIÓN
Mayores posibilidades
L
a capacidad y el rendimiento del DVD se eligieron pensando en que la visión de películas fuese una de sus aplicaciones principales. A pesar de los 4,7 gigabytes de cada superficie DVD, para que una película cinematográfica digitalizada quepa en el disco es necesario almacenarla en forma comprimida. El método de compresión utilizado, el estándar MPEG2, es un método de compresión variable de los datos, en el cual el grado de compresión se va adaptando de forma óptima a la complejidad instantánea de la escena: las escenas visualmente detalladas o llenas de acción propenden a ser más difíciles de comprimir —y por consiguiente, se les asigna mayor número de bits— que las partes menos complejas de la película. En consecuencia la tasa del
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA THE COMPACT DISC HANDBOOK. Ken C. Pohlmann. The Computer Music and Digital Audio Series, volumen 5. A-R Editions, Madison, Wisc., 1992.
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Discos grabables y regrabables, láseres azules y el
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fin del consenso
S
i en 1996 se llegó a un acuerdo entre los distintos fabricantes por el que todos se atuvieron a unas mismas especificaciones en sus discos compactos pregrabados de segunda generación, los DVD, no ocurrió lo mismo con las versiones grabable una vez y regrabable. El consorcio DVDForum, donde se agrupan casi todas las grandes empresas de sonido, imagen, cine e informática, con la notable excepción de Philips, aprobaba en 1997 un formato regrabable, pero en vez de mantener la continuidad con el del sólo lectura, tal y como sucedía con los CD, CD-R y CD-RW, avalaba un disco incompatible con las lectoras de DVD de vídeo y DVD-ROM, el DVD-RAM, con una capacidad de 2,6 GB, ampliada a 4,7 GB por cara en octubre de 1999. Ese mismo año, Pioneer sacaba el formato grabable DVD-R, que también adoptaría el Fórum, que sí conservaba la compatibilidad con los dispositivos de discos pregrabados. Un consorcio más restringido, DVD+RW Alliance —Philips, Sony, Thomson, Mitsubishi (Verbatim), Dell, Ricoh, HewlettPackard y Yamaha, y desde 2003 Microsoft—, aunque formado en buena medida por empresas que también están en el Fórum, presentaba, a finales de 1997, un formato regrabable pensado para que fuese compatible con los reproductores ya existentes de DVD de vídeo y DVD-ROM, el DVD+RW, con una capacidad de 2,7 GB, pero lo abandonarían hasta 2001, en que reaparecía con una capacidad de 4,7 GB. En 2002 la Alianza sacaba la correspondiente versión grabable una vez, el DVD+R. Mientras, Pioneer introducía un formato regrabable de continuidad con el DVD-R, el DVD-RW, en noviembre de 1999, con esa misma capacidad de 4,7 GB. Los DVD grabables escriben, como los CD grabables (CD-R), sobre un tinte (azo metalizado, ftalocianina, formazán) en el que un láser inscribe la información marcando (“quemando”) pequeñas muescas. Hasta la aparición en 1997 de los CD regrabables (CD-RW), el almacenamiento óptico de
mismo: una aleación AgInSbTe. El surco en el DVD+RW ondula a mayor frecuencia; además, este formato actúa de manera que permanezcan constantes o la velocidad de giro del disco o la velocidad lineal a medida que el tramo leído pasa por la cabeza lectora, mientras que en un DVD-RW sólo existe la segunda opción (en la que la velocidad de giro ha de ir cambiando). El DVD-RAM graba, en cambio, tanto en el surco como en el terreno entre surcos contiguos, de manera que se forma sobre el disco una doble espiral de datos. La ondulación del surco es constante con respecto a la velocidad lineal, zona a zona; en cada zona es constante la velocidad angul ar. Por su organización, el DVD-RAM se asemeja más a un disco duro o a un disquete que a un DVD ordinario, ya que en él se lee y graba siempre mediante acceso aleatorio en vez de secuencial (el DVD+RW puede utilizar también el acceso aleatorio, que se acelera en el modo de velocidad angular constante al prescindir de los cambios de velocidad del disco, que no pueden ser instantáneos). Las cabeceras de los sectores van preimpresas en el disco; la ondulación refina la precisión de ese direccionamiento. El medio de grabación es GeSbTe. En un principio, el DVDRAM venía protegido por un cartucho; ahora también es utilizable como disco desnudo. Las lectoras-graba doras DVD Multi admiten los distintos formatos reconocidos por el Fórum, incluido el RAM. Aunque el DVD Fórum se atribuye una especie de autoridad oficial en la definición de los formatos DVD e insiste en que DVD+R/RW no es un formato autorizado, ahora se tiende a construir lectoras-grabadoras duales, compatibles en ambas funciones, o al menos en la de lectura, con los formatos + y –, ya que el uno y el otro se han repartido más o menos por igual el mercado. En 2004, Philips y Sony sacaban a la venta DVD+R y DVD+RW de doble capa, es decir, con dos estratos de aleación de cambio de fase donde escribir datos por una misma cara. Así casi se duplica la capacidad del disco —8,5 GB—
datos reescribibles se basaba en métodos magnetoópticos (un láser calienta primero la superficie de grabación, que es de un material magnético cuyas propiedades cambian cuando alcanza una determinada temperatura, y a continuación un imán escribe la información, que se lee con un láser, ya que el estado magnético del material afecta a la reflectividad de la luz). Las versiones reescribibles de DVD, como el CDRW, recurren en cambio a los materiales de cambio de fase, aleaciones metálicas que modifican su estado de cristalización con el calor. Una película delgada de una sustancia de esa naturaleza, situada entre una capa dieléctrica fina y otra que lleva apiladas una capa reflectora y una resina, va emparedada entre sustratos de policarbonato (un plástico transparente) de 0,6 milímetros. Para grabar datos, un impulso láser funde en esa película una zona de un fragmento de micra de diámetro, que se enfría muy deprisa; no tiene tiempo de recristalizars e y queda en un estado amorfo menos reflectante que la fase cristalina. La lectura de los datos se basa en el efecto de esa menor reflectividad en un haz láser de intensidad lo suficientemente baja para que no funda de nuevo el material. Para borrar lo ya escrito en el disco, el láser calienta el material hasta una temperatura un poco inferior a la de fusión (entre 500 y 700 grados), pero superior a la de cristalización (unos 200 grados), durante un tiempo suficiente, mayor que el tiempo mínimo de cristalización. Se produce así una recristalización. El DVD+RW y el DVD-RW graban los datos de la misma manera: en el recubrimiento de cambio de fase de un surco espiral ondulado inscrito de fábrica en el sustrato inferior del disco virgen. El material de cambio de fase es también el
sin necesidad de darle la vuelta, como ha de hacerse en las versiones de doble cara de los distintos formatos de DVD. En 2003 se anunciaba la aparición de los discos ópticos de láser azul. La división entre el Fórum y la Alianza se refleja también en esta nueva generación de sistemas de almacenamiento, aunque ahora con nuevos alineamientos. Toshiba y NEC son los principales promotores del formato denominado “disco óptico avanzado” (AOD, AO significa además “azul” en japonés) o HD-DVD (HD, alta definición, alude al que se supone será el uso preferente de esta generación de discos: la televisión de al ta definición). En noviembre de 2003, DVD Fórum escogía el AOD, en una votación reñida, como sucesor del DVD, aunque de momento nada más que en la versión de sólo lectura; la versión grabable obtuvo más votos negativos que positivos en la correspondiente votación. (En febrero de 2004 el Fórum elegía a Toshiba como su empresa presidente, con Time Warner, Sony e Intel como vicepresidentes.) Un nuevo consorcio, que engloba empresas del Fórum y de la Alianza, Fundadores del Disco Blu-Ray, avala un segundo formato, que da nombre al consorcio. (Blu-Ray y no Blue-Ray, o Rayo Azul, porque una palabra de uso común no puede registrarse como marca.) Lo forman Hitachi (Maxell), LG Electronics, Matsushita (Panasonic), Mitsubishi, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony, TDK y Thomson. En enero de 2004 se incorporaban Hewlett-Packard y Dell. Sony sacaba a la venta en Japón, en marzo de 2003, las primeras grabadoras de BD, con discos de una capacidad de 23 GB, a un precio todavía muy alto. Panasonic ha anunciado en abril de 2004 que pondrá a la venta en julio una grabadora para discos de dobla capa, con una capacidad
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los problemas de una capa de incidencia de la luz demasiado gruesa — la birrefringencia y el pandeo—, crecientes con la frecuencia del láser. La mayor apertura numérica, con esa capa reducida, les permite una mayor densidad de información: sus muescas tienen una longitud mínima de 0,14-0,16 micras y la distancia entre pistas es de 0,32 micras; BD admite hasta 27 GB en una capa de grabación, o más de dos horas de televisión de alta definición y unas 13 de televisión corriente, por 15 (en las versiones pregrabada y grabable una vez) o 20 (en la regrabable, 32 con doble capa) de un HD-DVD. Ahora bien, el nuevo sistema de compresión H.264 (o MPEG4-10) del HD-DVD es más potente que el tradicional MPEG2 del BD. Por otra parte, el BD usa los mismos medios de grabación de los DVD reescribibles, mientras que el HD- DVD r ecur re a un a alea ción GeTeSbBi enriquecida en germanioteluro. Ambos formatos graban en surco ondulado. La velocidad de transferencia de datos del BD es de 36 megabits por segundo (la televisión de alta definición requiere al menos 25 megabits por segundo). Toshiba escogió una estructura similar a la de los DVD para sus AOD porque así se disminuyen los costes de producción. Además, los discos maestros de los HD-DVD pregrabados pueden escribirse con los mismos láseres que los DVD; en cambio, se sabe que Pioneer ni siquiera utilizará láseres del ultravioleta profundo para los masters de los BD de 50 GB, sino haces de electrones. Sin embargo, los Fundadores del disco Blu-Ray sostienen que los costes de fabricación y el precio de un BD serán iguales a los de un DVD en cuanto la prototal de 50 GB, o cuatro horas y media de vídeo de alta definición, para el mercado japonés también. Para finales de año, se supone que Sony pondrá la venta sus grabadoras de discos de doble capa de 50 GB, que también leerán discos de BD-ROM. Tanto el BD como el AOD tienen las mismas dimensiones de un CD o un DVD. Ambos utilizan un láser azul de 405 nanómetros de longitud de onda, de nitruro de galio. El HDDVD es más conservador estructuralmente. Mantiene la capa de escritura emparedada entre estratos de 0,6 milímetros; la apertura numérica de su lente —una medida de la estrechez de la punta del haz cónico de láser creado por la lente del dispositivo y, por tanto, de la capacidad de resolución del sistema lector— es muy parecida en este sistema y en los DVD (0,6). La estructura física de un BD, en cambio, es distinta a la de un DVD reescribible: la capa de grabación se monta sobre un sustrato de policarbonato de 1,1 milímetros de grosor y va cubierto por una capa transparente de 0,1 milímetros, la que la luz va a atravesar. Esto aminora
LA INFORMACIÓN
ducción sea masiva. En abril de 2004, Sony y Toppan Printing anunciaban un disco Blu-Ray “de papel”; en él, el sustrato de 1,1 milímetros, en vez de ser de policarbonato, es de papel en un 51 por ciento. El disco puede cortarse con unas tijeras. Esta nueva generación de discos ópticos será la última con láseres de luz visible. En 2001 se comunicaba la obtención de láseres ultravioletas —aún sólo como experimentos de laboratorio— de nanocristales de óxido de zinc (una emisión de 385 nanómetros de longitud de onda) y de diamante (235 nanómetros). Por su tamaño podrían valer para su empleo en unidades de discos ópticos. A finales de 2003 se conocía una variante de los DVD, los EVD ( extended video disc) , promovida por el gobierno chino, con compresión VP5 y VP6 de la empresa estadounidense On2, capaces de almacenar vídeo de alta definición. Taiwan, a su vez, anunciaba su FVD ( finalized versatile disc), que utiliza Windows Media Video 9. — La redacción
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El primer siglo de las memorias magnéticas Los inicios de la grabación en medios magnéticos, hoy tan extendida, no fueron muy prometedores. Sus bases científicas no estaban muy claras, las utilizaciones prácticas se hicieron esperar y empresarios y políticos contribuyeron a dificultar los avances James D. Livingston
G
ran parte de nuestra información se almacena en imanes: disquetes, cintas de audio y vídeo, grabaciones de contestadores automáticos, tarjetas de crédito... Todos estos sistemas retienen palabras, números, imágenes y sonidos como combinaciones de polos norte y sur, para lo que utilizan las técnicas de grabación magnética, que ya cuentan con más de cien años. Las memorias magnéticas han tenido una gran repercusión social en los últimos tiempos. Las cintas del
Richard Nixon, presidente de los Estados Unidos en los años setenta, y otras grabaciones parecidas mantuvieron en la cuerda floja al ex presidente Bill Clinton. Las memorias magnéticas de los ordenadores gestionan discretamente desde hace tiempo los movimientos de personas, bienes y capitales. Son los auténticos almacenes electrónicos de la era de la información, repletos de datos científicos, médicos, industriales y financieros. Aunque también se usen otras bases, como son
los medios ópticos, el soporte magnético tiene sobre todos ellos la ventaja de que permite borrar y grabar la información fácilmente. La grabación magnética, descubierta hace poco más de un siglo, languideció, empero, durante buena parte de él. Se ignoraban muchas cosas sobre los principios físicos subyacentes, no tenía aplicaciones viables y encontró todo tipo de obstáculos políticos y empresariales, a pesar de lo cual se ha vuelto socialmente imprescindible en los últimos cincuen-
caso Watergate obligaron a dimitir a
las películas fotográficas, el papel o
ta años.
1898
K R A M N A D E L E
VALDEMAR POULSEN, un ingeniero danés, inventa el telegráfono (arriba), un aparato que registra magnéticamente la voz humana sobre cables o cintas de acero.
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1900
N N A
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1915
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FRANCISCO JOSE, emperador de Austria, graba su voz durante su visita a la Exposición Universal de París, donde el telegráfono causa sensación.
EL LUSITANIA es hundido por un submarino alemán, lo que refuerza las sospechas de que los alemanes usan telegráfonos para grabar mensajes transmitidos a frecuencias inaudibles.
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1928 FRITZ PFLEUMER, químico austríaco, inventa un aparato que registra el sonido sobre una cinta ligera cubierta de partículas magnéticas.
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ese mismo siglo se grabó la voz humana sobre un material magnético mediante un aparato llamado telegráfono, patentado en 1898 por el ingeniero danés Valdemar Poulsen. Poulsen trabajaba para la Compañía Telefónica danesa y pensó que a la gente le gustaría grabar mensajes telefónicos. Mostró a sus amigos los rudimentos de su invento mediante un cable de acero tenso que atravesaba su laborato rio . Dis puso un micrófono telefónico conectado a un electroimán y deslizó el electroimán por el cable mientras hablaba ante el micrófono. El micrófono convertía
ta fue invariablemente negativa. Un examinador de patentes norteamericano escribió que el telegráfono no funcionaría porque contradecía “todas las leyes conocidas del magnetismo”. Está claro que no todas las leyes del magnetismo se conocían por aquella época, pues el invento de Poulsen sí funcionaba. El aparato se exhibió con éxito por toda Europa, causando sensación en la Exposición Universal celebrada en París en 1900. Entre los que lo probaron se hallaba el emperador Francisco José de Austria, a quien se debe la grabación magnética más antigua que se conoce.
ace muchísimo tiempo que se sabe que ciertos materiales “recuerdan” la dirección en que fueron imantados. Los magos de la corte del emperador de China ya hacían brújulas con imanes naturales en el siglo II a.C. Al descubrirse en el XIX la relación entre electricidad y magnetismo fue cuando los imanes pasaron a tener un papel destacado en inventos como el telégrafo y el teléfono, los generadores eléctricos, los transfor-
la voz en unatransformaba señal eléctrica, quecamel electroimán en un po magnético que variaba con el timbre y el tono de la voz. Este campo magnético variable quedaba grabado sobre el acero. Una vez finalizado el cable, Poulsen volvía a su inicio y sustituía el micrófono por un auricular. Una nueva pasada del electroimán por el cable permitía que el aparato funcionase a la inversa. La inducción electromagnética hacía que el campo magnético grabado en el cable fuese convertido por el electroimán en una señal eléctrica, que el auricular transformaba en sonido, permitiendo que la voz del inventor volviese a oírse débilmente. Poulsen perfeccionó su invento (enrollando el cable en torno a un cilindro, entre otras cosas) y solicitó pa-
Poulsen fue indudablemente el primero quenograbó y reprodujo la voz humana. Hacía más de veinte años que Thomas Edison había patentado el fonógrafo, que grababa los sonidos en forma de surcos sobre una lámina de estaño enrollada en un cilindro; luego se usarían cilindros de cera y más tarde discos de plástico. El fonógrafo era ya un producto consolidado cuando Poulsen presentó en público su invento, pero éste tenía ciertas ventajas técnicas sobre aquél. En un artículo aparecido en Scientific American en 1900 se afirmaba que el telegráfono producía un sonido “muy claro y completamente libre de los desagradables ruidos que se suelen oír en el fonógrafo”. Pero habría de pasar medio siglo antes de que la gr abación magnética se volviese de apli-
madores y los motores. Y a finales de
tentes en varios países. La respues-
cación general.
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Las primeras memorias magnéticas
H
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1933
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ADOLF HITLER se convierte en canciller de Alemania. La Gestapo adquiere muchas grabadoras magnéticas para su uso en interrogatorios.
AÑOS TREINTA EL BLATTNERPHONE es el sistema de grabación magnética que utiliza la BBC para retransmitir programas grabados. Se necesitan dos personas para cambiar un rollo de cinta de acero.
LA INFORMACIÓN
1936 LA ORQUESTA FILARMONICA DE LONDRES graba un concierto en Ludwigshafen (Alemania). La grabación, que todavía se conserva, se hace con un magnetofón equipado con una cinta de plástico recubierta de óxido de hierro.
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Inicios titubeantes
¿Q
ué fue lo que impidió el desarrollo de un invento tan prometedor? Los historiadores le echan la culpa a una combinación de factores empresariales y técnicos. La American Telephone & Telegraph Company (AT&T) se opuso inicialmente al telegráfono, al estimar que el volumen de negocio disminuiría en un tercio si los clientes pensaban que se podían grabar sus conversaciones. La revista Technical World publicó en 1906 un artículo titulado “El testimonio de un cable de acero”, en el que dos hombres de negocios de fic-
sonido en electricidad y luego en un campo magnético no presentaba grandes secretos, gracias a la experiencia que se tenía del teléfono, pero no se podía decir lo mismo del mecanismo que permitiese registrar la historia de tal campo magnético en un medio estable, como lo es un cable d e acero. Otro problema que había era el bajo volumen con el que se reproducía el sonido grabado. Pero el mayor problema de American Telegraphone no era de carácter técnico. Algunos de los escasos telegráfonos vendidos se instalaron en las estaciones de radio de Tuckerton (Nue-
constaba en realidad de una rápida sucesión de caracteres en código Morse cuando se reproducía a menor velocidad. El gobierno norteamericano confiscó la estación de Tuckerton en 1914 y la de Sayville poco después, tras el hundimiento del transatlántico británico Lu sita ni a en las costas de Irlanda por un submarino. La Armada estadounidense había adquirido 14 telegráfonos, que no acabaron de funcionar. Se formularon cargos de traición contra American Telegraphone, que además padecía una pésima gestión y no había conseguido vender más
ción, Jones yde Brown, discutían sobre el contenido una conversación telefónica que habían mantenido. En medio de la discusión, Jones sacaba un carrete de hilo de acero que insertaba en el telegráfono y demostraba que Brown no tenía razón. Debido al temor a la pérdida de intimidad, la primera patente de grabación magnética concedida en los Estados Unidos concierne a las máquinas de dictado que fabricaba la Ame rican Telegraphone Company, fundada en 1903. Pero los sistemas fonográficos de la competencia, como el edífono y el dictáfono, les llevaban veinte años de ventaja y eran más baratos, más fiables y de uso más sencillo. El desarrollo del telegráfono tropezó también con la deficiente com-
va Jersey) Sayville York), operadas pory la empresa(Nueva alemana Telefunken y por una compañía estadounidense con participación alemana, respectivamente. La Armada alemana había dotado también a sus submarinos de telegráfonos. Al estallar la Primera Guerra Mundial cundió la sospecha de que estas emisoras transmitían información militar a los submarinos alemanes que operaban en el Atlántico. Una de las acusaciones era que se usaban telegráfonos para grabar mensajes secretos, que luego se transmitían por radio a una velocidad que los hacía inaudibles. La señal de radio era grabada por el telegráfono del submarino y reproducida a la velocidad de audición. Las sospechas aumentaron cuando un radioaficio-
que unas ciensemáquinas dictado.y La empresa declaró endequiebra el desarrollo comercial de la grabación magnética se estancó durante dos decenios en los Estados Unidos.
prensión que se basaba. de los principios La conversión físicos delen
nado el zumbido de Nueva que captaba Jersey descubrió por las noches que
La situación en Europa
L
a grabación magnética tuvo mejor suerte en Europa. En los años veinte se solucionó el problema del volumen de reproducción mediante el uso de amplificadores electrónicos. El inventor alemán Kurt Stille consiguió alargar el tiempo de grabación modificando los telegráfonos. Stille (que en alemán significa, irónicamente, “silencio”) solía acabar sus conferencias sacando del bolsillo un cilindro de acero de 20 centímetros de largo y afirmando que podía grabar en él una sinfonía entera. ronUna conde licencia las compañías de Stilleque fue trabajala Ludwig
1947 BING CROSBY emite el primer programa de radio grabado que alcanza grandes audiencias en los Estados Unidos.
1952 MEMORIA DE NUCLEOS del ordenador Whirlwind I, capaz de almacenar 256 bits de información.
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AÑOS CINCUENTA
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EL DISCO DURO es comercializado por IBM en 1957 para almacenar magnéticamente la información de los ordenadores. La imagen abarca un conjunto de 50 discos que tenía una capacidad total de 56 megabytes.
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Blattner Picture Company de Gran Bretaña, que fabricó una grabadora magnética llamada Blattnerphone. Pensado para el cine sonoro, el aparato tuvo en las cada vez más numerosas emisoras de radio su cliente principal. La BBC (British Broadcasting Company) lo adoptó en 1931 para reemitir programas, utilizarlo en los ensayos y conservar las retransmisiones más importantes. El Blattnerphone era una máquina imponente por sus dimensiones (metro y medio de alto, otro tanto de ancho y más de medio metro de fondo) y por su peso, cercano a la tonelada.
grabadoras magnéticas a las líneas. Pero el mercado de las máquinas de dictado era muy limitado en Alemania, donde la crisis económica favorecía la contratación de taquígrafos con salarios muy bajos. La empresa Lorenz lanzó al mercado su propia versión del aparato de Stille en 1933. Fue el año en que Hitler se hizo con el poder y la Gestapo adquirió gran cantidad de tales aparatos para grabar interrogatorios y conversaciones telefónicas. Lorenz desarrolló también una grabadora de cinta de acero para la Radio Nacional Alemana, que, como la BBC, empeza-
Grababa sobre una de que acerocrude tres milímetros de cinta ancho, zaba los cabezales a una velocidad de un metro por segundo. Una grabación de media hora requería un kilómetro y medio de cinta. Pero la máquina tenía sus ventajas. Mientras que la modificación de los registros fonográficos exigía una nueva grabación, aquí se podía cortar y soldar la cinta con cierta facilidad. Pese a que las soldaduras se rompían con frecuencia creando situaciones de peligro, la máquina funcionaba satisfactoriamente y se siguió usando en varios países hasta 1945. Stille y sus colaboradores habían diseñado y comercializado en Alemania en 1925 un aparato que combinaba una máquina de dictado y una grabadora telefónica. A diferencia de
ba retransmitir programas grabadosamagnéticamente. Al otro lado del Atlántico, las emi soras estadoun idenses seguían emitiendo tan sólo programas en directo. Las primeras grabadoras magnéticas se impusieron en Europa a pesar de que presentaban un serio inconveniente: precisaban larguísimas cintas de pesado acero. Hoy sabemos que el acero no es el mejor medio para grabar. La técnica de grabación magnética dio un paso decisivo en 1927 gracias al químico austríaco Fritz Pfleumer, quien puso a punto una cinta de papel cubierta de una capa de partículas magnéticas. Tal posibilidad ya la había indicado el ingeniero americano Oberlin Smith, en un artículo aparecido en 1888, artículo en el que se proponía también la gra-
AT&T, varias europeas autorizaron compañías la conexión de teléfono de
bación magnética. cuajaron, lo que convirtió Pero susa ideas Poulsen no
IE T IS R H C N A Y R B
ELECTROIMAN
BOBINA ATRAVESADA POR UNA SEÑAL AGNETICA
MEDIO AGNETI O
CAMPO MAGNETICO REGISTRAD
LA GRABACION MAGNETICA permite almacenar datos informáticos, de audio y de vídeo. La información se convierte primero en una señal eléctrica, que pasa a través de la bobina de un electroimán. El campo magnético variable resultante (en rojo) es registrado sobre un medio magnético que se mueve respecto al electroimán. Si la señal eléctrica es una onda sinusoidal, la magnetización tendrá también cierto aspecto sinusoidal.
1959
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SURGE UNA DISCUSION inesperada entre Nikita Khruschev, primer ministro soviético, y Richard Nixon durante su visita a una exposición de electrodomésticos en Moscú. El incidente quedará grabado en vídeo y se hará famoso con el nombre de “debate de la cocina”.
)
1956 VR-1000, el prototipo del primer reproductor de vídeo comercial, en el momento de su presentación por Ampex. El aparato, grande y complejo, usaba una cinta de 5 cm de ancho.
LA INFORMACIÓN
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1963 LA CASETE COMPACTA es introducida por Philips. Le seguirán la cinta de ocho pistas y la microcasete.
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en el inventor del primer sistema de grabación magnética. Pfleumer había desarrollado una técnica para fabricar papel dorado (utilizado en las boquillas de los cigarrillos) dispersando pequeñas partículas de bronce en pegamento y aplicando la mezcla sobre una hoja de papel. Al darse cuenta de que podía utilizar el mismo procedimiento para cubrir una tira de papel con partículas de acero, en 1928 fabricó una grabadora magnética que las utilizaba. El aparato tenía un mecanismo de arrastre simplificado que conducía la nueva cinta, mucho más ligera, a
Ludwigshafen (Alemania), grabación que aún se conserva. Gracias a la polarización por corriente alterna, que mejora la calidad del sonido superponiendo a la grabación una señal eléctrica de alta frecuencia, el magnetófono desplazó a todos sus rivales. Este aparato es el antecesor directo de la moderna grabadora magnética. Ante tales éxitos foráneos, AT&T se decidió a investigar la grabación magnética. Aunque todavía tardaría en lanzar un producto al mercado, estas investigaciones le permitieron fabricar grabadoras magnéticas para
tema alemán. Los aliados no descubrieron el magnetófono hasta los últimos meses de la guerra en Europa. Cuando las tropas estadounidenses ocuparon los estudios de Radio Luxemburgo hallaron un magnetófono que contenía una de las últimas arengas de Hitler, grabada sobre un versión mejorada de las cintas de Pfleumer. Algunos de los aparatos confiscados fueron enviados a los Estados Unidos, donde contribuyeron al auge de la grabación magnética durante la posguerra. Uno de los militares que se habían hecho con un magnetófono era Jack
través de unElnuevo tipoera detan cabezal magnético. invento prometedor que en 1932 la firma eléctrica AEG compró todas las patentes de Pfleumer. AEG colaboró con el consorcio químico I. G. Farben (hoy BASF) en la investigación de las distintas clases de partículas magnéticas con las que se podían cubrir varios tipos de cinta. Los mejores resultados se obtuvieron al aplicar una capa de óxido de hierro sobre una cinta de plástico. Estas investigaciones desembocaron en el “Magnetophon”, que fue presentado al público en 1935 con motivo de la Exposición de Radio de Berlín. En noviembre de 1936 se grabó en magnetofón un concierto de la Orquesta Filarmónica de Londres en
el ejército norteamericano durante la Segunda Guerra Mundial, con la colaboración de empresas como la Brush Development Corporation (que contaba con Semi Begun, un ingeniero que había trabajado con Stille antes de abandonar la Alemania nazi en 1935), la Armour Research Foundation (con la participación del ingeniero norteamericano Marvin Camras) y General Electric, licenciataria de Armour. Estas compañías fabricaron miles de grabadoras magnéticas para el ejército, con las que se registraron mensajes en barcos, aviones y campos de batalla. Los especialistas británicos y estadounidenses que espiaban las transmisiones nazis se daban cuenta, sin embargo, de la superioridad del sis-
Mullin, quien mostróc a antante Bing Crosby en 1947.seEllopopular hacía un programa para la cadena NBC, pero no le gustaban las limitaciones del directo. Como la NBC no emitía programas grabados, Crosby se pasó a la ABC, pero las grabaciones sobre discos fonográficos de 33 1/3 r.p.m. dejaban mucho que desear. Crosby quedó prendado del magnetófono y su programa se convirtió en el primero grabado que alcanzó grandes audiencias en los Estados Unidos. Los Estados Unidos recuperan terreno
M
ullin utilizó los aparatos y las cintas que había obtenido en Al emania dura nte mucho tiempo . Pero la compañía Ampex sacó al mer-
1974
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RICHARD NIXON dimite como presidente de los Estados Unidos cuando unas cintas grabadas en el Despacho Oval revelan su participación en el escándalo Watergate.
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1991
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LA BRUTALIDAD POLICIAL norteamericana queda al descubierto con la difusión del vídeo que muestra el apaleamiento de Rodney King.
1971 EL DISCO FLEXIBLE de ocho pulgadas hace su aparición. Le seguirán los de 5,25 pulgadas (izquierda) y 3,5 pulgadas.
1998 MONICA LEWINSKY protagoniza un nuevo escándalo presidencial, del que se conocen muchos detalles gracias a la grabación de conversaciones telefónicas.
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cado una versión mejorada del magnetófono en 1948 y pronto hubo diversos competidores. Firmas como 3M desarrollaban entre tanto nuevas cintas. Las cintas tardaron pocos años en desplazar a los cables de acero como soporte de grabación y los programas de radio grabados se hicieron cada vez más habituales. La facilidad con que se podían montar las grabaciones hizo que se introdujeran innovaciones, como la combinación de varias tomas de la misma canción para obtener una versión aceptable, el acompañamiento con murmullos de la audiencia o la supresión de soni-
televisión actual que los pocos programas que se emiten en directo sacan el máximo partido de ello. Pero la influencia de la Segunda Guerra Mundial sobre la grabación magnética fue mucho más allá de sus usos en los espectáculos y las comunicaciones. El esfuerzo de guerra americano aceleró el desarrollo de los ordenadores electrónicos digitales. Una de estas máquinas, el Whirlwind I, creada en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en los años cuarenta y cincuenta, tenía una “memoria de núcleos” formada por un enrejado de imanes de ferrita. Estos
dos como la tos de Crosby trasindeseables, decir “Si le gusta fumar”, en un anuncio de cigarrillos. Camras fue uno de los promotores de la banda sonora magnética en las películas. Desde la aparición del cine sonoro se usaba un sistema óptico que convertía el sonido en una señal luminosa de intensidad variable, que se registraba en la película. La grabación magnética simplificaba enormemente el montaje de diálogos, música y efectos sonoros, por lo que la técnica se impuso rápidamente. El sonido de la mayoría de las producciones de Hollywood se grababa magnéticamente en 1951, aunque muchas de las copias distribuidas tuviesen bandas sonoras ópticas. También la televisión, que en 1949 ya consumía más película que Holly-
imanes, de forma toroidal, podíano anser magnetizados en sentido horario tihorario, represe ntando un cero o un uno del sistema binario. Otras memorias magnéticas de ordenador han utilizado las cintas (como el UNIVAC 1, el primer ordenad or comercializado en los Estados Unidos, que las usaba en su memoria auxiliar), tambores (cilindros magnetizados con bandas alrededor de su circunferencia) y discos (tanto duros como blandos). Los circuitos integrados sustituyeron a las memorias de núcleos en los años setenta, pero los discos duros magnéticos continúan siendo la principal forma de almacenamiento de la información en un ordenador. Su capacidad ha aumentado considerablemente en los últimos años. Las ca-
ria de unesconjunto de partículas magnéticas mucho más objetiva y fiable que la del cerebro humano, que depende de un mecanismo electroquímico subjetivo y a veces errático. Desde el punto de vista ético, toda grabación debería equidistar entre la búsqueda de la verdad y el derecho a la intimidad. Si bien se ha cuestionado el uso de cámaras o de grabadoras ocultas, no es menos cierto que las imágenes de vídeo con el apaleamiento de Rodney King destaparon el tema de la brutalidad policial en los Estados Unidos. Las cámaras de vídeo han revelado también abusos realizados en hospitales. El equipamiento de vídeo de las instituciones bancarias y las grabaciones autorizadas por el juez han contribuido a la resolución de muchas causas, mien-
magnético wood, adoptó en rápidamente los años de posguerra. el sonido Es más, se vislumbraban técnicas gemelas ideales para la televisión, la grabación magnética de imágenes o vídeo . Pero antes tenía que superarse un gran obstáculo. Las grabaciones de audio requieren la reproducción de señales de frecuencia inferior a 20.000 ciclos por segundo, que es la máxima frecuencia perceptible por el oído humano. Las señales de vídeo, en cambio, tienen que transmitir muchos más datos. Para crear la ilusión de un movimiento continuo, la televisión norteamericana utiliza 30 imágenes por segundo (en la mayor parte de Europa y del resto del mundo se usan 25), cada una de las cuales contiene centenares de líneas horizontales que constan a su vez de centenares de puntos. En lugar de acelerar la velocidad de la cinta, los ingenieros de vídeo montaron ingeniosamente un cabezal rotatorio que permitía aumentar el movimiento relativo entre el cabezal y la cinta. Gracias a este mecanismo, Ampex presentó el primer vídeo comercial en 1956. Las emisiones grabadas son tan comunes en la
óxidosuperficiales pas de hierro han decedido partículas el paso dea finas películas de aleaciones ricas en cobalto, que son más magnéticas que los óxidos. Para leer los discos ya no se usa la inducción electromagnética, sino la magnetorresistencia, que detecta el campo magnético de un disco a través de la variación en la resistencia eléctrica de la cabeza lectora. Por todo ello, a pesar de la competencia creciente de sistemas ópticos basados en el láser, como el CD-ROM, la grabación magnética (que incluye un híbrido denominado grabación magnetoóptica) es aún la técnica más importante de almacenamiento de información electrónica. Desde los años cincuenta no han dejado de aparecer nuevos productos de consumo que utilizan la grabación magnética. En 1963 Philips presentó la casete de audio compacta, cuyas ventas superarían a las de los discos de vinilo en una veintena de años. El vídeo doméstico apareció en los años setenta y muchas películas han recaudado más a través del alquiler de vídeos que en las salas de proyección. Las ventas de cámaras de vídeo (un
en las tras que cajas las grabaciones negras han contenidas permitido esclarecer las causas de numerosos accidentes de aviación. Puede decirse que el invento de Poulsen ha hecho más bien que mal en términos generales. El uso de materiales magnéticos para almacenar datos, imágenes y sonido es una técnica imprescindible para nuestra sociedad. Poulsen no pudo imaginar hace un siglo las consecuencias que traería su invención. Hoy necesitaríamos una grabación magnética para recordarlas.
LA INFORMACIÓN
producto de los ochenta) y el uso de la codificación magnética en tarjetas de crédito y de identificación han crecido espectacularmente. Son muchos los hogares que disponen actualmente de contestadores telefónicos automáticos, precisamente el propósito que motivó la invención de Poulsen hace cien años. Grabar o no grabar
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a posibilidad de que se graben actuaciones y conversaciones sin que sus protagonistas se den cuenta plantea, sin embargo, problemas éticos. Para bien o para mal, la memo-
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA MAGNETIC RECORDING. S. J. Begun. Murray Hill Books, 1949. MAGNETIC RECORDING HANDBOOK. Marvin Camras. Van Nostrand Reinhold, 1988. M AGNETIC RECORDING : T HE F IRST 100 Y EARS . Dirigido por Eric D. Daniel, C. Denis Mee y Mark H. Clark. IEEE Press, 1999.
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¿Son perdurables los documentos digitales? La sustitución del papel por el soporte digital ha creado una profunda revolución en el mundo del registro de documentos. Pero los archivos digitales pueden perderse, si no se actúa de inmediato Jeff Rothenberg
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ño 2054. Mis nietos (que no han nacido aún) están explorando el desván de mi casa (que no he comprado todavía). Descubren una carta fechada en 2004 y un CDROM. La carta dice que el disco contiene un documento en el que se da la clave para heredar mi fortuna (que no he ganado aún). Mis nietos sienten viva curiosidad, pero jamás han visto un disco compacto, salvo en viejas películas. Aun cuando localizaran un lector de discos adecuado, ¿cómo lograrían hacer funcionar los programas necesarios para la interpretación del contenido? ¿Cómo podrían leer mi anticuado documento digital? La fabulilla pone sobre la mesa ciertos problemas que entrañan los documentos digitales. De no ser por la carta explicativa, mis nietos no tendrían motivos para pensar que mereciera la pena descifrar el disco. La carta posee la envidiable propiedad de ser legible sin máquinas, instrumentos o conocimientos especiales, aparte del propio idioma. Debido a que la información digital puede copiarse y recopiarse a la perfección, se alaba a menudo su incuestionada longevidad. Pero la verdad es otra. Dado el carácter mudable de programas y circuitería, dentro de 50 años lo único directamente inteligible será la carta. El progreso de la técnica asociada a la información está revolucionand o nuestra concepción sobre el archivo de documentos. Y lo hace de forma tan arrolladora como operó la introducción de la imprenta, por no decir la propia escritura. La presente generación de registros electrónicos posee una importancia histórica excepcional. Sin embargo, estos documentos son mucho más frágiles que el papel, quedando en peligro por ello toda la crónica de nuestro tiempo. 52
Mi preocupación no carece de fundamento. Han sido varias las veces que ha podido producirse una catástrofe. Un informe de 1990 de la Cámara de Representantes de los EE.UU. refiere cómo se salvó por los pelos el censo de 1960. Los datos científicos corren riesgos parecidos, al ir envejeciendo y perderse en el olvido los registros irreemplazables de numerosos experimentos realizados por la NASA y otras organizaciones. a información digital, en teoría invulnerable a los embates del tiempo, se almacena en medios ma-
sucesión de bits deliberadamente construida, sin espacios intermedios, puntuación o formato. La recuperación de una corriente binaria requiere dispositivos físicos y circuitos especiales aptos para leer la representación física de los bits en el medio donde están registrados; por ejemplo, un lector de discos. Para acceder al dispositivo desde un determinado ordenador se necesita también un programa controlador (“driver”). Y después de recuperado el flujo binario, se requiere interpretarlo. Dicha tarea no es nada fácil, porque una corriente binaria puede representar casi lo que se quiera, desde una
eternos. Si teriales que el CD distan de mi mucho desvándefuese ser magnético en lugar de óptico, probablemente resultaría vano el empeño en leerlo. Los campos magnéticos parásitos, la oxidación y la degradación de los materiales borran esos discos. El contenido de casi todos los soportes digitales se esfuma mucho antes que las palabras escritas en papel de calidad. Es frecuente que resulten inutilizables mucho antes, al sustituirlos por formatos nuevos e incompatibles. ¿Quién recuerda los discos flexibles de ocho pulgadas? Empero, ni la fragilidad física de los medios digitales, ni su suicida tendencia a quedar anticuados constituye el peor de los problemas de mis nietos. Mis descendientes no sólo tendrán que extraer el contenido del disco, sino interpretarlo correctamente. Para comprender la dificultad en que se encuentran resulta necesario examinar la naturaleza del almacenamiento digital de información, que puede realizarse sobre cualquier medio capaz de representar los dígitos binarios (“bits”) 0 y 1. Se denomina “corriente binaria” a cualquier
la disposición sucesión de números de los puntos enterosenhasta una imagen de estilo puntillista. Además, la interpretación de una corriente binaria pasa por la comprensión de su estructura implícita, que no cabe representar explícitamente en la corriente. Una corriente binaria que represente una sucesión de caracteres alfabéticos puede consistir en tramos de longitud fija (“bytes”), cada uno de los cuales es representación codificada de un solo carácter. Por ejemplo, en uno de los sistemas en uso, los ocho bits 01110001 denotan la letra q. Para extraer bytes de la corriente binaria y descomponerla “morfológicamente” en sus constituyentes, hace falta conocer la longitud de byte. Para aportar esa longitud de byte podemos codificar una “clave” al principio de la corriente binaria. Pero también esta clave ha de estar representada por un byte de cierta longitud. Por consiguiente, un lector necesita otra clave para comprender la primera. La solución de este problema recursivo recibe en la jerga informática el nombre de “bootstrap” (que podríamos traducir aquí por “auto-
De aquí a la eternidad
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TEMAS 36
lanzamiento”). En este caso, el propio sistema de lanzamiento ha de suministrar cierto contexto, legible por las personas, que explique la forma de interpretar el medio de almacenamiento digital. En la fábula familiar, cumple ese papel la carta que acompaña al disco. Descompuesta correctamente la corriente binaria, hay que afrontar otro problema recursivo. En un código cualquiera, un byte puede representar, por ejemplo, un número o un carácter alfabético. Para interpretar tales bytes necesitamos conocer el sistema de codificación. Pero si tra-
remos otro identificador de código para interpretar al primero. Lo mismo que antes, un contexto legible por personas tiene que servir para el lanzamiento. Hay otro aspecto más problemático: las corrientes binarias pueden contener información compleja, rica en referencias cruzadas. La corriente suele almacenarse en forma de un fichero o colección de bits que contienen elementos lógicamente relacionados, pero físicamente separados. Dichos elementos se concatenan mediante referencias internas, consistentes en señalizadores de otros
tamos de averiguar dicho sistema insertando un identificador de código en la propia serie binaria, necesita-
elementos o en patrones de concordancia. (Los documentos impresos exhiben sistemas parecidos; en ellos,
la numeración de las páginas sirve de señalizador.) Interpretación de una corriente binaria
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maginemos que mis nietos consiguen leer la corriente de bits del CD-ROM. Tendrán que afrontar entonces la verdadera dificultad: interpretar la información inmersa en la corriente binaria. En la mayoría de los archivos, la información que contienen tiene sólo significado para las aplicaciones con que se crearon. Los ficheros de tratamiento de textos incluyen instrucciones de formato, que describen la tipografía, orga-(tínización del escrito y paginación tulos, capítulos, etc.). Los archivos
G R E B N E H T O R F F E J
1. LOS MEDIOS DIGITALES se quedan anticuados rápidamente. Los de la fotografía no han logrado mantenerse legibles durante la centésima parte del tiempo que lo ha sido la Piedra Rosetta. El texto en griego clásico grabado en la piedra, descubierta en 1799 por una compañía de zapadores del ejército francés, permitió en-
LA INFORMACIÓN
tender las escrituras jeroglífica y demótica de los antiguos egipcios. Además de ser legible al cabo de 22 siglos, la Piedra Rosetta (la de la fotografía es una copia) debe su preservación al impacto visual de su contenido, atributo del que carecen los medios digitales.
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correspondientes a hojas de cálculo llevan incorporadas las fórmulas con que se relacionan sus casillas. Los archivos de los “hipermedios” portan información que identifica y concatena textos, gráficos, sonido y datos temporales. Por conveniencia, denominaremos codificación del archivo de un documento a tal información subyacente, incluidos todos los restantes aspectos de la representación de una corriente binaria, entre ellos, longitud de byte, código de caracteres y estructura. Tales archivos son, esencialmente, programas: instrucciones
der un documento cualquiera, hemos de entender qué significa su contexto en el lenguaje del lector al que está dirigido. Desdichadamente, el destinatario del archivo de un documento es un programa. Resulta imposible la lectura de documentos como las presentaciones multimediáticas sin disponer de los programas adecuados; a diferencia de las palabras impresas, no basta con “acercarlas a la luz.” ¿Es necesario utilizar el programa específico con el que fue creado un documento? En ciertos casos, soportes lógicos similares pueden lograr la decodificación, al menos parcial, de
fáciles de decodificar en el futuro si el ASCII de siete bits siguiera siendo el estándar preferido para textos. Pero ASCII no es el único código de uso generalizado para texto y, por otra parte, existen propuestas de ampliarlo a un código de 16 bits (para dar cabida a alfabetos distintos del inglés). Los lectores del futuro podrían verse incapaces, por tanto, de adivinar el estándar de texto correcto. Para complicar las cosas, los escritores rara vez guardan su trabajo en forma de texto puro. Como Avra Michelson y el autor hicieron notar en 1992, los escritores acostumbran
ylosdatos que sólo pueden interpretarsoportes lógicos adecuados. Un archivo no constituye por derecho propio un documento: es, simplemente, la descripción de un documento, el cual adquiere existencia cuando el archivo interpreta el programa que lo produjo. Sin este programa (o un soporte lógico equivalente), el documento es críptico rehén de su propia codificación. La decodificación por tanteo no es imposible cuando el documento consiste en mera secuencia de caracteres. Pero si se trata de un documento complejo, resulta inverosímil que un ataque a lo bruto tenga é xito. El significado de un archivo no es algo inherente a los bits que lo componen, como el de esta frase no lo es a las palabras que la forman. Para compren-
un archivo. Pero hemosque de la caer en la ingenuidad deno pensar codificación de un documento cualquiera —por natural que nos parezca— seguirá siendo legible durante mucho tiempo por otros programas. La técnica está creando sin cesar nuevos esquemas, que dejan abandonados a sus predecesores, en vez de subsumirlos. El tratamiento de textos nos ofrece un buen ejemplo de este fenómeno. La mayoría de los programas al efecto permiten al usuario guardar su trabajo en forma de texto simple, utilizando el actual código ASCII (“American Standard Code for Information Interchange”, código estándar americano para intercambio de información), que es un código d e siete bits. Tales textos serían relativamente
dar formato de a suescritura trabajo en el inicio del proceso y añaden figuras y notas al pie con el fin de que sus srcinales resulten más legibles y completos. Si entendemos que “leer” un documento consiste meramente en extraer su contenido, sin conservación de su forma primitiva, es posible que no necesitemos recurrir al programa original. Pero el contenido puede perderse de muchas maneras sutiles. Por ejemplo, en tratamiento de textos, la traducción de los formatos provoca a menudo el desplazamiento o la eliminación de encabezamientos, epígrafes y notas al pie. ¿Se trata sólo de una pérdida de estructura, o resulta afectado el contenido? Si transformamos una hoja de cálculo en una tabla, eliminando las fórmulas que
SOPORTE
OBSOLESCENCIA
5 AÑOS 1 AÑO
DURACION FISICA
CINTA MAGNETICA 5 AÑOS DE 1 A 2 AÑOS CINTA DE VIDEO 5 AÑOS DE 5 A 10 AÑOS DISCO MAGNETICO
10 AÑOS 30 AÑOS
G N I N E R B A N A J
DISCO OPTICO
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2. ESPERANZA DE VIDA de diversos medios de almacenamiento digital de uso común, estimada por lo bajo, para garantizar que no se pierda ningún dato. (Las cintas analógicas, como las utilizadas para registros de audio, pueden reproducirs e durante muchos años, porque las señales grabadas, mucho más robustas, tardan más en degradarse.) El tiempo estimado para el envejecimiento de cada medio se refiere a un formato de registro particular.
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tabla, ¿queda relacionan entre alterado sí las casillas el contenido? de la Supongamos que el CD de mi desván contiene un mapa del tesoro, definido por los motivos visuales creados por el espaciado entre palabras y las líneas de mi versión digital srcinal de este artículo. Dado que esos motivos y siluetas son artefactos de los algoritmos de formato de mi programa, únicamente serán apreciables cuando se examine la versión digital mediante mi programa srcinal. Si necesitamos ver un documento con el mismo aspecto que lo concibió su autor, no hay más opción que recurrir al paquete de programas utilizado para generarlo. ¿Con qué probabilidades contarán mis nietos de hallar esos programas dentro de cincuenta años? Aunque yo incluyera en el CD una copia del programa, todavía tendrían que dar con el sistema operativo que permite al programa funcionar en determinado ordenador. Almacenar en el disco una copia del sistema operativo podría servirles de ayuda, pero el equipo informático necesario para hacerlo funcionar habría quedado fuera de servicio desde hacía mucho tiempo. TEMAS 36
¿Qué clase de “Piedra Rosetta” digital podría dejarles yo, que les proporcionase la clave para comprender el contenido del disco?
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ara impedir que se pierdan los documentos digitales, hemos de empezar preservando sus corrientes binarias. Lo cual significa copiar los bits sobre soportes de nuevos tipos, y así garantizar su accesibilidad. El método se asemeja al de la conserva-
eliminando así la necesidad de recurrir a programas anticuados. Los proponentes de este método ofrecen como ejemplo paradigmático la base de datos relacional, introducida en los años setenta por E. F. Codd. Dicha base de datos consiste en tablas que representan relaciones entre entidades. Una base de datos de empleados podría contener una tabla dotada de columnas para los nombres de los trabajadores y de los departamentos a que pertenecen.
ción de textos, que es preciso transcribir periódicamente. Ambas actividades exigen un esfuerzo incesante; el acceso futuro se funda en una cadena ininterrumpida y frecuente de migraciones, que impida que el soporte se vuelva físicamente ilegible o anticuado antes de copiarse. Una simple rotura de esta cadena torna inaccesible la información digital, salvo a costa de esfuerzos heroicos. Dada la actual falta de permanencia de los soportes y la velocidad con que evolucionan sus formas, tal migración puede resultar necesaria cada pocos años. Estimaciones a la baja sugieren que los
Una segunda tabla de laen base de datos podría listar la primera columna los nombres de los departamentos, los tamaños de los mismos en la segunda, y el nombre del jefe de departamento en la tercera. El modelo relacional define un conjunto de operaciones formales que posibilitan la combinación de las relaciones entre tablas: por ejemplo, hallar el nombre del jefe de departamento de cierto empleado. Puesto que todos los sistemas de bases de datos relacionales llevan a la práctica este mismo modelo subyacente, cualquiera de tales bases de datos puede en principio
Migraciones de bits
3. FRAGMENTO SOBRE EL GUAYACAN deLa Historia Medicinal de las cosas que se traen de nuestras Indias Occidentales, que sirven en Medicina, de Nicolás Monardes, en su edición de 1580. Sirve de ejemplo para indicar la longevidad de los libros impresos. El texto es perfectamente legible cuatro siglos después.
néticaretenidos datos digital deberían en cinta comagpiarse una vez al año para garantizar que no haya fugas de información. (La capacidad de reproducir cintas analógicas perdura muchos años, porque las señales registradas en ellas son mucho más robustas y su degradación, más lenta.) Es posible que, a la larga, acabemos desarrollando medios de almacenamiento de larga duración, con lo que la migración resultaría menos apremiante. Por el momento no asoman por el horizonte medios de mayor longevidad. Sin embargo, el costo de la migración puede terminar imponiendo el desarrollo de tales productos, venciendo nuestro apetito por rendimientos superiores. Un texto antiguo puede conservarse por traducción a un lenguaje moderno o por copia en su dialecto original. La traducción tiene a su favor que evita la obligación de conservar el conocimiento del lenguaje srcinal; sin embargo, pocos eruditos alabarían a sus predecesores por haber tomado esta senda. Con la traducción no sólo se pierde información, sino que también resulta imposible LA INFORMACIÓN
saber qué información ha desaparecido con la pérdida del srcinal. (En casos extremos, la traducción invalida completamente el contenido: imaginemos la traducción a ciegas de los dos idiomas de un diccionario bilingüe a un tercer idioma.) Recíprocamente, al copiar texto en su idioma srcinal (conservación de la corriente binaria) se garantiza la integridad absoluta. Desde luego, este método da por supuesta la conservación del conocimiento del idioma srcinal. Los archiveros han desarrollado dos estrategias análogas para la preservación de documentos digitales. La primera consiste en traducirlos a formas normalizadas que sean independientes de cualquier equipo informático. La segunda consiste en prolongar la longevidad de los equipos informáticos y de sus soportes lógicos srcinales, con el fin de conservar legibles los documentos. Ambos métodos sufren de graves limitaciones. A primera vista, se diría preferible la traducción de los documentos digitales a formas normalizadas, que siguieran siendo legibles en el futuro,
ser traducida tabular normalizada, a una forma aceptable en cualquier otro sistema. Los archivos representados de esta manera podrían ser copiados a nuevos moldes conforme fuera siendo necesario, y el sistema normalizado garantizaría para siempre su legibilidad. Fallos de traducción
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ero ese método adolece de dos fallos fundamentales. Ante todo, las bases de datos relacionales están menos normalizadas de lo que parece. Los sistemas comerciales de bases de datos relacionales se distinguen unos de otros por ofrecer características que amplían el modelo relacional en formas no estandarizadas. Además, las limitaciones de tales bases conducen a la adopción de nuevos modelos. Las tablas de una base de datos relacional no traslucen ninguna estructura. Por ejemplo, la base de datos podría no dejar claro a primera vista que una empresa consta de una sede central, cinco secciones nacionales, 25 divisiones y 100 departamentos. Para satisfacer ese vacío se han desarrollado diversos modelos de bases de datos “dirigidas a objetos” (capaces 55
Seleccionemos los datos de un extracto de cuenta bancaria FECHA 4/5/94 4/26/94 4/27/94 11/3/94
OPERACION INGRESO EFECTIVO TALON N.o 314 INGRESO EFECTIVO TALON N.o 315
IMPORTE
SALDO
$500.00 $100.00 $50.00 $100.00
$500.00 $400.00 $450.00 $350.00
Eliminemos todos los espacios y signos de puntuación; traduzcamos las fechas a series de seis dígitos (mmddaa), los números de los talones a cuatro cifras; sustituyamos "ingresos" por "0000"; expresemos con 11 dígitos los importes en dólares 04059400000000005000000000050000 04269403140000001000000000040000 04279400000000000500000000045000 11039403150000001000000000035000
mas de larga duración para los documentos digitales podría resultar factible cuando la ciencia informática descanse sobre cimientos más formales, pero tales estándares no ofrecen todavía una solución. La traducción de documento s a sucesivas normas de corta duración ofrece sólo falsas esperanzas. La sucesiva traducción elude la necesidad de una normalización definitiva, pero cada traducción provoca nuevas pérdidas. ¿Tendría el mismo impacto literario una versión moderna de la Ilíada de Homero si se hubiera traducido a través de una serie de lenguajes in-
termedios, en lugarmás de hacerlo desde los textos griegos antiguos que han sobrevivido? En teoría, la traducción de un documento mediante una serie de estándares debería permitir la reconstrucción del documento ori4. LA COMPRENSION de una corriente de bits exige conocer el formato utilizado para crear- ginal. Pero eso exigiría que cada trala. Si se escribieran unos tras otros todos los números de un extracto de cuenta bancaria, ducción fuese reversible sin pérdida, sin nada que distinguiera las referencias de las operaciones, ni las fechas, ni los importes, lo que no suele darse. sería imposible entender la serie de guarismos resultante. Finalmente, la traducción adolece de un fallo fatal. A diferencia de nuestro idioma o del griego clásico, cuya de representar la estructura directadiata de la tendencia de la técnica a semántica y potencia expresiva son mente). Tan rápida evolución no es adaptarse a las necesidades que se poco más o menos equivalentes, los ni accidental ni indeseable. Consles van creando a los usuarios. documentos digitales están evotituye, por contra, el marchamo de la Hasta el momento, ninguna apli- lucionando con tal velocidad, que técnica asociada a la información. cación de uso corriente está lista para inevitablemente han de producirse Lejos de representar un ejemplo constituirse en norma. Carecemos de desviaciones en la forma de los docuarquetípico, las bases de datos relauna comprensión formal y aceptada mentos. Las formas nuevas no siemcionales son un caso prácticamente de los procedimientos con que las perpre subsumen a sus predecesoras ni único. Ningún otro tipo de documento sonas manipulan información. Por admiten compatibilidad con formatos Al concatenar las cifras anteriores, se obtiene una corriente de dígitos decimales 04059400000000005000000000050000042694031400000 01000000000040000042794000000000005000000000450 0011039403150000001000000000035000
E C A R G IE R U A L
ra la normalización. digital posee una base Los tandocumentos formal pacreados por los procesadores de texto, los programas de grafismo, las hojas de cálculo o los programas hipermediáticos encierran mayor diversidad. La incompatibilidad de los ficheros creados por los procesadores de texto sirve de ejemplo de este problema, que no surgió simplemente porque las compañías se esforzasen en diferenciar sus productos en el mercado. Se trata más bien de una secuela inme-
E C
merar las clases consiguiente, resulta más prematuro importantes enude aplicaciones digitales, y no digamos, circunscribir sus capacidades mediante normas. Sería fútil obligar a los usuarios a aceptar las limitaciones impuestas por tales normas, o imponer que todos los documentos digitales contengan sólo texto, a modo de mínimo común denominador. La revolución informática extrae su impulso precisamente del atractivo de las nuevas posibilidades. La definición de nor-
no siempre Los anteriores. pueden documentos traducirse antiguos de manera significativa a formas nuevas; con frecuencia, resulta imposible traducir a la inversa un archivo actual y devolverlo a su forma primitiva. En este sentido, muchas bases de datos antiguas, de tipo jerárquico, hubieron de rediseñarse por completo para adaptarlas al modelo relacional, lo mismo que las bases de datos relacionales han experimentado un proceso de reestructuración para acomodarlas a los modelos “objetuales”. Los desplazamientos de este tipo CLAVE DESEADA hacen difícil, o incluso carente de senBYTES DE DATOS DE 4 BITS tido, la traducción del documento a DESEADOS, DE 7 BITS (VALOR nuevas formas normalizadas. DE 0111 = 7) La alternativa a la traducción de CORRIENTE 0111 1100000000101010100000000100000111101110 un documento digital consiste en exaBINARIA: minarlo mediante el programa que lo BYTES DE DATOS produjo. En principio no sería obliCLAVE INDESEADA NO DESEADOS, gado movernos con el soporte lógico DE 5 BITS (VALOR DE 15 BITS srcinal. Si pudiéramos describir su DE 01111 = 15) comportamiento con plena indepen5. CLAVE DE CODIFICACION para desvelar la organización de una corriente de bits. En este dencia del sistema de computación, caso, los cuatro primeros bits representan el entero 7, lo que significa que los bytes res- las generaciones venideras podrían tantes tienen cada uno longitud de siete bits. No hay, sin embargo, forma de saber la longi- volver a crear el comportamiento del tud de la clave de codificación a partir de la corriente de bits propiamente dicha. Si tomá- programa y, por tanto, leer el docuramos como clave los cinco primeros bits, concluiríamos erróneamente que los bytes mento. Pero la ciencia informática no es capaz todavía de describir el restantes constaban de 15 bits.
A R G E I R U A L
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TEMAS 36
comportamiento de los soportes lógicos con la profundidad suficiente para que esto funcione, ni es verosímil que lo consiga en un futuro cercano. Para reproducir el comportamiento de un programa no queda hoy más remedio que ejecutarlo. Por esta razón resulta preciso guardar los programas que generan nuestros documentos digitales, así como toda la base informática requerida para hacerlos funcionar. Aunque la tarea es monumental, es teóricamente factible. Los autores suelen incluir un programa de aplicación adecuado y un sistema operativo para facilitar a los destinatarios la lectura deaplisus documentos digitales. Ciertas caciones y sistemas operativos pueden ser ubicuos; en tal caso, basta que los autores se lo indiquen a sus lectores. En Internet se dispone de programas gratuitos, de dominio público. Además, cuando los programas con propietario quedan anticuados suelen caducar los derechos de “copyright”, quedando a libre disposición de futuros usuarios. ¿Cómo podremos disponer de los equipos materiales en los que ejecutar los programas y bases operativas de sistemas anticuados? Cierto número de museos especializados y de foros de “retrocomputación” se esfuerzan por mantener en funcionamiento ordenadores que hace tiempo quedaron fuera de servicio. A pesar del arqueología innegable encanto informática, de este empeño el método de es, en última instancia, fútil. El costo de la reparación o sustitución de componentes desgastados (y de mantener el saber técnico necesario para esta labor) acabará por pesar más que la demanda hacia cualquier ordenador periclitado. Salvar trocitos de historia
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or fortuna, los ingenieros de programación pueden preparar programas especiales, llamados emuladores, que remedan el comportamiento de los equipos físicos. Suponiendo que los ordenadores alcancen mucha mayor potencia, deberían ser capaces de emular bajo demanda sistemas anticuados. El principal inconveniente de la emulación es que exige una especificación minuciosa del equipo a remedar. Para que la posteridad pueda leerlas, tales especificaciones han de guardarse en una forma digital independiente de cualquier soporte lógico concreto, para no tener que emular un sistema que lea las especificaciones necesarias para la emulación de otro. Si hay que conservar los docuLA INFORMACIÓN
ENTERO
CARACTER
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U
CORRIENTE BINARIA:
01011100000
E C A R G E I R U A L
SONIDO
00000000100000111101110
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IMAGEN NUMERO REAL
1.3125
MAPA LOGICO DE BITS
NO, NO, NO, SI NO, SI, NO, SI
6. LA INTERPRETACION de una corriente de bits es imposible sin información contextual. Esta secuencia de ocho bits admite, al menos, seis modos de interpretación.
mentos digitales y sus programas, es imperativo que su migración no modifique sus corrientes binarias, pues el más mínimo cambio puede corromper los programas y sus archivos. De resultar inevitables tales cambios, han de ser reversibles y sin fugas. Es preciso, además, registrar suficientes pormenores de cada transformación, para permitir la reconstrucción de la corriente binaria srcinal. Aunque podemos diseñar las corrientes binarias de suerte tal que sean inmunes a cualquier cambio esperado, la
una serie binaria en un soporte nuevo, el contexto asociado a ella podría trasladarse a una norma de lanzamiento actualizada. (En esta situación, resultaría aceptable una traducción irreversible, porque tan sólo se requiere mantener el contenido semántico del contexto srcinal.) Estas normas sirven tambié n para cod ificar las especificaciones de los equipos físicos necesarias para la construcción de emuladores. ¿En qué situación quedan, pues, mis nietos? Si incluyo en el disco toda
alteraciones migración futura inesperadas. podría introducir A modo de ejemplo, una compresión de datos agresiva puede convertir una corriente binaria en una aproximación de sí misma, tornando imposible una reconstrucción minuciosa y fiel de la corriente srcinal. De igual manera, la encriptación bloquea la recuperación de la corriente binaria srcinal sin la clave de decodificación. Lo ideal sería que las corrientes binarias quedaran selladas en sobres virtuales: sus contenidos se conservarían al pie de la letra, y la información contextual asociada con cada sobre describiría su contenido y el historial de sus transformaciones. Sería preciso que esta información se grabara en forma digital (para garantizar su supervivencia), pero también sería preciso que estuviera codificada en una forma que las personas pudieran leer mejor que la corriente binaria propiamente dicha, para así resolver el problema del lanzamiento. En consecuencia , hemos de adoptar normas de lanzamiento para la codificación de información contextual; bastaría para ello una norma sencilla, en texto puro. Cada vez que se copiara
mente la basecon informática especificaciones requerida completas juntay fáciles de descifrar concernientes al equipo físico necesario, tal vez logren generar un emulador capaz de ejecutar los programas srcinales encargados de mostrarles mi documento. Les deseo suerte.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA UNDERSTANDING ELECTRONIC INCUNABULA : A F RAMEWORK FOR RESEARCH ON ELECTRONIC RECORDS. Margaret Hedstrom en American Archivist, vol. 54, n.o 3, páginas 334-354; verano de 1991. A RCHIVAL T HE OR Y AN D I NFORMATION TECHNOLOGIES: THE IMPACT OF INFORMATION T ECH NOL OGI ES ON A RCHIVAL PRINCIPLES AND PRACTICES. Charles M. Dollar. Dirigido por Oddo Bucci. mation and Documentation Series Inforn.o 1, Universidad de Macerata, Italia, 1992. SCHOLARLY COMMUNICATION AND INFORMATION T ECHNOLOGY : E XPLORING THE IMPACT OF CHANGES IN THE RESEARCH PROCESS ON ARCHIVES. Avra Michelson y Jeff Rothenberg en American Archivist, vol. 55, n.o 2, págs. 236-315; primavera de 1992.
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La crisis de las memorias masivas La técnica de discos magnéticos se acerca veloz a una barrera física: el efecto superparamagnético. Serán necesarias sagaces innovaciones para poder superarla Jon William Toigo
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uchas empresas y entidades comprueban que el volumen de datos generados por sus ordenadores se duplica cada año. Las bases de datos colosales, de más de un terabyte (es decir, 10 12 bytes), se están convirtiendo de excepción en norma, por la tendencia de las compañías y organismos a mantener en línea una parte creciente de sus registros, que almacenan en discos magnéticos rígidos (discos duros) para
la recuperación y el análisis de datos, pueden identificar rápidamente tendencias del mercado, suministrar mejor servicio a sus clientes, afinar los procesos de manufactura, y así por menudo. Desde la otra orilla, los consumidores están sirviéndose de ordenadores personales de precio modesto para manejar una plétora de datos propios y guardar un sinfín de mensajes electrónicos, hojas de cálculo de la contabilidad doméstica,
duros de alta capacidad y bajo costo. El perfeccionamiento de esta técnica ha sido legendario: la capacidad de los discos duros mantuvo un crecimiento de un 25 a un 30 por ciento anual entre 1980 y 1990, y aceleró hasta un promedio del 60 por ciento anual en el último decenio. A finales de 1999, el incremento anual había alcanzado el 130 por ciento. Hoy, la capacidad de los discos se está duplicando cada 9 meses, con gran ven-
Los beneficios una fácil consulta de tal deproceder la información. no son menguados. Las empresas, provistas de la programación idónea para
de juegos dedigitalizadas fotografías ordenador. y toda clase Todo ha sido posible merced a unidades de memoria masiva, a discos
cuitos, taja sobre que los obedecen avances a laen leymicrocirde Moore (duplicación cada 18 meses.) Mientras, el costo de los discos duros ha caído en picado. Disk/Trend, una compañía de Mountain View, en California, que estudia la evolución de esta industria, nos informó de que el precio medio por megabyte de los discos duros había caído desde 11,54 dólares en 1988 hasta 0,04 dólares en 1998. En la actualidad, pueden encontrarse discos duros por tan sólo unas décimas de milésima de dólar el megabyte. Tan notable combinación de capacidad creciente y precio descendente ha tenido por efecto un próspero mercado. Ahora bien, resulta muy cuestionable que la industria pueda seguir manteniendo estos fantásticos resultados económicos. En años próximos, la técnica podría alcanzar un límite impuesto por el efecto superparamagnético (ESP). Sucintamente, el ESP consiste en un fenómeno físico que se produce en el almacenamiento de datos cuando la energía necesaria para la conservación del espín magnético de los átomos que constituyen un bit (sea un 0 o un 1) viene a coin-
1000 ) S E R A L O (D
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E T Y B A G E M R O P O I D E M O I C E R P
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1. EL PRECIO DE LOS DISCOS DUROS POR GIGABYTE DE MEMORIA que puede guardar ha ido bajando en picado en los últimos años.
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TEMAS 36
9 9 9 1 , S S E R P E E E I ,l a t e L IE N A D . D . E R O P O ID IG IR D ,
S R A E Y 0 0 1 T S IR F E H :T G N I D R O C E R C I T E N G A M : E T N E U F / N IG S E D R E P A R D M O T
100.000.000
10.000.000
) a d ra d a u c a d a lg u p r o p ts i b o il k ( l a i c fir e p u s d a d i s n e D
1.000.000
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2. LA DENSIDAD DE DATOS almacenados en un disco duro se ha multiplicado por decenas de millones durante la segunda mitad del siglo XX, desde que IBM introdujo la primera unidad de discos comercial en 1957. Los catalizadores primarios de un crecimiento tan espectacular han sido los avances en el proceso de miniaturización.
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1 1957
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Año
LA INFORMACIÓN
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cidir con la energía térmica ambiental. Cuando así ocurre, los bits pueden experimentar “mutaciones” aleatorias que truecan los 0 y 1, con la degradación consiguiente de la información que representan. Buscando producir discos duros de capacidad cada vez mayor, IBM, Seagate Technology, Quantum Corporation y otros fabricantes no han cesado de embutir bits en regiones de tamaño cada vez menor, con lo que los datos se tornan más sensibles al efecto superparamagnético. Ciertos expertos juzgan que, de continuar al ritmo de miniaturización actual, la industria podríaPero topar el ESP ya en else año 2005. losconinvestigadores han venido afanando en la elaboración de diversas estrategias para obviar la barrera del ESP. Su ejecución en un mercado caracterizado por una competencia feroz, frecuentes guerras de precios y consumidores muy atentos a sus c ostos constituirá una hercúlea proeza de ingeniería. Maravillas magnéticas
L
as unidades de discos duros, auténticas maravillas de la técnica moderna, constan de varios discos planos, llamados platos, en montaje coaxial. Cada plato está formado por un sustrato de aluminio o vidrio, recubierto con un material magnético, y capas de protección. Unas cabezas de lectura-escr itura, por lo general, una recuperan por cara endatos, cada registrados plato, inscriben en cir-o cunferencias perfectamente definidas sobre el material magnético. Brazos actuadores servomecánicos se encargan de situar las cabezas exactamente sobre las pistas, y un cojinete fluidodinámico de aire hace que las cabezas “sobrevuelen” la superficie a distancias de micras. Un motor hace girar el montaje de platos coaxiales a una velocidad de 3600 a 10.000 revoluciones por minuto. Los orígenes de este diseño básico se remontan a la primera unidad de discos duros, el método de acceso aleatorio de contabilidad y control (RAMAC, de “Random Access Method of Accounting and Control”). Introducida por IBM en 1956, la unidad RAMAC almacenaba datos en 50 platos de aluminio de 24 pulgadas (algo más de 60 cm) de diámetro, recubiertos por ambas caras con una película magnética de óxido de hierro. (El recubrimiento se obtuvo de una imprimación utilizada para pintar el puente Golden Gate de San Francisco.) La RAMAC tenía una capacidad de cinco millones de caracteres, pesaba casi una tonelada y ocupaba 60
Así funcionan los discos duros
LOS FICHEROS se almacenan en los platos codificando magnéticamente ciertas regiones. Un mismo fichero puede quedar disperso entre varias regiones de distintos platos.
LOS PLATOS, discos de metal o vidrio con un recubrimiento magnético, giran a varios miles de revoluciones minuto,de accionados por un motor eléctrico. Lapor capacidad la unidad depende del número de platos y del tipo de recubrimiento magnético.
EL ACTUADOR de las cabezas desplaza los brazos portacabezas sobre los platos. Se encarga de alinear de forma precisa las cabezas con los círculos concéntricos de las pistas magnéticamente definidas sobre la superficie de los platos.
CAJA DE PROTECCION
LA SEPARACION entre una cabeza de lectura-escritura y la superficie del plato es 15.000 veces menor que el diámetro de un cabello humano.
CABEZA
DIAMETRO DE UN CABELLO 75.000 nanómetros
INTERVALO 15 nanómetros
TEMAS 36
CABEZA DE LECTURA-ESCRITURA
DISCO
PELICULA MAGNETICA
LAS CABEZAS de lectura-escritura, situadas en los extremos de los brazos móviles, se desplazan transversalmente sobre las superficies superior e inferior de los discos giratorios. Las cabezas graban los datos en los discos alineando los campos magnéticos de las partículas de la superficie de los discos; leen los datos detectando las polaridades de partículas ya alineadas.
UNA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO recibe las órdenes del controlador de la unidad. El controlador está gobernado por el sistema operativo y por el BIOS (sistema básico de entradas y salidas), un conjunto de programas de bajo nivel que vincula al sistema operativo con los elementos materiales. El circuito traduce las órdenes en fluctuaciones de voltaje, que impelen al actuador a desplazar las cabezas sobre las superficies de los discos. El circuito controla también el motor axial que hace girar a los discos a velocidad constante e informa a las cabezas de la unidad cuándo deben leer y cuándo grabar en el disco.
LA INFORMACIÓN
8 9 9 1 , N IO T A R
O P R O C E U Q , N O I IC D E A T R A U C , E T I H W N O R E D
K R O W S R E T U P M O C W O H : E T N E U F / K C E S T E R E G R O E G
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más o menos lo que dos refrigeradores modernos. En los casi cincuenta años transcurridos desde entonces, diversas innovaciones han permitido multiplicar de forma impresionante la capacidad de las unidades y reducir, en modo no menos asombroso, sus dimensiones. En efecto, en ese plazo, la capacidad de los discos ha saltado varios órd enes de magnitud, con el resultado de que algunos ordenadores de sobremesa actuales cuentan con discos capaces para más de 120 gigabytes (GB). Tom H. Porter, de Seagate Technology en Minneapolis, ex-
plica que la industria ha logrado tales mejoras mediante una miniaturización sistemática. “Cabezas lectoras más pequeñas, platos más delgados, menores distancias de sobrevuelo [la distancia entre la cabeza y el plato]: todo ha consistido en reducción de escala.” Perfeccionamientos capitales
E
n el pasado, muchas de las mejoras de capacidad lograda s en las unidades de disco resultaron de perfeccionamientos de la cabeza de lectura-escritura, que inscribe datos mo-
dificando las polaridades magnéticas de regiones diminutas del medio de almacenamiento, llamadas dominios (cada dominio representa un bit). Para recuperar tal información, se sitúa la cabeza de suerte que los estados magnéticos de los dominios engendren señales eléctricas interpretables como secuencias de unos y ceros. Las cabezas de los primeros productos eran de ferrita, pero a partir de 1979 la técnica de construcción de microcircuitos permitió la fabricación precisa de cabezas de película delgada. Esta cabeza de nuevo tipo lo-
Sistemas magnetoópti cos
U
na estrategia para prolongar la vida útil del percherón que el disco magnético es, podría consistir en suplementarlo con técnica óptica. La metodología híbrida podría llevar a densidades de almacenamiento muy superiores a las actuales decenas de gigabits por pulgada cuadrada (hasta alrededor de 10 GB/cm 2). De hecho, TeraStor, de la californiana San José, afirma que se p odrían superar los 200 gigabits por centímetro cuadrado, mucho más que el supuesto límite impuesto por el efecto superparamagnético. La unidad TeraStor consiste, en esencia, en una variante de la técnica magnetoóptica, en la cual un láser caldea un pu nto diminuto del disco, para inscribir en él información por vía magnética. Una diferenci a crucial, sin embargo, es que TeraStor utiliza una lente de inmersión en sólido (LIS), un t ipo especial de lente esférica truncada. Las lentes LIS, inventadas en la Universidad de Stanford, se basan en la microscopía por inmersión en líquido; en ella, lente y objeto a estudiar se encuentran sumergidos en un líquido, oleoso por lo general, que multiplica la amplificación. Las LIS aplican esa técnica en sentido inverso, con el fin de enfocar un rayo láser sobre un punto de dimensiones inferiores a la micra. La técnica TeraStor es “de campo próximo”, porque la cabeza de lectura-escritura ha de hallarse sumamente cerca del medio de almacenamiento (su separación es menor que la longitud de onda del haz de láser). El medio de grabación consiste en una capa de material magnético similar al de los sistemas magnetoópticos. Pero en vez de ser una película magnética embutida en plástico, la capa de grabación descansa sobre un sustrato de plástico, lo que reduce el costo de producción y permite la escritura directa de datos sobre la superficie de grabación. Lo mismo que en un disco magnético normal, los bits de datos (dominios) se van depositando uno tras otro. Pero en el sistema de campo próximo los bits se inscriben en dirección perpendicular al plano del disco, no horizontalmente sobre su superficie. “Los campos magnéticos de los dominios emanan verticalmente del medio, en lugar de yacer longitudinalmente”, explica Gordon R. Knight, de TeraStor. “Con esta configuración los campos magnéticos de los bits se refuerzan unos a otros, a diferencia de los campos de los bits inscritos en horizontal, y no quedan sujetos al efecto superparamagnético.” Además, la escritura de estos dominios ultrapequeños procede en secuencias que se traslapan; se crea así una serie de bits en forma de media luna. Este método de grabación duplica el número de bits que pueden escribirse linealmente en una pista; de ese modo, la técnica TeraStor logra una capacidad de almacenamiento más alta. La lectura de la información se funda en el efecto Kerr. Se h ace que un rayo de luz sea reflejado por un do minio del disco. Depend iendo de si lo s cristal es del dominio han sido magnetizados para representar un 0 o un 1, la luz resulta polarizada en distintos planos.
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RAYO LASER LENTE OBJETIVO CABEZA SOBREVOLANTE
BOBINA MAGNETICA
LENTE DE INMERSION EN SOLIDO
K C E S T E R
CAPA DE GRABACION
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SUSTRATO DE PLASTICO UN RAYO LASER caldea un punto diminuto del disco; así, la cabeza de grabación puede modificar las propiedades magnéticas del punto y lograr que almacene un 0 o un 1 binario. Con dos lentes se enfoca el haz; lo concentran sobre un punto ínfimo, lo que permite inscribir los bits con una densidad muy elevada. La lente objetivo concentra el haz sobre una lente de inmersión en sólido —piedra angular del sistema— la cual, a su vez, enfoca la luz sobre un punto de diámetro menor que una micra.
La técnica TeraStor se ha venido desarrollando durante casi diez años. Knight reconoce que la entrega de productos se ha visto pospuesta varias veces, mientras la compañía resuelve diversos problemas técnicos. TeraStor cuenta ya con diversos socios fabricantes, entre ellos, Maxell y Tosoh para el medio de almacenamiento, Olympus para los componentes ópticos, Texas Instruments para la microcircuiterí a ancilar, y con Mitsumi para el ensamblaje de la unidad. Quantum Corporation, uno de los pesos pesados de la industria, con sede en Milpitas, ha invertido en TeraStor y le ha facilitado técnica adicional, amén del acceso a su laboratorio de investigación.
TEMAS 36
Las nuevas técnicas habrán de ofrecer beneficios rápidos y poder competir económicamente con los discos duros, advierte Currie Munce, del Centro Almaden de Investigación de IBM en San José graba inscribir bits en dominios más ceñidos. A su vez, en los primeros años noventa, las cabezas de película delgada fueron desplazadas por una técnica revolucionaria creada
habita a más de 150 gigabits por pulgada cuadrada.
que es el número de bits por unidad de superficie.
Sobre la pequeñez de los datos
Seguir las pistas
por IBM. magnetorresistivo Tal innovación, basada en el efecto (observado en 1857, por Lord Kelvin), permitió un gran avance en la densidad de almacenamiento. En vez de leer directamente las variaciones de campo magnético, las cabezas magnetorresistivas buscan minúsculas variaciones de la resistencia eléctrica del elemento de lectura que lo sobrevuela, que está influida por ese campo magnético. Merced a la mayor sensibilidad resultante, pueden reducirse todavía más los dominios de inscripción de datos. Aunque los fabricantes siguieron vendiendo cabezas de película delgada hasta 1996, los sistemas basados en el efecto magnetorresistivo se han ido adueñando del mercado. En 1997, IBM introdujo otra inno-
ero innovaciones en las zaslaslectoras carecerían decabesentido si los discos individuales que componen la unidad no pudieran almacenar mayor densidad de información. Según Pat McGarrah, de Quantum Corporation en Milpitas, son muchas las compañías que a fin de alojar más datos en un disco están buscando materiales magnéticos que permitan utilizar bits más cortos. El problema, empero, es el ESP: al reducir el tamaño de los gránulos o cristales del material magnético para crear bits menores, tales gránulos pueden perder la facultad de mantener un campo magnético a una determinada temperatura. “En realidad, todo se reduce a la estabilidad térmica del medio de almacenamiento”, explica Munce. “Se pueden lograr
P
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tiva gigante vación más: la(CMG), cabezaen magnetorresisla cual los materiales magnéticos y no magnéticos de la cabeza de lectura hállanse estratificados, lo que duplica o triplica su sensibilidad. Mediante la estratificación de materiales de distintas propiedades cuántico-mecánicas, a los ingenieros les es posible diseñar lectoras concretas que posean las capacidades CMG deseadas. Currie Munce, del Centro Almaden de Investigación de IBM en San José, afirmó en 2000 que con los desarrollos de esta técnica las unidades de disco alcanzarían densidades de almacenamiento de datos superiores a los 100 gigabits por pulgada cuadrada de superficie de plato (unos 15,5 gigabits por centímetro cuadrado). Semejantes discos ya existen hoy en fase de prototipo. Es de señalar que en 1998 expertos hubo que opinaron que el límite para el efecto superparamagnético rondaría en torno a 30 gigabits por pulgada cuadrada. Nadie parece saber de cierto ahora dónde se encuentra la barrera exacta, pero el logro conseguido por IBM ha hecho que se afirme que el “demonio densitario”
última unas lectoras instancia máshabrá sensibles, que atender pero en a las propiedades magnéticas del material (coercitividad o estabilidad magnética) y al número mínimo de gránulos utilizable para obtener una determinada resistencia al borrado térmico.” Tradicionalmente, explica Munce, se requerían como mínimo entre 500 y 1000 gránulos para almacenar un bit. Los investigadores buscan con empeño materiales perfeccionados capaces de albergar una carga magnética detectable y de resistir con menor número de gránulos al efecto superparamagnético. La industria está desarrollando, asimismo, mejores métodos de manufactura, tendentes a reducir las impurezas en el medio para lograr bits de menor tamaño. En espera de semejantes avances, el límite de bits por pulgada seguirá permaneciendo en la gama de 500.000 y 650.000, según Karl A. Belser, de Seagate Technology. Pero este parámetro, que corresponde a datos almacenados en una pista particular de un plato, constituye sólo uno de los determinantes de la densidad superficial,
metrospor radas de franjas anchura. de“La 90 amayoría 100 nanóde las cabezas de escritura se asemejan a una herradura que se extiende a través del ancho de la pista”, explica. “Aunque graban en sentido longitudinal (es decir, a lo largo de la pista circular), generan también campos marginales que se extienden en sentido radial.” De hallarse demasiado juntas, este efecto puede provo car que la información correspondiente a pistas contiguas se superponga y se pierda. Una solución consiste en fabricar la cabeza de grabación con mayor precisión, haciéndola de menores dimensiones. “Se puede utilizar un haz iónico enfocado para recortar la cabeza de escritura y reducir la anchura de la pista que inscribe”, opina Belser. Pero la cabeza de lectura, que es un complejo emparedado de elementos, plantea un problema de manufactura más difícil. Además, para prensar 150.000 pistas o más por pulgada, las pistas habrían de tener una anchura inferior a 170 nanómetros. A las cabezas de lectura les resultaría muy difícil seguir unas pistas tan microscópicamente angostas; se
LA INFORMACIÓN
a capacidad de almacenamiento
también de la anchura de lasdepende pistas. Hasta la fecha los fabricantes han podido alojar 20.000 pistas por pulgada, guarismo que se encuentra limitado por diversos factores, verbigracia, la capacidad de la cabeza de grabación para resolver las diferentes pistas y la precisión de su sistema detector de posición. La inserción de mayor número de pistas exigiría avances sustanciales en diversos problemas, entre ellos, en el diseño de la cabeza y del actuador que la controla. Para lograr una densidad global de 100 gigabits por pulgada cuadrada será forzoso que la industria descubra un procedimiento para definir unas 150.000 pistas por pulgada. Según Belser, con la técnica existente, las pistas han de estar sepa-
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precisaría un actuador secundario para conseguir un posicionamiento exacto. (En los productos actuales, un solo actuador gobierna el montaje entero de todas las cabezas.) Por último, si los bits son más pequeños y las pistas más estrechas, las señales generadas resultarán más débiles. Para separar del ruido de fondo estas señales, habrá que idear nuevos algoritmos capaces de recuperar la información fielmente. Los programas actuales requieren una relación señal/ruido de al menos
20 decibelios. Belse afirma: “A la industria le faltan por lo menos seis decibelios para poder trabajar con la relación señal/ruido que sería necesaria para tratar con los tamaños de bit implícitos en densidades superficiales de 100 a 150 gigabits por pulgada cuadrada”. No obstante, muchos expertos de la industria coinciden en que esa clase de problemas se conoce bien. De hecho, Munce afirma que los perfeccionamientos en los materiales, en las técnicas de fabricación y en el pro-
cesamiento de señal que se están estudiando ya en IBM y en otras empresas permitirán, en pocos años, la manufactura de unidades de disco con densidades superficiales en el intervalo antedicho. La introducción de las cabezas de película delgada requirió casi 10 años. La transición desde ellas hasta la técnica de magnetorresistencia exigió otros seis años más por diversos imperativos técnicos, entre ellos, la separación de los elementos de lectura y escritura en las cabezas, un proceso
Materiales “duros”
U
na forma obvia de embutir más información en un disco consiste en reducir el tamaño de los bits de datos utilizando, para cada bit, menos gránulos o gránulos más pequeños. El problema, sin embargo, reside en la posible interferencia mutua entre los diminutos bits (imaginemos lo que ocurre al aproximar dos barras imantadas). Para impedir tal corrupción de datos, resultado del efecto superparamagnético, se ha venido investigando ciertos elementos del grupo de las “tierras raras” o de los elementos de transición que son, magnéticamente, muy estables. Dichos metales poseen una elevada coercitividad; en la jerga de la industria se denominan “duros”. Como resulta difícil escribir en un material “duro”, podemos antes “ablandarlo” por calentamiento con láser. El proceso 8 9 9 1 , N IO T A R O P R
tipo de cabeza de escritura, controla da por un actuador especial.También la cabeza de lectura presenta ciertas d ificultades. Dado que incluso los dispositivos experimentales en servicio tienen una anchura de tres pistas, en lugar de una, cabe la posibilidad de que en el proceso de lectura recojan ruido indeseable, según Karl A. Belser, de Seagate. Y si se lograra una cabeza más estrecha, el dispositivo, para poder seguir las pistas, que son extremadamente finas, tendría qu e ubicarse con suma precisión. Entre las soluciones se cuenta un sistema de posicionamiento por láser, pero ello añadiría complejidad —y costo— al conjunto de la unidad. Una alternativa consiste en hacer que el medi o sea más fácil de leer, lo que puede lograrse con un medio bicapa, provisto de un estrato de almacenamiento permanente yacente
RAYO LASER
O C E U Q , N IO IC D E A T R A U C , E IT H W N O R E D
CABEZA DE ESCRITURA
ALCANCE DEL CAMPO MAGNETICO AREA CALDEADA POR EL LASER
K R O
W S R E T U P M O C W O H : E T N E U F / K C E S T E R E G R O E G
bajo un estrato de lectura. Para leer los datos registrados en el medio, se borraría magnéticamente la capa de lectura; después, la p ista apropiada de la capa de almacenamiento se caldearía con un láser para llevar sus datos hasta la capa de lectura mediante un proceso de acoplamiento parecido a los procesos actuales de los discos magnetoópticos. Una vez inscrita la pista en la capa de lectura, sus bits podrían ser leídos con independencia de las otras pistas. Sin el ruid o causado por las pistas adyacentes, hasta una cabeza ancha podría leer la información de la pista de lectura. La técnica permitirá almacenar terabits por pulgada cuadrada, según Seagate. En contraste, la doctrina vigente sostiene que el efecto superparamagnético limita la densidad de almacenamiento de las unidades de discos tradicionales a un intervalo de 100 a 150 gigabits por pulgada cu adrada. Pero incluso Seagate admite que habrá que esperar hasta 2010 para la comercialización de sus unidades de disco térmicamente asistidas, con una densidad de 1 terabit por pulgada cuadrada.
ALUMINIO ALEACION PLASTICO
rebaja la coercitividad de los gránulos, haciendo posible la inscripción de datos en ellos. Cuando el material se enfría vuelve a “endurecerse”, protegiendo la información almacenada de las vicisitudes del superparamagnetismo. La idea , que parece bastante sencilla, ha costado llevarla a la práctica: se ha de evitar que el haz de láser caliente por accidente los bits vecinos que contienen datos almacenados con anterioridad. A tal fin, Seagate Technology emplea un disco provisto de surcos entre las pistas circulares destinadas a bits (al modo de un disco microsurco). Los surcos impiden que el calor del láser fluya hasta las pistas vecinas. Para registrar información en esas estrechas pistas, Seagate ha ideado un nuevo
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EN LOS DISCOS MAGNETOOPTICOS, los cristales magnéticos se calientan con un láser para “aflojarlos” y poderlos reorientar mediante un campo magnético. La miniaturización de esta técnica presenta dificultades; se ha de evitar que el láser caliente por azar datos ya almacenados y los destruya. Para obviarlo, se graban surcos de separación entre las pistas de datos, que evitan los flujos térmicos de unas a otras. Paraleer la información, Seagate Technology ha considerado la utilización de un sistema de dos capas o pisos, con las pistas de almacenamiento ubicadas en el nivel inferior. Cuando hay que leer los datos, se calienta conun láser una sección de pista del piso bajo. El calentamiento induce un acoplamiento magnético que transfiere los datos al nivel superior del disco, de donde pueden leerse sin interferencias provocadas por laspistas adyacentes.
TEMAS 36
de manufactura denominado deposición electrónica y servocontroles de nuevo cuño. “La transición desde las cabezas inductivas de película delgada hasta las magnetorresistivas conllevó cierto número de procesos nuevos”, comenta Munce. “Era forzoso que se produjeran algunos retrasos.” Pero la transición a las unidades magnetorresistivas gigantes corre mucho más veloz, sólo requerirá de 12 a 18 meses. La verdad es que IBM y Toshiba habían empezado a expedir tales productos antes incluso de que el resto de la industria hubiera adoptado plenamente las cabezas magnetorresistivas. La transición ha podido ser tan rápida porque las cabezas magnetorresistiva s gigantes no han exigido demasiadas modificaciones en los demás componentes de la unidad. Según Munce, la progresión hacia capacidades de 100 gigabits por pulgada cuadrada se produce también de forma evolutiva, paulatina, sin saltos revolucionarios.
Pauta de bits
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as unidades de discos duros pueden almacenar datos a densidades increíbles, muy superiores a los 10 gigabits por pulgada cuadrada de espacio de disco. Pero conforme los fabricantes van apiñando más información, los minúsculos bits empiezan a interferirse unos a otros: es el efecto superparamagnético. Para resolver el problema, se piensa en individualizar los bits erigiendo barreras entre ellos. Tal método, llamado “medio cuadriculado”, ha sido campo de investigación activa en la mayoría de los laboratorios ocupados en técnicas avanzadas de almacenamiento. Una forma de introducir cuadrícul as en el medio consiste en construir “mesetas” y “valles” sobre la superficie de los platos; en ca da meseta se alojaría un bit individual. Según los proponentes de este método, un bit de datos (sea un 0 o un 1) podría en teoría quedar almacenado en un solo gránulo o microcristal de material magnético. La técnica común de discos duros requiere un mínimo de 500 a 1000 gránulos por bit. Así pues, con un ta maño de gránulo de siete a ocho nanómetros de diámetro, este tipo de almacenamiento podría lograr densidades de más de 10.000 gigabits (o terabits) por valles pulgada Para la construcción desea, las 10 mesetas y los lascuadrada. compañías han estado investigando los procesos fotolitográficos empleados por la industria de microcircuitos. “Hacen falta haces de electrones o láseres para grabar la pauta (en el medio de almacenamiento). Después se desarrollan mesetas sobre una capa de
) a fí a r g o r ic m ( M IB ; K C E S T E R E G R O E G
La cuestión de la velocidad
A
hora bien, la capacidad de almacenamiento no es el único aspecto a considerar. La propia velocidad de acceso a los datos se está convirtiendo en un factor importante que puede también determinar la vida útil de la técnica de discos magnéticos. Además, la capacidad de los disprisa cos magnéticos que la velocidad crece mucho de acceso. más deCon el fin de mejorar la situación, los fabricantes han trabajado para aumentar la velocidad angular de los discos. Pero al girar más deprisa, la turbulencia del aire y la vibración pueden provocar errores en el registro de las pistas, problema que podría corregirse con la adición de un actuador secundario para cada cabeza. Entre otros perfeccionamientos posibles está la utilización de cojinetes fluidos en el motor, en sustitución de rodamientos de bolas de acero o cerámica, que se desgastan y emiten sonidos audibles cuando los platos giran a más de 10.000 revoluciones por minuto. Muchos analistas prevén una posible bifurcación en el mercado, en el que ciertos discos estarían optimizados en capacidad y otros en velocidad. Los primeros podrían servir para almacenamiento masivo, por ejemplo, para las copias de seguridad de los archivos históricos de una compañía. Los segundos se destinarían a la atención a clientes y aplicaciones similares, donde la pronta recuperación de los datos es crucial. En el pasado, los usuarios prefeLA INFORMACIÓN
PELICULA MAGNETICA PAUTADA SUSTRATO
LAS “MESETAS Y VALLES” de un futuro disco magnético podrían contribuir a evitar el efecto superparamagnético, causa de que los bits muy densamente inscritos en el medio magnético se interfieran. Para eludir el problema, se aísla cada bit en su propia meseta. La dificultad reside en lograr que las mesetas sean lo bastante pequeñas: no deberían medir más de 8 nanómetros de lado para lograr los valores de densidad que los diseñadores buscan. IBM logró construir estas estructuras con dimensiones característic as de 0,1 y 0,2 micras ( inserto), es decir, de 100 y 200 nanómetros.
sustrato, de un bit de diámetro”, explica Gordon R. Knight, de TeraStor. Pero hay que depurar más la técnica. Aun cuando la industria pudiera obtener mesetas y valles suficientemente pequeños, seguiríamos precisando una cabeza de lectura de nuevo cuño para leer los datos, explica Currie Munce, de IBM. En su op inión, diversos aspectos de la relación señal/ruido obligarían a soluciones radicalmente distintas de las actuales en los sistemas de discos magnéticos. IBM y General Electric, que trabajan conjuntamente en el desarrollo del medio pautado, admiten que esta técnica tardará años en alcanzar viabilidad práctica.
rían unidades de la mayor capacidad y menor costo posible, aun cuando el producto operase algo más lento. Pero hay nuevas aplicaciones que demandan discos más rápidos. Por ejemplo, al extenderse el comercio electrónico por toda la Red, las compañías necesitan almacenar y recuperar al ins-
tante los datos de los clientes. Además, las empresas están desplegando un número creciente de servidores de archivos “reservados” para aquella información que han de compartir cierto número de empleados, y a la que han de tener acceso rápido. El debate entre capacidad y ren65
dimiento podría agudizarse mientras la industria considera diversas formas de esquivar la barrera del ESP. Los expertos están de acuerdo en que para superar densidades superficiales de 150 gigabits por pulgada cuadrada, se habrán de tomar nuevos rumbos. Algunas de las opciones exhiben impresionantes capacidades de alma-
cenamiento, pero velocidades mediocres, que limitarían su uso en ciertas aplicaciones. En el presente, entre las principales estrategias se cuentan:
• Cambiar la orientación de los bits
en los discos, situándolos en dirección transversal (radial) en vez de longitudinal (perimetral), para api-
ñarlos más e impedir su inversión aleatoria. • Utilizar materiales magnéticos que sean más resistentes al ESP, como las aleaciones de hierro y platino, o de cobalto y samario. Si la “dureza” (coercitividad) magnética del material dificulta la inscripción de los datos, se calienta primero el
En el horizonte: almacenamiento holográfico l almacenamiento holográfico viene siendo, desde hace casi cuarenta años, la esperanza blanca de la investigación en técnica. A pesar de las enormes inversiones, los investigadores, de instituciones públicas y de la industria, siguen sin lograr un sistema completo de uso general, apto para la comercialización. Continúan, empero, insistiendo sobre esta técnica, por lo asombroso de lo que promete. Las previsiones teóricas sugieren que acabará siendo posible utilizar técnicas holográficas para almacenar billones de bytes —una cantidad de información equivalente a la contenida en millones de libros— en una pieza de material holográfico del tamaño de un terrón de azúcar o de un disco compacto normal. Además, las técnicas holográficas permiten la recuperación de datos almacenados a velocidades inconcebibles con los métodos magnéticos. En breve, ninguna otra técnica de almacenamiento en desarrollo iguala las posibilidades de la holografía en almacenamiento y velocidad. Estos hechos han atraído a IBM, Rockwell, Lucent Technologies y Bayer Corporation, entre otros emporios del sector. Trabajando por separado, en unos casos, y, en otros, integradas en un consorcio de investigación organizado y cofinanciado por la agencia estadounidense de proyectos avanzados para la defensa (DARPA), las compañías se están esforzando en producir un sistema práctico de almacenamiento holográfico de uso comercial. Desde mediados de los años noventa, DARPA ha contribuido a dos grupos que trabajan en técnicas de memoria holográfica: el consorcio HDSS (“Holographic Data Storage System”, sistema holográfico de almacenamient o de datos) y el consorcio PRISM (“PhotoRefractive Information Storage Materials”, materiales de almacenamiento de información por métodos fotorrefractivos). Ambos reúnen y coordinan a compañías e investigadores del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Stanford y la Universidad Carnegie-Mellon. Al consorcio HDSS, constituido en 1995, se le encomendó la misión de desarrollar en el plazo de 5 años un sistema práctico de memoria holográfica, mientras que al PRISM, formalizado en 1994, se le asignó la producción de medios de almacenamiento avanzado, para su empleo en memorias holográficas a finales del 2000. En 1999, en Stanford, miembros del consorcio HDSS presentaron una memoria holográfica de la que era posible leer datos a razón de mil millones de bits por segundo. Aproximadamen te al mismo tiempo, el HDSS demostraba en la compañía Rockwell, en Thousand Oaks, que un elemento de datos tomado al azar era accesible en 100 microsegundos o menos, cifra que los ingenieros confían reducir a decenas de microsegundos. Esa cifra mejora en varios órdenes de magnitud la velocidad de recuperación de los discos magnéticos, que requieren milisegundos para acceder a un elemento seleccionado al azar entre los datos almacenados. Tan reducido tiempo de acceso es posible porque los haces de láser, esenciales en la técnica holográfica, se desplazan rápidamente sin inercia, a diferencia de los actuadores de una unidad de discos tradicional. Aunque las exhibiciones de 1999 difirieron considerablemente desde el punto de vista de medios de almacenamiento y técnicas de lectura, bajo los dos sistemas experimentales subyacen determinados aspectos fundamentales. Por ejemplo, se almacenan y recuperan de una sola vez páginas enteras de datos. Estas páginas pueden contener millares e incluso millones de bits.
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Cada una de dichas páginas de datos se almacena en forma de figura de interferencia en el seno de un cristal fotosensible o de un material polímero. Las páginas se inscriben en el material, una tras otra, utilizando dos haces laséricos. Uno de ellos, el haz objeto o haz de señal, se carga con la página de dato s a almacenar, cuando atraviesa el “modulador espacial de luz”, una pantalla especial, similar a las de cristal líquido. La pantalla reproduce la página de datos traduciéndola en una matriz de cuadrados claros u opacos, que recuerda a las casillas de un crucigrama. Para crear un holograma de esa página se hace que el haz objeto de esa página y un segundo haz, el ha z de referencia, se interfieran en el seno del material de registro, que es fotosensible. Según el material, la figura de interferencia queda estampada en el material a resultas de modificaciones físicas o químicas. La figura se registra en todo el material, traducida en variaciones del índice de refracción, de propiedades de absorción de la luz o del espesor del material fotosensible. Cuando iluminamos esa figura de interferencia almacenada con cualquiera de los dos haces src inales, la luz se difracta en él, de modo tal, que resulta reconstruido el otro haz utilizado para producir la configuración. Por eso, al iluminar el material con el haz de referencia queda recreado el ha z objeto, que lleva en sí la página de datos. Resulta entonces bastante sencillo detectar la pauta de datos con un sensor semiconductor parecido a los utilizados en las modernas cámaras de vídeo. Los datos tomados del sensor, interpretados, se envían al ordenador en forma de flujo digital. Se ha logrado situar en un mismo material muchas figuras de interferencia distintas, correspondiente cada una a una página de datos diferente. La separación de las páginas se consigue, ora variando el ángulo entre el objeto y los haces objeto y referencia, ora cambiando la longitud de onda del láser. La compañía Rockwell, interesada en el desarrollo de memorias holográficas para aplicaciones aerospaciales y de defensa, optimizó el sistema, en su exhibición, buscando un acceso rápido a los datos, pero no grandes densidades de almacenamiento. Por tal razón, para guiar su láser a través de un cristal de niobato de litio, su sistema utilizaba un so lo dispositivo de posicionamiento óptico-acústico, muy rápido. En Stanford, por contra, donde se empleaban técnicas apo rtadas por IBM, Bayer y otras entidades, el medio consistía en un disco de alta capacidad de material polímero, de tamaño similar a un CD, y estaba concebido para almacenar mayores cantidades de datos. El sistema de Stanford, por otra parte, se proponía utilizar componentes y materiales fáciles de integrar en futuros sistemas comerciales de almacenamiento holográfico. Según Hans Coufal, que gestiona la participación de IBM en los consorcios HDSS y PRISM, la estrategia de la compañía consiste en recurrir a componentes producidos en masa, siempre que sea posible. Los láseres, señala Coufal, son similares a los utilizados en los reproductores de discos compactos; los mod uladores de luz espacial recuerdan a pantallas ordinarias de cristal líquido. Pese a lo dicho, queda mucho trecho por recorrer antes de que la memoria holográfica se apodere del mercado, señala Coufal. Y explica que, para que el sistema holográfico de almacenamiento y recuperación de la información funcione, la imagen recreada de la página de datos ha de ser prácticamente perfecta. El cumplimiento de las estrictas condiciones de ali-
TEMAS 36
medio, para “ablandarlo” magnéticamente antes de grabar en él. • Estampar litográficamente pautas en el medio de almacenamiento, para alzar barreras microscópicas entre bits. • Recurrir a materiales de almacenamiento radicalmente diferentes, como cristales holográficos,
metales con cambio de fase o ticos.
plás-
Varios son los métod os que han atraído grandes inversiones de los principales fabricantes, pero casi todos ellos se encuentran todavía en fase de ensayo. Algunas de estas ideas han de aguardar a que se produzcan avan-
ces significativos en la investigación o progresos esenciales en las técnicas de apoyo, antes de que se pueda empezar a trabajar en serio en prototipos. Darse un respiro
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asta ese momento, los fabricantes de discos duros continuarán estrujando la técnica magnética
dimiento, capacidad y precio adecuadas para un sistema comercial de almacenamiento a gran escala. MODULADOR Munce y Coufal declaran ambos que ESPEJO DE LUZ ESPACIAL el viejo interés de IBM por el almacenamiento holográfico se intensificó en los últimos años, cuando se conocieron DIVISOR mejor las propiedades de recuperación DE HAZ asociativa del medio. Coufal recuerda que en el pasado las aplicaciones del HAZ almacenamiento holográfico se orienLENTE OBJETO taban hacia el almacenamiento permaLENTE HAZ DE nente, en un volumen pequeño, de inREFERENCIA LASER LENTE mensas bibliotecas de datos de texto, audio y vídeo. A causa del creciente ESPEJO interés comercial de la “minería de datos” MONTAJE —que consiste, en esencia, en el filDEL ESCANER trado de almacenes enormes de datos, ESPEJO en busca de relaciones o reglas que perHAZ mitan refinar la adopción de decisiones DIVISOR OBJETO o los procesos empresariales en las DE HAZ grandes compañías—, la capacidad de recuperación asociativa de la memoLENTE ESPEJO ria holográfica ofrece cada vez más atractivo. Una vez almacenados los datos en un HAZ DE medio holográfico, se puede proyectar REFERENCIA una sola página de datos deseados que LENTE reconstruirá todos los haces de referenCRISTAL cia para datos que tengan configuración FRANJAS similar y estén almacenados en los REFLECTANTES medios. La intensidad de cada haz de refeEN ESTE ESQUEMA de un sistema de memo- rencia indicaría en qué medida la confiria holográfica se expone un procedimiento pa- guración de datos almacenados conra la grabación de páginas de datos en un cris- cuerda con la página de datos deseada. LENTE “En la actualidad, para buscar datos tal. El llamado “haz objeto” toma en sí los datos al atravesar un modulador de luz espacial. Este en un disco se consulta el sector que los haz interfiere con el haz de referencia en el se- contiene, y no el contenido de los daLECTOR DE no del cristal. La figura de interferencia resultan- tos”, destaca Coufal. “Vamos a una direcHOLOGRAMAS te queda registrada en el cristal. Un escáner me- ción, traemos la información y la comcánico modifica el ángulo del haz de referencia; paramos con otros patrones. Con el se puede entonces grabar otra página. almacenamiento holográfico se podrían comparar datos por medios ópticos sin pasar por recuperarlos. Al buscar en grandes bases de datos, nos veríamos neación de los láseres, los detectores y los moduladores de luz rápidamente encaminados hacia las coincidencias óptimas.” espacial en un sistema de bajo costo plantea un espinoso proPese a las dificultades técnicas, los primeros resultados blema. empiezan a tomar forma. El pasado mes de febrero, la comTambién la determinación del material de almacenamiento pañía japonesa de telefonía móvil NTT anunciaba que ha conidóneo constituye una dificultad persistente, según Currie seguido fabricar un prototipo de memoria holográfica. Se trata Munce, de IBM. Esta compañía ha ensayado con múltiples de un pequeño cristal del tamaño de un sello de correos que materiales, entre ellos, cubos de niobato de litio y de otras suspuede almacenar hasta 1 GB. Su comercialización está pretancias inorgánicas, así como polímeros fotorrefractivos, fotovista para el año que viene bajo el nombre de Info-MICA crómicos y fotoquímicos, que se están desarrollando en Bayer (“Information-Multilayered Imprinted CArd”). Sólo unos días y en otras instituciones. Aduce Munce que los trabajos realiantes, InPhase Technologies anunciaba la comercialización del zados por Inphase Technologies, empresa dedicada a la técTapestry HDS5000, un medio holográfico basado en láser azul nica holográfica que Lucent creó a finales de 2000, y por Imaque ofrecerá capacidades del orden de terabytes a los futuros tion Corporation están logrando también prometedoras discos. Esta misma compañía está desarrolla ndo un disco holoexpectativas. Empero, ninguno de los materiales que IBM ha gráfico que en 2006 se asomará al mercado ofreciendo una ensayado hasta la fecha ha producido la combinación de renmemoria de 200 GB. K C E S T E R E G R O E G
LA INFORMACIÓN
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En diez años: almacenamiento con resolución atómica
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huck Morehouse, de Hewlett-Packard, se apresura a señalar que, probablemente, el almacenamiento de resolución atómica (ARS) no llegará nunca a reemplazar por completo el almacenamiento magnético rotativo. Las unidades de disco existentes y las agrupaciones de discos cumplen bien su papel en equipos de sobremesa y en centros de datos donde el tamaño del dispositivo no importe demasiado. Pero, ¿qué decir de las necesidades de almacenamiento masivo en un reloj de pulsera o en un ingenio espacial, donde el factor de forma, la masa y el consumo en ergético son criterios prioritarios? El programa ARS de Hewlett-Packard (HP) aspira a proporcionar un dispositivo del tamaño de la uña con densidades de almacenamiento superio res a un terabit (1000 gigabits) por pulgada cuadrada. La técnica saca partido de los avances en microscopía de sonda atómica, en la que una sonda de ápice o punta
de la sonda hasta el medio calienta un lugar de datos en la medida necesaria para escribir o borrar un bit. Para leer los datos se puede usar un haz débil, que detecte la resistencia del punto o alguna otra propiedad eléctrica dependiente de la fase. También son posibles técnicas de lectura óptica. HP ha investigado en una metodología de “campo lejano” donde la punta se encuentre, pongamos por caso, a unos 1000 nanómetros del medio, a diferencia de la mayoría de las te ntativas realizadas con sondas, en las que la punta se encuentra en contacto, o casi, con el medio. La tercera cuestión concierne al actuador o microdesplazador que ha de situar el medio para las operaciones de lectura y escritura. HP ha patentado un micromotor cuya precisión de posicionamiento es de 3 nanómetros. El último paso es el empaquetamiento. En palabras de
monoatómica va explorando la superficie de un material para producir imágenes cuya precisión es de nanómetros. La técnica de almacenamiento por sonda se valdría de una matriz de sondas con ápices sensores de tamaño atómico para leer y escribir datos en ciertos puntos del medio de almacenamiento. Un microdesplazador se encargaría de ubicar el medio con respecto a las puntas. IBM y otras compañías se afanan en el desarrollo de esta técnica de almacenamiento por sonda. Morehouse informa que el Departamento de Defensa de los EE.UU. también ha apostado por esa opción. La agencia de proyectos avanzados
Morehouse: “Necesitamos ensamblar todo el sistema ARS en un continente robusto y desarrollar para el sistema la electrónica que permita integrarlo con otros dispositivos”. Por otra parte, es muy probable que los elementos funcionales del dispositivo deban hallarse en el vacío o al menos en una atmósfera controlada, para reducir la dispersión de electrones desde el haz de lectura-escritura y para reducir el flujo calórico entre puntos de datos, lo cual plantea una dificultad adicional. Aunque la industria de discos magnéticos tiene importantes inversiones que proteger, Morehouse confía en que
) fía ra g ro ic m ( D R A K C A P T T E L W E H ; K C E S T E R E G R O E G
HAZ ELECTRONICO SONDA EMISORA POR EFECTO DE CAMPO
conforme las aplicaciones vayan exigiendo la portabilidad y el rendimiento que el ARS ofrece, irá adquiriendo un papel señaLOS HACES ELECTRONICOS emanados de una matriz de sonlado en el mercado de das, cuyos ápices o puntas son de tamaño atómico, inscriben almacenamiento. datos sobre el material de almacenamiento calentando celdillas El tamaño de los disdiminutas y alterando su fase o estado físico. El medio se descos magnéticos se esa la deplaza con precisión nanométrica bajo la matriz abajo, ( tá reduciendo cada vez recha). La grabación y posterior reconstrucción gráfica del emmás. Aun así, “el ARS blema de Hewlett-Packard, de 30 micras de anchurainserto ( ), puede resultar compese realizó con una punta sobreuno de tales medios de almaceRESORTES MEDIO DE titivo en muchas aplinamiento por cambio de fase. DE ALMACENAMIENTO SUSPENSION caciones”, apunta. “Una ventaja clave se encierra en su reducido consumo de energía. para la defensa (DARPA) ha financiado los gastos de tres El ARS no consume energía si no efectúa operación alguna. investigadores de HP. Quizá los fabricantes de relojes no deseen un Microdrive y un
CELDILLAS DEL MEDIO DE GRABACION
Según Morehouse, enfrentan a cuatro problemas pales. El primero es elsemedio de almacenamiento. El princiseleccionado por el grupo HP constituye un material bifásico, con dos estados físicos distintos, estables ambos a temperatura ambiente. Una de las fases es amorfa; la otra, cristalina. Los bits se inscriben en este medio fasealternante calentando zonas puntuales para llevarlas de una fase a otra. El segundo problema reside en la punta de la sonda. Ha de emitir un haz bien dirigido de electrones al aplicársele un a diferencia de potencial. Un haz intenso que fluye desde la punta
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MATRIZ DE SONDAS EMISORAS
montón de pilas.” Morehouse afirma que los primeros dispositivos ARS podrían tener una capacidad de un gigabyte, si bien estas capacidades aumentarán con el tiempo: “La capacidad definitiva quedará determinada por lo diminuto que pueda llegar a ser un punto. Nadie sabe la respuesta. ¿Cien átomos, tal vez?” Con todo, HP ya ha conseguido fabricar un prototipo de 6 ∞ 10 ∞ 8 milímetros de lado, capaz de almacenar 2 gigabytes. Se espera llevar estos dispositivos al mercado en 2006, aumentando su capacidad hasta 10 gigabytes.
TEMAS 36
Las “tarjetas perforadas” del futuro
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ace decenios, las tarjetas perforadas constituían un método difundido, aunque torpón, de almacenamiento de información. Su simplicidad mecánica, contraída ahora hasta dimensiones mínimas, vuelve a estar en boga en IBM. Su grupo de investigación en Zurich ha desarrollado un prototipo, bautiza do Milpiés, capaz de embutir una pasmosa cantidad de info rmación en un espa cio diminuto —200 gigabits por pulgada cuadrada— almacenando los datos en forma de microscópicas muescas marcadas sobre una superficie plana de polímero [ véase “Nanounidades de memoria”, por Peter
en formación cuadrada de 32 por 32, son de silicio y operan simultáneamente, grabando sus muescas sobre una fina película de plástico que recubre un sustrato de silicio. Una de las ventajas del Milpiés estriba en su peq ueño coste previsto. IBM afirma que estas matrices pueden construirse baratas mediante procesos similares a los de fabricación de microcircuitos. “Se podrían construir centenares de matrices en una sola oblea”, predice Vettiger. Para mayor almacenaje, un perfeccionamiento futuro podría consistir en una formación mayor (la próxima versión cons-
CONTROLADOR MATRIZ BIDIMENSIONAL DE AGUJAS
MULTIPLEX
MATRIZ BIDIMENSIONAL DE AGUJAS
AGUJA
)
a íf a r g ro c i m (
PUNTA DE LA AGUJA
M B I ; K C E S T E R E G R O E G
MEDIO DE ALMACENAMIENTO
EL “MILPIES” consta de 1024diminutas agujas dispuestas en una formación cuadrada, o matriz, de 32 por 32 izquierda ( ). Los datos registrados o leídos poruna lassuperficie agujas están materializados muescas microscópicas sobre de plástico arriba ( ). Laen punta de cada aguja tiene un radio de sólo 20 nanómetrosinserto ( ).
Vettiger y Gerd Binnig en este mismo número]. En comparación, incluso en los prototipos más avanzados de laboratorio los discos magnéticos están hoy limitados a no más de 35 gigabits por pulgada cuadrada. “Hemos reinventado las tarjetas perforadas utilizando plásticos”, se jacta Peter Vettiger, director del proyecto. Para comprender el funcionamiento del Milpiés, recordemos otra técnica ya pasada: la aguja fonográfica. En la versión de IBM, la punta de la aguja es acutísima (su radio es de sólo 20 nanómetros) y descansa suavemente sobre una superficie móvil de plástico liso. Para crear una muesca o pozo, se hace pasar brevísimamente una corriente eléctrica a través de la aguja, lo que calienta su ápice hasta 400 oC por un instante, que funde ligeramente el polímero. Una serie de tales descargas eléctricas produce así una ristra de muescas, pasando a ser las zonas hundidas y las lisas los unos y los ceros del mundo digital. Para leer esa información, se calienta la punta de la aguja a
tará de 4096 agujas en un matriz cuadrada —64 por 64— de 7 milímetros de lado), de matrices múltiples, o en una combinación de ambos. Cabría también pensar en utilizar nanotúbulos de carbono para las puntas de las agujas, que serían aún más pequeñas. Empero, IBM ha de resolver varios problemas cruciales antes de que el Milpiés se convierta en producto acabado. Le ocupa ahora la estabilidad a largo plazo de la técnica. Las puntas de las agujas podrían embotarse por desgaste mecánico, lo que provocaría que las muescas del plástico se agrandasen. Estas, con el tiempo, podrían comenzar a traslaparse, convirtiéndose en un embrollo digital los datos prístinos. Obviamente, es mucho el trabajo por hacer antes de que el Milpiés pueda siquiera tener la esperanza de suplantar a las venerables unidades de discos magnéticos. Tal vez disponga de mayores oportunidades en pequeños artefactos de consumo. IBM confía desarrollar un dispositivo diminuto (de 10 por 10
una temperatura constante C (inferior al punto de fusión del plástico), al tiempo que de se 300 desplaza sobre la superficie del polímero. Cuando la aguja cae en un pozo, se disipa el calor de la punta. El correspondiente descenso térmico se detecta a través de un cambio en la resistencia eléctrica de la aguja. IBM ha convertido esa técnica básica, derivada de la microscopía de fuerza atómica, en un prototipo operativo. Para aumentar las velocidades de lectura y escritura de los datos, el dispositivo consta de 1024 agujas (de aquí el nombre de Milpiés) en un área de sólo 3 por 3 milímetros. Las agujas, d ispuestas
por 5 milímetros, o menor), depara almacenar 10 gigabits; de lograrlo, la técnica seríacapaz idónea teléfonos móviles, cámaras digitales y, posiblemente, para relojes. “Ahí es donde vamos a concentrar nuestros esfuerzos durante los próximos años”, afirma Vettiger. Pero él mismo es el primero en atemperar su creciente apasionamiento. “Se trata todavía de un proyecto de investigación exploratorio”, admite. “No es como si estos productos fueran a estar mañana en el mercado.”
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LA INFORMACIÓN
—Alden M. Hayashi
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habitual para lograr ulteriores perfeccionamientos. “Esta industria parece estar siguiendo una curva logística”, observa Porter, de Seagate. Porter explica que, a corto plazo, los fabricantes seguirán a lomos de la ola de avances conseguidos en los campos de la fotolitografía y de la fabricación de microcircuitos, que hicieron posible la producción económica de cabezas magnetorresistivas o de las magnetorresistivas gigantes. Pero existe el convencimiento general de que la industria pronto tendrá grandes dificultades para seguir a este paso. Idos serán los días en
les “virtuales” de discos magnéticos. Se trata de una opción empleada ya en el caso de los RAID (“agrupaciones redundantes de discos baratos”) y en los JBOD (“un puro montón de discos”), agrupaciones que se lanzaron en los años ochenta y noventa para subvenir a las exigencias de almacenamiento de compañías cuyas necesidades no quedaban cubiertas por las unidades de aquel entonces. Otro método que ha merecido cierta atención en la industria consiste en emplazar unidades y agrupaciones de discos en redes de almacenamiento local (RAL) cuya dimensión se puede
que lascrecían capacidades miento al 130 de poralmacenaciento anual. Y Porter añade: “Las cosas se están poniendo más difíciles a un paso más rápido de lo que históricamente solían. Si aflojáramos la marcha, tal vez tuviéramos tiempo para evaluar las opciones.” Nadie sabe cuál de las alternativas llegará a dar fruto. La propia IBM está diversificando sus apuestas, invirtiendo en varios métodos, entre ellos, el de medios configurados, medios plásticos y medios holográficos. Una cosa es cierta: con el ESP en el horizonte, y confrontada la industria con los problemas de diseño estructural y las cuestiones sobre materiales, podría estarse abriendo para ellas una ventana a la oportunidad. Pero colarse por esa ventana no será
modificar dinámicamente satisfacer crecientes apetitos depara almacenamiento. El método RAL “virtualiza” todavía más el almacenamiento y acabará proporcionando una “utilidad de almacenamiento” que entregará automáticamente a las aplicaciones de los usuarios el tamaño y clase de almacenamiento que precisan, tomándolo de una “flota” de dispositivos de almacenamiento interconectados. Tales métodos de aumento de la capacidad de almacenam iento entrañan una mayor complejidad y, por extensión, mayores gastos de gestión, en comparación con los dispositivos individuales de almacenamiento. A pesar de ello, proporcionan una forma de atender a las necesidades de empresas y consumidores que preci-
que ofrecer fácil. “Las rápidamente nuevas técnicas rendimientos tendrán económicos y poder competir con los discos magnéticos en coste por gigabyte de almacenamiento”, juzga Munce. Lo más probable, prosigue, es que las nuevas técnicas deban empezar por excavar su nicho en el mercado. (Los cristales holográficos, por ejemplo, podrían servir para el almacenamiento permanente de grandes bibliotecas.) “La tendencia es, decididamente, hacia la reducción del coste, lo que hará muy difícil que otras técnicas lleguen a entrar en pista.” En su mayoría, los observadores están de acuerdo en que, con independencia de las incertidumbres de las futuras técnicas de almacenamiento de datos, el efecto superparamagnético no será causa de que la Era de la Información sufra un chirriante frenazo. Si en el viaje de los productos de alta capacidad hasta el mercado se producen demoras, lo más probable es que el vacío lo ocupen de un modo transitorio agregaciones de muchas unidades de discos en formaciones inteligentes, que ante los sistemas y los usuarios finales se representan a sí mismas como unidades individua-
cortomayor sen plazo,espacio hasta que para las nuevas sus datos téc-a nicas arriben al mercado. Se verán, además, facilitadas por la bajada de los precios de las unidades de disco, resultantes de los perfeccionamientos de los procesos de manufactura en curso.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA M AGNETO -R ESISTIVE H EADS : F UNDA MENTAL S AND APPLICATIONS . Electromagnetism Series. John C. Mallinson, con notas y comentarios de Isaak D. Mayergoyz. Academic Press, 1995. M AGNETIC D IS K D RIVE T ECHNOLOGY : HEADS, MEDIA, CHANNEL, INTERFACES, AND INTEGRATION. Kanu G. Ashar. IEEE Press, 1997. MAGNETIC INFORMATION STORAGE TECHNOLOGY. Electromagnetism Series. Shan
X. Wang y A. M. Taratorin. Academic Press, 1999. M AGNETIC RECORDING . THE F IRST 100 YEARS. Compilación de Eric D. Daniel, C. Denis Mee y Mark H. Clark. IEEE Press, 1999. HOLOGRAPHIC DATA STORAGE. Compilación de Hans J. Coufal y Demetri Saltis. Springer-Verlag TELOS, 2000.
TEMAS 36
TRANSMITIR LA INFORMACION
S E G A IM E IT H W M O T
Criptografía para Internet El correo electrónico es una postal digital, que no asegura la confidencialidad. Pero los sistemas criptográficos bien diseñados sí pueden garantizar el secreto de la correspondencia Philip R. Zimmermann
L
as cartas que se envían desde la oficina de correos pueden tardar días en llegar a su destino, pero al menos existe cierta garantía de intimidad de la correspondencia. Por su parte, el correo electrónico llega vía Internet con velocidad deslumbrante, pero también resulta fácil víctima potencial de los escuchas electrónicos. Una forma de reforzar el carácter reservado de estas transmisiones consiste en encriptarlas, manipulando y enrevesando la información con el fin de volverla ininteligible para todos, excepto, claro está, para el destinatario. Desde los años ochenta el desarrollo de algoritmos refinados y de equipos informáticos económicos ha puesto al alcance de millones de personas sistemas de provistas criptográficos ordenadoresmuy personales potentes, cuya seguridad es de nivel mili-
tar. Los avan ces técni cos prome ten conseguir que tales sistemas adquieran mayor resistencia y se tornen incluso invulnerables. ace cuarenta años, la fuerza motriz de la industria electrónica estadounidense era el Pentágono, que exigía circuitos diminutos, hechos a la medida, para instalarlos en los misiles y en las naves espaciales. En nuestros días, domina la demanda civil. La milicia satisface sus necesidades con productos del mercado de consumo, muchísimo más amplio. Otro tanto está ocurriendo con la criptografía. Hasta hace unos 25 años, la estadounidense Agencia Nacional de Se-
loso secreto. En 1976, un artículo fundamental, “New Directions in Cryptography”, en el que Whitfield Diffie y Martin E. Hellman, ambos de la Universidad de Stanford, expusieron abiertamente la noción de “criptografía de clave pública”, cambió el panorama. En los años transcurridos desde su publicación ha ido floreciendo una vigorosa comunidad criptográfica en las universidades y las empresas, que está edificando una disciplina madura. La creciente popularidad de Internet —y la preocupación general por la seguridad de las comunicaciones en ese medio— ha intensificado la tendencia. Algunos de los mejores cifrados los están desarrollando criptógrafos pertenecientes a universidades o empresas
de la técnica guridad (NSA) de poseía encriptación, e l monopo espe-lio cialidad mantenida, a su vez, en ce-
do. La propia privadas repartidas NSApor adquiere todo el munahora productos comerciales para atender
Desde las sombras
H
parte de sus necesidades criptográficas. ¿Por qué ha sido tan crucial la introducción de la criptografía de clave pública que hicieron Diffie y Hellman? En los criptosistemas tradicionales se utiliza una sola clave tanto para la encriptación como para la descodificación. Tales sistemas simétricos exigen que la clave se transmita por un canal seguro, proceso no exento de inconvenientes. Después de todo, si existe un canal seguro, ¿qué necesidad hay de encriptación? Esta limitación ha entorpecido siempre el desarrollo de la criptografía.
de problemas matemáticos que son fáciles de computar en una dirección, pero harto duros en la dirección contraria. Los dos principales algoritmos de clave pública son el de Diffie-Hellman y el método RSA. Variantes del primero son el estándar de firma digital, del Instituto Nacional de Pesos y Medidas, ElGamal y los métodos basados en c urvas elípticas. El método RSA ha sido desarrollado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts por los informáticos Ronald L. Rivest, Adi Shamir y Leonard M. Adleman. El método de Diffie-Hellman se
mos grandes, pero resulta difícil en extremo descomponer ese número altísimo en sus dos factores primos. Los sistemas criptográficos de clave pública sirven también para la certificación de mensajes: su receptor puede comprobar la identidad del remitente. Cuando Benito le envía un mensaje a Alicia, primero lo cod ifica con su clave reservada; después, vuel ve a encrip tarlo co n la cl ave pública de Alicia. Esta, al recibir la transmisión, invierte los pasos. Empieza descodificando el mensaje con su clave propia y reservada y, después, con la clave pública de Benito.
Diffie y Hellman eliminaron esa limitación. La criptografía de clave pública permite que los participantes se comuniquen sin necesidad de un medio secreto de enviarse las claves. Tales sistemas asimétricos descansan en un par de claves que son distintas, aunque complementarias. Cada clave permite descifrar el mensaje que la otra encripta, pero el proceso no es reversible: la clave utilizada para encriptar un mensaje no sirve para descodificarlo. Así pues, una de las claves complementarias (la pública) puede hallarse al alcance de muchos, mientras que la otra (clave privada) sólo está en manos de su poseedor. Cuando Benito desea enviar un mensaje a Alicia, puede usar la clave pública de ella para encriptar la información, pero sólo Alicia podrá
basa algoritmos discretos. No es gx módulo p: basta difícilen calcular elevar g a la x -ésima potencia, dividir esa cantidad por un número primo grande p y tomar después el resto de esa operación. Pero dados g, p y el valor de gx módulo p, no es factible recuperar x. El sistema RSA se apoya en la dificultad de la descomposición de un número en factores. Es sencillo multiplicar uno por otro dos números pri-
Si el texto es Benito legible,quien Aliciarealpuede confiar en final que fue mente preparó el mensaje. Ni que decir tiene que toda esta encriptación y descodificación exige miríadas de cálculos matemáticos. Pero existen programas, como el PGP, apto para ordenadores personales , capaces de automatizar el proceso. Utilizando uno de estos paquetes de programas, basta con que Alicia y Benito pulsen los botones “encriptar”
descifrarla, Los criptosistemas con su clave de clave particular. pública se fundamentan en la existencia
ve pública de Alicia; el resultado (en(en naranja ) se añade al mensaje. último,Enelelarchivo se pasa a caracteres alfanuméricos rojo) para su transmisión porPor Internet. extremo receptor, se desandan los pasos, utilizando Alicia su clave particular para descifrar la clave de la sesión, que después puede emplear para descifrar el resto del mensaje.
1. LA ENCRIPTACION de un mensaje reservado que Benito desea enviarle a Alicia por Internet requiere varios pasos. En este esquema conceptual, Benito empieza computando un condensado (“hash”) del texto (véase el diagrama de la figura 2 ). A continuación, codifica el condensado por medio de su clave particular secreta (véase el recuadro de la página siguiente). La información resultante (abajo, en azul) actúa como “firma” de Benito. Este comprime electrónicamente la firma y su mensaje (en violeta) y encifra el archivo ( en verde) utilizando determinada clave de sesión. Benito encripta esta clave mediante la cla-
E C I R B F F E J
Criptografía de clave pública
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a criptografía ha venido tropezando con el problema del intercambio de claves. Si Benito pretendía enviar a Alicia un mensaje cifrado, tenía que transmitirle la clave secreta de encriptación que él había utilizado. Los sistemas de criptografía de clave pública vencieron tal limitación haciendo uso sagaz de las matemáticas. En el algoritmo Diffie-Hellman, que ha contribuido a engendrar la especialidad de la criptografía de clave pública, Alicia utiliza su número secreto, x, para calcular g x, y le envía a Benito esta cantidad. Benito, por su parte, usa su número secreto y para computar gy, y se lo remite a Alicia. (El valor de g es de conocimiento público.) Una vez que Alicia ha recibido la información, y x x y puede calcular ( g ) , valor que es igual al ( g ) , que Benito calcula. Este número pasa a ser clave de encriptación, secreta y compartida, de ambos. Pero si alguien interceptase los valores gx de Alicia y gy de Benito, podría quizá deducir los números secretos x e y. Para frustrar, pues, a posibles fisgones, Alicia y Benito insertan la función módulo, que devuelve el resto de una operación de divis ión. (Por ejemp lo, 14 módulo 4 = 2, porque el resto de la división de 14 entre 4 es 2.) Este retoque adicional asegura el secreto: en vez de enviar a Benito el valor de gx, Alicia le transmite el valor de gx módulo p, valor desde el cual los fisgones tendrían gran dificultad en recuperar x, aun cuando conocieran g y p. Aderezado con mayor cantidad de matemáticas, el algoritmo Diffie-Hellman ha evolucionado en criptosistemas que generan dos claves complementarias, una privada (en el caso de Alicia, el valor x) y pública la otra (consistente en g , p, y el valor de g x módulo p ). De forma ingeniosa, la clave privada descodifica el mensaje que fue cifrado con la clave pública, pero la clave utilizada para encriptar un mensaje no puede servir para desencriptarlo. De este modo, Benito puede usar la clave pública de Alicia (que ésta ha dado a conocer a todos) para encriptar un mensaje dirigido a Alicia, que sólo ella puede desencriptar mediante su clave secreta.
ALICIA Clave secreta x
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gx
gy
gy
gx
(gy)x
(gx)y
El secreto compartido es g xy
y “descifrar” que les presenten sus ordenadores; el trabajo numérico se realiza entre bastidores. La criptografía de clave pública adolece de dos graves limitaciones. Primero, por su relativa lentitud, esta técnica no resulta práctica para codificar mensajes largos. Segundo, y tal vez lo más importante, la criptografía de clave pública deja en ocasiones que aparezcan en el mensaje patrones que sobrevivan al proceso de encriptación. Tales pautas son detectables en el texto cifrado, lo que hace que la técnica sea vulnerable al análisis criptográfico, o criptanálisis. (La 74
BENITO Clave secreta y
El secreto compartido es g xy
criptografía es la ciencia de preparar cifras, el criptanálisis estudia cómo descodificarlas y la criptología abarca ambas disciplinas.) Percherones simétricos
a encriptación de gran tamaño suele estar encomendada a cifrados simétricos, más rápidos y seguros, estando limitada la criptografía de clave pública a la pequeña —aunque esencial— función de intercambiar las claves que se utilizan en esos cifrados simétricos. Benito encripta su mensaje mediante un sistema de cifrado robusto y simétrico.
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Necesita entonces enviar a Alicia la clave simétrica que ha utilizado, por lo que la cifra con la c lave pública de Alicia y adjunta el resulta do a su mensaje encriptado. Alicia descifrará la clave simétrica con su clave particular, pudiendo así utilizar esa información para descifrar el resto del mensaje de Benito. Para certificar la autencicidad del mensaje, Benito no se vale de métodos de clave pública para “firmar” su transmisión directamente; antes bien, computa un extracto o condensado (“hash”) que haga las funciones de “huella dactilar” digital en su mensaje. Se recurre a tales procedimientos matemáticos para condensar una entrada de tamaño arbitrario en un extracto de tamaño fijo, que tiene, típicamente, una longitud de 160 bits. (Un bit es la unidad elemental de datos informáticos. Almacena uno de dos estados posibles, representados por un 0 o un 1.) Las funciones de condensación criptográficamente robustas, como SHA-1, RIPEMD-160 o MD5, están diseñadas de modo que a los falsificadores no les resulte computacionalmente factible preparar un mensaje distinto que produzca la misma huella. Dicho de otro modo, las huellas generadas son virtualmente únicas; los extractos generados por dos mensajes diferentes serán distintos. Tras computar un extracto de su ción con su mensaje, Benito clavecodifica particular esasecreta. informaEnvía entonces esta “firma” con el resto de su transmisión encriptada. Alicia recibe el extracto encriptado y lo descifra con la clave pública de Benito. Compara el resultado con el condensado que ella computa por sí misma tras descodificar el mensaje. La concordancia de los extractos condensados proporciona una demostración de que la transmisión no ha sido manipulada, y de que Benito es el verdadero remitente. El método habitual para codificar informaciones que hayan de enviarse por Internet consiste en fragmentar los datos en segmentos o “bloques” de tamaño fijo, cada uno de 64 o 128 bits de longitud, de suerte que la encriptación se realice bloque por bloque. Los métodos de “encriptación por bloques” acostumbran fundarse en la reiteración de series de operaciones matemáticas (en número que viene dictado por cada algoritmo concreto), sirviendo de entrada para la siguiente iteración el resultado de la anterior. Cada pasada suele consistir en una permutación de los símbolos (operación que transforma, por ejemplo, TEMAS 36
“xtv” en “tvx”) y en sustituciones de los mismos (lo que convierte “tvx” en “cb2”, sea por caso). Una sección de la clave se utiliza para esas transformaciones de los datos durante las iteraciones. Al alimentar porciones idénticas de texto a un sistema de cifrado por bloques se obtienen segmentos encriptados idénticos. Para impedir la formación de posibles patrones repetitivos al alinear los segmentos encriptados (con lo que la clave podría ser menos difícil de fracturar), los algoritmos de codificación por bloques emplean algún tipo de concate-
car un mensaje bit a bit; es decir, el 34-ésimo bit de la secuencia aleatoria es utilizado para modificar el 34-ésimo bit del mensaje. La clave ha de ser aleatoria. No basta una secuencia pseudoaleatoria producida por un algoritmo determinista, que podría resultar vulnerable. Las “libretas” rara vez se usan. No son prácticas. La clave, amén de alargarse como el mensaje, debe enviarse al destinatario por un canal seguro. Además, sólo puede emplearse una vez, para evitar que un atacante descifre los mensajes. Aunque el tamaño de la clave cons-
trocadas por K , las C sustituidas por Q, y así sucesivamente. El número de
nación. Los segmentos ya encriptados se utilizan en la encriptación de las porciones no cifradas subsiguientes. Así, la encriptación de un segmento de texto depende de la totalidad de los bloques anteriores. Los sistemas de cifrado por bloques se valen de claves simétricas cuya longitud es de 56, 128 o 258 bits. Entre los ejemplos más conocidos se cuentan Data Encryption Standard (DES), triple-DES, CAST, IDEA y Skipjack. En los algoritmos del cifrado por bloques, auténticos caballos de carga de la criptografía, se ha concentrado la investigación reciente.
tituye uncriptográfica, factor determinante de la robustez no importa menos la calidad del diseño del cifrado. Tomemos un sencillo cifrado por sustitución simple, en el que todas las A se cambian por W, todas las B están
E ,más sería unaletra y después miraba la segunda utilizada, y le asignaba la T, y así sucesivamente. Pese a lo extenso que es el espacio de claves de este sistema de cifrado, el sistema peca de suma endeblez.
formas distintas de reorganizar el alfabeto inglés es factorial de 26, o sea, 26 × 25 × 24 × ... × 3 × 2 × 1. Tal número es aproximadamente igual a 288; el conjunto constituye un “espacio de claves” de distintas combinaciones francamente respetable; de ser necesario ensayar todas las posibles claves para fracturar el código se exigirían enormes recursos computacionales. De niño descifraba ese tipo de criptogramas con lápiz y papel. Buscaba la letra más repetida y suponía que
MENSAJE QUE SE HA DE CONDENSAR
La clave es la llave
E
l aspecto más delicado de la criptografía corresponde a la generación de claves. Para que un sistema las claves ofrezca la deben seguridad ser números máximaaleatoposible, rios, impredictibles por un atacante. Tales números difieren de las secuencias determinísticas pseudoaleatorias que los ordenadores generan de forma automática para juegos y simulaciones. Los números aleatorios sólo pueden extraerse del “ruido” ambiental del mundo fí sico, como lo s procesos de desintegración radiactiva. Resulta difícil generar en un ordenador un azar de tan elevada calidad. Puede optarse por el método que consiste en medir en microsegundos el tiempo entre pulsaciones de teclas efectuadas por humanos, imposible de predecir. Los datos recogidos no son lo suficientemente aleatorios para la generación directa de claves, pero puede pasarse la información a una función de condensación para que se quede con lo que en ella hay de verdadero desorden. El único sistema de cifrado que los criptólogos han podido demostrar que es totalmente seguro es la llamada libreta de un solo uso (“one time pad”), donde la clave es tan larga como el mensaje. En tales libretas, se utiliza una secuencia aleatoria para codifiLA INFORMACIÓN
CONVERSION DEL MENSAJE EN SIMBOLOS BINARIOS
Y N S A R K Y R T I M D
MENSAJE CONDENSADO (EXTRACTO)
2. EL ALGORITMO DE CONDENSACION efectúa un resumen de un mensaje, dejando una “huella dactilar” digital que puede servir para detectar falsificaciones. Se empieza por convertir el texto del mensaje en forma binaria. (La le tra A podría representarse por 00000, la letra B por 00001, la letra C por 00010, y así sucesivamente.) A continuación se procede a fragmentar la ristra resultante de ceros y unos en bloques de igual tamaño. Luego, se introducen estos bloques como si fueran claves en el algoritmo de cifrado. El resultado final es el condensado (“hash”) del mensaje srcinal. Observemos que todos los mensajes, cualquiera que sea su longitud, producirán siempre un extracto de tamaño fijo. Esta operación es “de sentido único”, dada la imposibilidad casi absoluta de recuperar un mensaje a partir de su condensado. Además, el algoritmo está diseñado para que dos mensajes cualesquiera produzcan, con certeza casi total, extractos distintos, y no es computacionalmente factible hallar otro mensaje que genere el mismo condensado que un mensaje dado. Por cuya razón, un condensado puede servir de “huella dactilar” para su correspondiente mensaje.
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Por consiguiente, en un sistema criptográfico bien diseñado el tamaño de la clave no guarda relación directa con el esfuerzo requerido para fracturarla. En el caso de los sistemas de cifrado por bloques, tal relación acostumbra ser exponencial. Con sólo añadir un bit más a la longitud de la clave, el esfuerzo que el atacante ha de realizar para probar todas las claves se duplica. Y la duplicación del tamaño de la clave eleva al cuadrado tal esfuerzo. Por término medio, la fractura de una clave de 128 bits requiere unas 2 127 operaciones (alrededor de 1, 7 × 10 38 , en notación decimal).
Los algoritmos de clave pública presentan menor sensibilidad. En el caso típico, sus espacios de claves son subexponenciales, pero superpolinómicos, lo que significa que la duplicación de la longitud de la clave aumenta bastante el trabajo, pero no llega a ser el cuadrado. Con el métod o RSA, los modernos algoritmos de descomposición factorial de números compuestos son mucho más eficaces que el mero tanteo de todos los posibles factores primos para descomponer un número compuesto. También el algoritmo Diffie-Hellman es subexponencial. A modo de comparación,
MENSAJE QUE SE HA DE CONDENSAR
CONVERSION DEL MENSAJE EN SIMBOLOS BINARIOS
ALGORITMO DE CON CATENACION
ENCRIPTACION BINARIA DEL MENSAJE
MENSAJE ENCRIPTADO
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3. EL ALGORITMO DE CONCATENACION aumenta la seguridad de los cifrados por bloques. Tras convertir el mensaje en ristra de ceros y unos, se fragmenta la secuencia en segmentos de igual tamaño. Antes de encriptar cada bloque, primero se lo combina matemáticamente con el bloque encriptado anterior. Así pues, la encriptación del segmento número 23 depende del bloque cifrado número 22, que está a su vez afectado por la encriptación del tramo número 21, etcétera. Por mor de esta cadena de realimentación, cada bloque encriptado depende de todos los anteriores, con lo cual el cifrado es mucho más difícil de descodificar por los criptanalistas.
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la fractura de una clave Diffie-Hellman o RSA de 3000 bit s exige ap roximadamente el mismo esfuerzo que una clave de 128 bits en los cifrados por bloques o segmentos. A pesar de ello, no puede decirse que los cifrados por bloques sean invencibles. Durante el año en curso, una máquina de funcionamiento en paralelo a gran escala, construida para este fin por Electronic Frontier Foundation, extrajo en menos de una semana un mensaje codificado en DES explorando exhaustivamente el espacio de claves de 56 bits. Y no es la fuerza bruta la única forma de fracturar unservirse cifrado.deLos criptanalistas pueden un potente repertorio de instrumentos matemáticos y estadísticos para hallar atajos, tal vez, descubriendo regularidades en el texto encriptado. Las tentativas de descifrado pueden agruparse en tres categorías, en función de lo que se conozca sobre el mensaje srcinal (el denominado “texto llano”) y la correspondiente transmisión en clave (el “texto cifrado”). En algunos casos, los atacantes disponen sólo del texto cifrado y carecen de guía en sus esfuerzos por averiguar la clave. Incluso una clave débil podría soportar ataques basados en el texto cifrado. Pero si los atacantes conocen al menos una parte del mensaje —por ejemplo, que el texto comienza por tunidades de “Estimado señor éxitoLópez”— aumentan. lasIncluoporso el mero conocimiento del idioma del texto llano (sea ruso, francés o COBOL) proporciona información aprovechable. Si el mensaje está en español, la palabra más repetida será, probablemente, un artículo. Para neutralizar estos métodos de ataque tan conocidos, algunos sistemas criptográficos comprimen electrónicamen te el mensaje antes de encriptarlo, suprimiéndole las regularidades fácilmente predictibles. El atacante, con frecuencia, dispone de más información. Si alguien roba una tarjeta “inteligente” provista de circuitos de encriptación, el ladrón tal vez pueda presentar a la tarjeta miles de millones de mensajes cuidadosamente elegidos y examinar el texto cifrado con que responde. Los ataques de este tipo, con textos llanos bien elegidos, pueden descerrajar los sistemas de cifrado mal diseñados. Tenemos otro ejemplo en los sistemas de clave pública. El atacante puede escribir un mensaje, encriptarlo con la clave pública (que después de todo, es p ública) y analizar después el texto cifrado resultante. TEMAS 36
De creación reciente, hay dos métodos de criptanálisis muy eficaces, conocidos por lineal y diferencial. Uno y otro se han utilizado para descifrar cierto número de sistemas de cifrado, y han puesto de manifiesto que el DES puede descifrarse centenares o millares de veces más deprisa que lo habitual en un ensayo exhaustivo de claves. En el criptanálisis diferencial, introducido por Shamir y Eli Biham, del Instituto Technion de Israel, se encriptan muchos pares de mensajes en texto llano cuyas diferencias están cuidadosamente elegidas, con la in-
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ALICIA Número x secreto gx
resulte colo, o implantación, más sencillo atacar de tal cifrado. el protoDesconfiad del intermediario
U
na posible amenaza son los ataques del intermediario, la mayor flaqueza de los criptosistemas de clave pública. Cuando Benito se dispone a enviar un mensaje a Alicia, quizá no se percate de que Carolina anda buscando suplantar a Alicia. Si Carolina lograse que Benito, en lugar de la clave pública de Alicia, emplease la que ella tiene, podría descifrar el mensaje de Benito. La única forma de impedir ataques de este tipo sería que Benito confirmara que la clave pública de Alicia realmente pertenece a Alicia. La mayor parte de la complejidad de las implementacion es bien diseñadas de los criptosistemas de clave pública tiene que ver con este tipo particular de vulnerabilidad. Una solución sería hacer que un fedatario comprobase y certificase las claves. Este método, sin embargo, pone en entredicho la cuestión principal: ¿Deben certificar las claves unas autoridades gubernamentales , procediendo de LA INFORMACIÓN
gz
gz
( g z ) x = g xz El secreto xz
tención de hallar un correspondiente par de textos cifrados que presenten una determinada discrepancia. El descubrimiento de un par de este tipo proporciona información sobre la clave. El criptanálisis lineal, desarrollado por Mitsuro Matsui, de la compañía Mitsubishi, busca correlaciones entre el texto llano, el texto cifrado y la clave, que sean verdaderas con frecuencia ligeramente mayor que lo son falsas. Después, el método recopila estadísticas sobre grandes números de pares texto llano-texto cifrado, buscando sesgos que revelen indicios sobre la clave. Por potentes que sean, las técnicas de criptanálisis reclaman una abrumadora carga computacional. No es insólito que, en vez de tratar de descifrar un procedimiento de cifrado,
CAROLINA Número z secreto
compartido esg
gx
BENITO Número y secreto gy
gy
gz
( g x ) z = g xz ; ( g y ) z = g yz
( g z ) y = g yz
El secreto compartido
El secreto
xz
con Alicia esg y el secreto compartido con Benito esgyz
yz
compartido esg
4. EL ATAQUE POR INTERMEDIARIO es el punto débil de los criptosistemas de clave pública. Si Carolina intercepta las transmisiones entre Alicia y Benito, tal vez logre engañar a Benito y le haga utilizar su gz en lugar del valor gx de Alicia, e inducir del mismo modo a Alicia a que use gz en vez del gy de Benito. Carolina podría entonces descifrar y volver a encriptar los mensajes que Alicia y Benito se intercambian, sin que éstos se percatasen. Es como si Alicia y Benito estuvieran hablándose por teléfonos especiales, encriptados, mientras Carolina les espía utilizando un par de tales teléfonos para desencriptar la transmisión y volverla a encriptar después.
arriba abajo, o bien se ha de seguir el método inverso, descentralizado,
claves y en los procesos de encriptación y descodificación, sobre todo, se
sas participación con privadas o individuos de diversas particulaempreres, permitiendo a cada cual elegir por sí los fedatarios a los que confiar la firma de claves? Una cuestión delicada que merece un artículo entero. Conforme han ido perfeccionándose las técnicas de desvelar claves, han mejorado también los algoritmos de criptografía, cada vez más robustos. El Instituto Nacional de Pesos y Medidas norteamericano ha solicitado diseños para el Estándar de Encriptación Avanzada (AES), nuevo sistema de cifrado por bloques que ha de reemplazar al Estándar de Encriptación de Datos (DES), que ha llegado al fin de su vida útil, a causa, sobre todo, de lo pequeño de su c lave de 56 bits y su tamaño de bloque, de sólo 64 bits. El AES, que viene suscitando encendido interés en la comunidad criptográfica, utilizará claves con un tamaño de 128, 192 o 256 bits con el fin de encriptar datos en segmentos de 128 bits. Los diseños del AES han de satisfacer varios criterios. Habrán de ser flexibles y admitir diversos tamaños de clave y de bloque; habrán de ser eficientes en el establecimiento de
o lo estén en procesadores implanten microprocesadores de 32 bits de ocho bits, previstos para tarjetas “inteligentes” y otros equipos. Habrán de funcionar eficientemente en una amplia gama de aplicaciones, que pueden ir desde las comunicaciones vía satélite hasta la televisión de alta definición. Varios de los candidatos a AES han alcanzado una notable perfección en su diseño. Las mejores propuestas han aprovechado la experiencia de criptógrafos que han estado estudiando los cifrados por segmentos a lo largo de los últimos 20 años; han tenido en cuenta sus progresos para defenderse de los métodos lineal o diferencial de análisis criptográfico. De las 15 propuestas presentadas, muchas constituirían estándares de encriptación dignos de crédito. El sistema MARS, que aprovecha la experiencia del equipo de IBM creador del DES, utiliza dos estructuras muy diferentes para las rondas de encriptación. El método mixto, afirman los criptógrafos de IBM, proporcionará mayor seguridad que la conseguida con un cifrado homogéneo. Por su parte, el sistema CAST-256 genera77
liza la estructura CAST precedente hasta una clave de 256 bits y un tamaño de bloque de 128 bits. El sistema Twofish reviste mayor rigor matemático que Blowfish, su predecesor. El Serpent despliega un insólito diseño en paralelo con el fin de hacerlo tan veloz como DES, con un breve tiempo de ajuste de la clave, lo que debería permitir que el sistema funcionase eficientemente para preparación de extractos. [Mars, Twofish, Serpent, RC6 y Rijndael fueron los finalistas del concurso que eligió el algoritmo de cifrado AES. En octubre de 2000 se comunicó
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Un algorimo, el XL, resuelve muchos sistemas de ecuaciones así, pero fracasa con Rijndael. Nicolas Courtois y Josef Pieprzyk han propuesto una mejora de XL, XSL. Está por ver la eficacia de esta teoría en la práctica, pero los ataques algebraicos de ese tipo podrían ser el punto débil del AES, en opinión de Courtois.] Descifrar el futuro
C
ualquiera que sea el candidato seleccionado, en la carrera de armamentos que sostienen contra los criptanalistas, el AES promete inclinar todavía más la balanza en favor
que el vencedor Rijndael (denominado así por elera nombre de sus creadores, los belgas Joan Daemen, de Proton World —fabricante de tarjetas inteligente s—, y Vincent Rijmen, del laboratorio COSI de la Universidad Católica de Lovaina). Este algoritmo repite 10, 12 o 14 veces la misma función de transformación al bloque de texto que debe cifrarse. La función consta de cuatro pasos. El bloque y la clave se escriben como matrices de 16, 24 o 32 casillas (correspondiendo cada casilla a un byte). En el primer paso, se aplica una “S-Box” —una tabla de transformación de bytes— a la matriz del bloque, lo que introduce no-linealidad . En el segundo, se mezclan linealmente los bytes de cada columna multiplicándolos por una matriz fija, lo que introduce difusión
de criptógrafos. En nuestros días, loslos sistemas de encriptación más perfectos se hallan fuera del alcance de los más sagaces métodos de análisis criptográfico. Pero cabe imaginar que aparezcan nuevas y potentes técnicas para descifrar mensajes. Aun así, muchos criptólogos sostienen que la ventaja de los creadores de sistemas de cifrado sobre los descodificadores no hará sino aumentar. Estoy de acuerdo con tal afirmación, en parte, en vista de lo activa que es la comunidad criptográfica, tanto en medios académicos como en el sector privado. Ha crecido y madurado hasta ponerse a la par con los expertos de la milicia en este campo. Tenemos la prueba de que así es en la reciente desclasificación de la cifra Skipjack como material secreto, que la Agencia
El los de tercer bytes paso dentro desplaza de cada cadacolumna. fila de la matriz un número distinto de casillas, lo que introduce introduce difusión entre las columnas. El cuarto paso suma la matriz a la matriz de la clave, lo que introduce dependencia de la clave. En un principio, la Agencia Nacional de Seguridad de Estados Unidos negó que fuese a utilizar el AES para encriptar documentos secretos; se limitaría a utilizarlo sólo cuando “fuese apropiado”. Sin embargo, en 2003 aprobó su utilización para todos los organismos gubernamentales. El AES de 128 bits se aplicará a los documentos clasificados como secretos y las versiones de 192 y 256 bits a los considerados “top secret”. El consorcio europeo Nessie de encriptación recomendaba también en 2003 el AES, al que no se le había descubierto, decía, ningún punto débil. Sin embargo, algunos criptólogos estudian su vulnerabilidad a ataques. Se ha mostrado que la recuperación de la clave a partir de un solo texto en la versión de 128 bits equivale a un sistema de 8000 ecuaciones cuadráticas con 1600 incógnitas binarias.
rrollado endesecreto Nacional Seguridad para había el microcirdesacuito Clipper. Una recensión efectuada por Biham, del Technion, un criptólogo universitario, reveló que el algoritmo era menos conservador, y tenía menores márgenes de seguridad, que los mejores diseños creados en el mundo académico. La criptografía —como la propia Internet— ha salido desde las oscuras sombras de la milicia al sol vigoroso del mercado libre.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA THE OFFICIAL PGP USER′S GUIDE. Philip R. MIT Press, 1995. edición. AZimmermann. . Segunda PPLIED CRYPTOGRAPHY Bruce S chneie r. John Wile y & Sons, 1996. Puede hallarse más información en http:// www.pgpi.com; http://www.pgpinternational.com, http://www.pgp. com/phil; http://csrc .nist.gov/encr yption/, http:// www.epic.org, http:// www.eff.org y http://www.cdt.org.
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Láser en el kilómetro final Los modernos servicios multimedia en banda ancha pueden llegar directamente a viviendas y empresas por medio de láseres infrarrojos de corto alcance Anthony Acampora
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magínese una red urbana de distribución de agua que no abastece locales y viviendas porque las tuberías carecen de la longitud suficiente. Esta situación se parece mucho a la que hoy se da en la red de transmisión de datos de alta velocidad. Se han invertido muchos miles de millones de euros en construir redes básicas de fibra óptica que lleven a los ordenadores domésticos y profesionales servicios multimedia de calidad realmente elevada; pese a ello, se han quedado cortas: en Estados Unidos, por ejemplo, les falta un poco menos de un kilómetro para llegar a nueve de cada diez empre-
óptica (entre 60.000 y 300.000 euros por kilómetro). Por tales razones hoy sólo se utiliza del 2 al 5 por ciento de esta red de cobertura nacional. Aunque diversas técnicas de transmisión de datos que no emplean la fibra, entre ellas el radioenlace por microondas, las líneas de abonado digitales y los módems de cable, intentan materializar la conectividad en banda ancha, muchos expertos creen que ninguna cuenta con más probabilidades de éxito que la óptica en el espacio libre (FSO, “free-space optics”): la comunicación óptica, pero sin fibra. Inventada en los años setenta, se ha reavivado en fechas re-
Los láseres infrarrojos de baja potencia operan en una banda del espectro de frecuencias no sujeta a licencia; están diseñados —o se pueden diseñar— de modo que no supongan riesgo alguno para el ojo humano. Por desgracia, la escasa potencia de estos láseres limita su alcance. En función del tiempo que haga, los enlaces por FSO abarcan desde unas pocas manzanas urbanas hasta un kilómetro, distancia suficiente para un tráfico de banda ancha, en ambos sentidos, entre la red básica y un buen número de usuarios finales. Para remediar la fuerte reducción del alcance que causa el mal tiempo
tante sas deel más incesante de 100 empleados. crecimientoNo deobsla demanda, tardan en hacerse realidad las halagüeñas perspectivas: la supresión de los retrasos en la navegación por la Red y en el acceso a bibliotecas de datos, un comercio electrónico más ágil, emisiones de vídeo que pueden contemplarse en el acto y de seguido, servicios de petición de vídeo, videoconferencias, transferencias de imágenes clínicas en tiempo real, interconexiones de empresas que posibiliten el compartir trabajos, una variedad de transacciones entre entidades comerciales. Todo esto no ha despuntado todavía; yace enterrado bajo las calzadas y aceras de las ciudades. El problema es bien sencillo: los conductores de cobre y cables coaxiales que conectan los sistemas de teléfonos y televisión por cable a los edificios carecen de la capacidad necesaria (del orden de gigabits por segundo) para transportar servicios y aplicaciones de gran anchura de banda. Además, costaría demasiado instalar los puentes de fibra óptica requeridos para conectar millones de usuarios a la red básica de fibra
sistema Los cientes. son los elementos transceptores básicos(transde este misores-receptores) de láser infrarrojos de baja potencia, que transmiten datos en ambos sentidos a velocidades de gigabits por segundo. Varios proveedores han instalado ya en distintas partes del mundo sistemas de FSO reducidos.
unos dispositivos —sobre todo la niebla que dependen espesa— deen la vis ibi lid ad directa, puede est abl ecerse una red en la que cada nodo transceptor óptico (cabecera de enlace) se comunique con varios otros nodos cercanos. Esta topología “de malla” garantizaría la retransmisión fiable de enormes cantidades de datos
LA INFORMACIÓN
Aplicaciones de la óptica en el espacio libre • Acceso en el último kilómetro: enlaces de datos de alta velocidad conectan usuarios finales —empresas y particulares— con proveedores de servicios de Internet y otras redes de fibra metropolitanas y de área extensa. • Telefonía móvil: medios para transportar el tráfico de la telefonía celular desde las torres de antena locales a las instalaciones conectadas a la red telefónica pública conmutada. • Conectividad de empresas: interconexión fácil de los segmentos de red de área local instalados en los distintos edificios de una empresa. • Reserva para la fibra: enlaces redundantes de bajo coste que sirven de reserva a la fibra óptica, sustituyendo a un segundo enlace por cable de fibras enterrado. • Aceleración del servicio: servicio de alta velocidad transitorio para clientes que esperan el tendido de la infraestructura de fibra óptica. Instalación de una red de comunicaciones de emergencia.
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desde unos puntos de difusión centralizados a poblaciones, ciudades o regiones enteras. Los equipos de FSO que se han comercializado proporcionan velocidades de datos muy superiores a las que ofrecen las líneas de abonado digitales o los cables coaxiales —de 10 megabit a 1,25 gigabit por segundo—, más que suficientes para la mayoría de los servicios y aplicaciones de gama alta en banda ancha. Además, los diodos láser más avanzados ya disponibles en el mercado operan a un ritmo tal, que permitiría transmitir información a velocidades to-
gabit por segundo. Si bien estos dispositivos aún no están adaptados para el uso en la FSO, un sistema de ese tipo podría transmitir impulsos ópticos de sólo 100 picosegundos (100 billonésimas de segundo) de duración. Los sistemas ópticos en el espacio libre cuestan entre tres y diez veces menos que las instalaciones convencionales de fibra óptica subterránea. Por si fuera poco , enterra r el cable ado lleva de seis a doce meses, mi entras que el enlace FSO se instala y pone en servicio en pocos días. No es de extrañar, pues, que cerca de una docena de compañías estén desarro-
davía mayores, llegando a los 9,6 gi-
llando la técnica FSO. Si las cosas
1. SI LAS EMPRESAS adoptaran la técnica de la óptica en espacio libre, quienes residiesen en sus cercanías podrían acceder de un modo asequible a servicios multimedia de banda ancha.
van como sus promotores predicen, esta industria podría pasar de facturar en el año 2000 unos 120 millones de euros a superar lo s 2000 millones en 2006, según un estudio dirigido por Strategis Group, consultora de telecomunicaciones de Washington, D.C. Salvar el último kilómetro
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a óptica en el espacio libre se vale de aparatos y técnicas ideados srcinalmente para los sistemas de fibra óptica por cable, los mismos que ahora se pretende complementar. Las señales electrónicas que contienen información digital (los “1”ordey los “0” del lenguaje binario de los nadores) se envían por medio de un transmisor de diodo láser infrarrojo, montado sobre un tejado o en una
S N O M I S P I H C
ventana, que convierte cada “1” lógico en un estrecho impulso de energía óptica y cada “0” en una ausencia de impulso. A esta modulación digital de la señal óptica se la denomina señalización todo/nada. Se mejora el rendimiento de la transmisión distribuyendo el tráfico en paquetes de datos independientes, que se direccionan y transmiten por separado. Además, el sistema FSO admite la multiplexación por división en longitud de onda (WDM), técnica que transporta por una sola vía óptica decenas de canales de señal independientes, siempre que cada uno vaya codificado en una
nadas por las oscilaciones del edificio y la dilatación o contracción de los materiales de construcción, obligan a introducir medios de seguimiento automático en ambos extremos del enlace, con el consiguiente aumento de la complejidad y del coste. Hay sistemas de seguimiento activos que utilizan plataformas mecánicas móviles o espejos articulados para apuntar el afilado haz hacia las lentes receptoras y para que la abertura receptora mire al transmisor. Mediante ajustes regulares controlados por realimentación se mantienen el transmisor y receptor en la orienta-
óptica funcionan normalmente a ese nivel de servicio. La FSO quizás encuentre una de sus principales aplicaciones en los sistemas de transmisión que conectan las estaciones base de radio celular con los centros de conmutación móvil conectados a la red telefónica pública conmutada; esta aplicación requiere una disponibilidad operativa intermedia, en torno al 99,99 por ciento. Alcanzar un nivel de calidad funcional tan elevado es todo un reto para la óptica en el espacio libre. Cuanto mayor sea la densidad de la niebla, menor será la disponibilidad
longitud ligeramente distinta de ladedeonda los demás. Los impulsos ópticos emitidos por el diodo láser de 850 o 1550 nanómetros atraviesan después una lente de enfoque y se envían al exterior en forma de haz luminoso colimado, como el que genera una lámpara de destellos. Pese al enfoque por la lente, la potencia del haz se dispersa con la distancia; cuando una parte de la luz transmitida incid e en la lente de la abertura de un receptor (también situado en un tejado o en una ventana), la potencia óptica captada se enfoca a un fotodetector, que convierte los impulsos en una señal eléctrica débil. A continuación, esta señal se amplifica y regenera en un receptor electrónico muy sensible, lo que completa el enlace de transfe-
ción correcta. a sensibilidad a la niebla ha retrasado el lanzamiento comercial de los sistemas ópticos en espacio libre. Es cierto que la niebla (y en un grado mucho menor, la lluvia y la nieve) produce una notable caída de la potencia óptica recibida y, por tanto, limita considerablemente el alcance máximo de un enlace de FSO. El coeficiente de atenuación óptica aumenta exponencialmente con la distancia. En una niebla que no sea demasiado densa, la señal óptica pierde el 90 por ciento de su intensidad cada 50 metros. Esto implica que a los 100 metros se habrá perdido el 99 por ciento de la energía y a los 150 metros el 99,9 por ciento. Para que un enlace óptico en
yEn más alcance admisible. laslimitado regionesel donde es muy rara la niebla intensa puede lograrse una disponibilidad excelente a una distancia muy cercana a la máxima alcanzable, alrededor de un kilómetro. Sin embargo, en climas menos favorables esta distancia sería mucho menor. Para resolver el problema del alcance y la fiabilidad, cabe diseñar sistemas FSO con longitudes de enlace limitadas que forme parte de una topología de malla óptica interconectada, configuración semejante a una tela de araña que llevaría los servicios de banda ancha a numerosos edificios, demasiado alejados de la red básica de fibra óptica para poder conectarse a ella por medio de un solo enlace de FSO. En una red de transmisión de
tendrá, el espacio pues, libre queresulte estar diseñado practicable con un “margen de enlace” especificado, es decir, un exceso de potencia óptica al que pueda recurrirse para traspasar la niebla cuando sea necesario. Dado un margen de enlace determinado, toma sentido otro parámetro de medida: la disponibilidad del enlace, la fracción del tiempo de funcionamiento total durante la cual el enlace falla a causa de la niebla u otras interrupciones físicas. Dependiendo de la aplicación, se establecen objetivos de disponibilidad dispares. En la red interna por FSO de una compañía privada (la conexión, por ejemplo, de dos despachos de la misma empresa situados en diferentes edificio s) puede acep tarse un 99, 9 por ciento de tiempo útil, que correspondería a nueve horas inservibles por año. Por el contrario, los proveedores públicos de señal necesitan que el enlace esté disponible para los clientes preferentes el 99,999 por ciento del tiempo (como se dice en las telecomunicaciones, la marca de los cinco nueves): cinco minutos de fallo al año como mucho. Los sistemas de fibra
edificiocon datos más esacercano estructura al término de malla, de la el fibra óptica se equipa con un nodo FSO “raíz”, el cual está unid o a la fibra y contiene varios transceptores ópticos. Otros edificios atendidos se equipan también con nodos FSO provistos de transceptores múl tiples. Estos transceptores permiten que los nodos se comuniquen con sus vecinos próximos utilizando la interconexión en malla. Las señales destinadas a un edificio concreto se envían desde el nodo raíz a una determinada serie de enlaces de la malla, con nodos intermedios que actúan como repetidores regeneradores a lo largo del camino. Análogamente, un edificio envía señales al nodo raíz siguiendo otra ruta distinta. De este modo la longitud de cada enlace óptico es corta, tanto como para conseguir una gran inmunidad a la niebla. Si fallara un enlace, las señales se reencaminarían por una vía alternativa cualquiera de las redundantes que haya previstas, lo que facilita una recuperación rápida tras un fallo del equipo. Por último, la malla puede conectarse a varios nodos raíz, ofreciendo así una mayor capacidad total
“Completar rencia de datos la conectividad”). ( véase el recuadro Aunque el haz de infrarrojos transmitido sea estrecho, no por ello deja de abrirse; cuando llega al extremo receptor del enlace forma un cono de bastante anchura. El grado de dispersión del haz viene determinado por el tamaño de la lente transmisora, variando en razón inversa al diámetro de la misma. De ahí que la cantidad de energía que realmente alcanza la lente colectora caiga deprisa con la distancia (varía en razón inversa al cuadrado de ésta). Para unos determinados valores de la velocidad de transmisión de datos, la potencia óptica transmitida, la sensibilidad óptica del receptor y el tamaño de la lente receptora, la divergencia del haz impone una distancia máxima a la cual puede funcionar el enlace óptico. Para aumentar esa distancia hay que utilizar lentes transmisoras de mayor diámetro que reduzcan la dispersión del haz; de esa manera incide una proporción mayor de energía óptica en la lente receptora. Al estrechar el haz, sin embargo, las minúsculas variaciones del blanco, srciLA INFORMACIÓN
Perdidos en la niebla
L
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Completar la conectivid ad EXTENSION DE LA BANDA ANCHA AL KILOMETRO FINAL Instalando en los edificios nodos ópticos de espacio libre (FSO) con multitransceptores ( debajo y a la derecha), una red de transmisión de datos de corto alcance con estructura de malla y enlaces bidireccionales por láser extendería la distribución de datos en banda ancha desde las ciudades ya atendidas a otras poblaciones, urbanizaciones e incluso regiones.
Transceptores
TO R
URBANIZACION E C A R G IE R U A L
R AL N C ENT
RE D E
DISTRIBUCIO
múltiples
BARRIO
Red básica nacional de fibra optica
NODO OPTICO DE ESPACIO LIBRE
PARQUE E MPRESARIAL
CENTRO U RBANO
ZONA INDUSTRIAL
ENLACE OPTICO DE ESPACIO LIBRE CON LA RED BASICA DE FIBRA OPTICA Transmitir datos en banda ancha dentro de un área residencial a velocidad elevada es la función primordial de un enlace FSO. Estos enlaces pueden proporcionar la conexión de “último kilómetro” con la red de fibra óptica de alta capacidad ya tendida. Los datos codificados para las aplicaciones y servicios de banda ancha que se ejecutan en equipos de oficina digitales (y en el futuro, en sus homólogos domésticos) se envían a un nodo transceptor FSO montado en un tejado o ventana (1 ). Diodo láser Nodo
1
El diodo láser del transceptor convierte los datos en impulsos ópticos infrarrojos, colim ados por una lente (2 ) y dirigidos en haz ( 3 ) a otro nodo FSO (en este caso, un nodo raíz conectado a la conducción de fibra óptica) fijado en un edificio próximo. La lente receptora de ese transceptor enfoca los impulsos ópticos a un fotodetector, que los restituye como impulsos eléctricos (4 ). Los impulsos son luego amplificados y depurados por un regenerador de señal ( 5).
A continuación, las señales eléctricas se envían por un hilo a otro diodo láser, que las codifica ópticamente ( 6) para transmitirlas por un cable de fibra óptica que forma parte de la red básica nacional ( 7 ). En el extremo de dicho cable, un fotodetector ( 8 ) reconvierte las señales en impulsos eléctricos que utilizarán los ordenadores y servidores de un nodo de conmutación principal de Internet ( 9 ); éste enlaza con los proveedores de aplicaciones y servicios de banda ancha.
Fotodetector Enlace óptico en el espacio libre
2
Regenerador de señal
4
Nodo raíz
5 Diodo láser
Hasta 1 kilómetro
3 de fibra óptica
Impulsos eléctricos
9 Equipo de oficina informático y de comunicaciones
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Nodo de conmutación de Internet
6
Conducción
Impulsos ópticos
7 8
Fotodetector
TEMAS 36
S N O IM S IP H C
2. UNAS REDES de enlaces por láser invisibles podrían traer en breve plazo la revolución de la banda ancha.
al grupo de edificios a los que se da servicio. Cada estación regeneradora/repetidora de un sistema en malla debe contener, además de un pequeño número de transceptores ópticos, un conmutador electrónico que combine (por multiplexación) el tráfico de señales procedente del edificio loc al con el que llega desde otros edificios próximos y encamine las señales entre el nodo raíz yPor cada uno de los atendidos. añadidura, lasedificios necesarias funciones de multiplexación, desmultiplexación y conmutación exigen que todas las señales procedentes de los diversos equipos informáticos y de comunicaciones de los usuarios se conviertan a un formato común. Realiza esta conversión de formatos un dispositivo llamado unidad de terminación de la red. Aunque los datos atraviesen multitud de nodos a lo largo de los diversos trayectos, los usuarios perciben cada señal como si se entregara a la red básica de fibra a través de una línea de transmisión exclusiva. De este modo es posible ofrecer a zonas extensas un ancho de banda propio de la fibra óp tica e instalar con bastante rapidez y comodidad nuevos nodos, que incorporan más edificios Para cada a la señal red FSO. procedente de cada edificio, los programas de gestión de la red eligen un trayecto a través de la malla que pase por uno de los nodos raíz del sistema. Como los programas detectan el fallo de un nodo, las señales afectadas pueden encauz arse instantáneamente de manera que sorteen el problema. Al diseñar la red se ha de prever en cada enlace óptico una reserva no asignada; así se garantiza que habrá capacidad suficiente para reencaminar el tráfico y recuperarse de los posibles fallos de uno o de múltiples enlaces. El radioenlace punto a punto por microondas, técnica inmune a la atenuación de la niebla, compite con la óptica de espacio libre en despejar el atasco del último kilómetro. Presenta la desventaja de que se necesitan licencias para funcionar en la mayoría de las bandas de radiofrecuencias; en casi todas, además, está limitado el espectro disponible, con las consiguientes restricciones de capacidad. El radioenlace por microondas resulta además más costoso que los sistemas de FSO, y sus transmisiones son vulnerables a la interferencia. Otra desLA INFORMACIÓN
ventaja más es la considerable atenuación que sufre la señal cuando llueve mucho, especialmente en las frecuencias más altas, donde se hallaría más espectro disponible. Sin embargo, funcionando en la frecuencia de 60 gigahertz, el enlace de microondas podría complementar el sistema de óptica en espacio libre. La Comisión Federal de Comunicaciones de EE.UU. ha asignado una porción del espectro aún libre en la gama de 60 GHz a las aplicaciones de alta velocidad. Esta concesión significa que se puede ofrecer más capacidad y utilizar un método de modulación que no aproveche con gran eficacia el espectro —y por tanto que cueste menos—, como una sencilla modulación todo/nada, por ejemplo. Dado que la lluvia intensa y la espesa niebla no ocurren simultáneamente, hay la oportunidad de potenciar la fiabilidad de la red mediante la combinación de la ra dio en 60 GHz con la F SO. El sistema resultante de la unión de ambas técnicas sería muy fiable a distancias mucho mayores.
Aunque a la óptica en el espacio libre le queda algún trecho por recorrer antes de solucionar sus problemas pendientes, se trata de la mejor opción para salvar el fatídico kilómetro final y causar la tan esperada revolución de la banda ancha. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA UNINET: A HYBRID APPROACH FOR UNIVERSAL B ROADBAND A CCESS U SING SMALL RADIO CELLS INTERCONNECTED BY FREE-SPACE OPTICAL LINKS. A. Acampora, S. Krishnamurthy y S. H. Bloom en IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 16, n. o 6, págs. 973-988;
agosto de 1998.
IRELESS A CCESS NET AWORK BROADBAND B ASED WON M ESH -C ONNECTED F REE -S PACE O PTICAL LINKS . Anthony Acampora y Srikanth V. Krishnamurthy en IEEE Personal Communications(hoy llamada IEE E Wir ele ss Co mmu ni cations), vol. 6, n.o 5; octubre de 1999. F RE E -S PACE L ASER C OMMUNICATION TECHNOLOGIES. Número especial de Proceedings of SPIE (publicación anual).
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Informatización del hogar Gracias a unas ingeniosas técnicas, ya pueden comunicarse los ordenadores y los electrodomésticos por medio del cableado eléctrico de la casa W. Wayt Gibbs
M
uy pronto, todos los posibles terminales de una vivienda —al principio ordenadores e impresoras, en el futuro teléfonos, aparatos recreativos e incluso electrodomésticos— podrán interconectarse sin más que enchufarlos a la red eléctrica. Si entre los dispositivos de esa red hay un módem, todas las tomas de corriente de la casa darán acceso lo mismo a Internet que a la corriente eléctrica. Desde hacía años se venía pensando que tenía que haber alguna forma de que los kilómetros de hilo de cobre que
comunica por medio de ondas radioeléctricas. La acogida de las normas HomePNA y Wi-Fi entre los propietarios de viviendas no ha sido calurosa, según Kurt Scherf, encargado por Park Associates (Dallas) de seguir el desarrollo de las redes domésticas. De todas las familias estadounidenses equipadas con varios ordenadores (unos 26 millones), debe de haber 5,5 millones ya configuradas en red, que de un 8 0 % a un 90 % de los ca sos es del tipo Ethernet. A 100 megabit por segundo, las redes Ethernet
casas ofrecie llegan a cada sen habitación un doble deservicio. nuestrasL a verdad es que ya en 1899 se concedió la primera patente estadounidense de un método de comunicaciones que utilizaba el cableado eléctrico; pero un gran número de intentos se estrellaron contra obstáculos técnicos insalvables. Tras los fracasos de firmas bien conocidas —Nortel Networks y Siemens AG—, unas compañías europeas ofrecen desde el año pasado a sus clientes servicios telefónicos y de Internet por el tendido eléctrico. Las redes eléctricas norteamericanas y japonesas tienen, sin embargo, un diseño diferente, que encarece demasiado la competición con el DSL y el cable coaxial de televisión ( véase el recuadro “Tendidos eléctricos e Internet”). Mientras, han aparecido otras técnicas que permiten interconectar las máquinas que haya dentro de un edificio sin tirar más cables por las paredes. La nueva norma de conexión en red por medio de los cables eléctricos ordinarios tendrá que competir con la HomePNA, por ejemplo, que utiliza las rosetas del teléfono. Otra competidora, la norma 802.11b, o Wi-Fi,
que las HomePNA transmiten diez veces y Wi-Fi, mássirápido bien han de utilizar cables especiales. La Wi-Fi todavía resulta algo cara; además, a muchos usuarios potenciales les preocupa que sus vecinos puedan espiar los correos electrónicos que envían y las páginas Web que visitan. Con razón , afirma Sch erf : “Casi todos los dispositivos inalámbricos de red poseen la opción de encriptar, pero la mayoría de los usuarios no saben cómo activarla”. La principal limitación de HomePNA es que los apartamentos y las viviendas más antiguas no suelen tener más de una o dos ro setas telefónicas. En cambio, hay tomas de corriente por todas partes. Al no necesitar transductores de radio, el equipo de una red de comunicaciones insta lada por medio de los cables de la luz puede ser más barato y más seguro que el de Wi-Fi. El quid está en conseguir un funcionamiento rápido y fiable. Las normas anteriores de transmisión de datos por cableado eléctrico —las X.10, CEB us y LonWorks eran las más conocidas— no permiten pasar de unos 10 kilobit por segundo. HomePlug Powerline Alliance, un
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consorcio de unas 90 empresas electrónicas e informáticas, sabía que tenía que encontrar el modo de conseguir una velocidad 1000 veces mayor. De la tela de araña al bolso de seda
E
l problema atrajo a Larry W. Yonge, ingeniero de telecomunicaciones y vicepresidente de investigación de Intellon, en Ocala (Florida). Fundó hace tiempo una empresa de antenas parabólicas; tuvo un gran éxito durante años, pero acabó por cable. Cuando sucumbir ante entró la competencia en Intellondel en 1996 no se dedicó a otra cosa que a buscar la manera de construir una red doméstica de datos con los cables de la corriente eléctrica de las casas. “No era tan evidente que pudiera conseguirse,” señala. “Teníamos que diseñar un sistema entero desde sus cimientos.” Hasta los más avezados en tratar con las interferencias dicen que las líneas eléctricas son un medio de comunicación pésimo. “Hemos diseñado un sistema muy eficaz para transportar energía eléc trica a 60 hertz ”, afir ma William Blair, del Instituto de Investigación de la Energía Eléctrica de Palo Alto, en California, “pero intentar transmitir señales de comunicaciones por esos mismos hilos es desastroso”. Es como querer transcribir exactamente la partitura de una sinfonía emitida por los altavoces de un abarrotado estadio de fútbol, en los últimos minutos de una disputada final de Copa, con fuerte viento y orejeras. En lugar del alboroto de la multitud, pongamos todo el maremágnum de aparatos domésticos que envía descargas estáticas por los hilos. El caTEMAS 36
O D N A IM R G T T O C S
LA INFORMACIÓN
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bleado doméstico, en sí, filtra con preferencia algunas frecuencias y altera la señal de un modo errático; recuerda mucho a las distorsiones que la música sufre en la megafonía. En el tren de datos se reflejan las ondas estacionarias y resonancias por realimentación generadas por los enchufes no utilizados y otros cambios repentinos de la resistencia del hilo. El papel de las orejeras corresponde al cuadro de disyuntores de una vivienda, que atenúa las señales al dividir el cableado en secciones casi independientes. En las casas más modernas, provistas de la alimenta-
masiado, los propios hilos transmitirán señales de radio que causarán interferencias en cualquier otro aparato; habrá, por ejemplo, zumbidos en el equipo estereofónico y perturbaciones estáticas en el televisor. Yonge y sus ayudantes abordaron estos problemas por diversos caminos. Decidieron utilizar frecuencias muy superiores a las que nunca se hubiesen empleado, por encima de cuatro megahertz. En esa región del espectro electromagnético, los aparatos domésticos generan menos ruido y las señales tienden a pasar sin demasiadas perturbaciones de uno a
ción llamada de doble fase, por es frecuente que un mensaje enviado el hilo “activo” tenga que salir a la calle hasta alcanzar un transformador de distribución colocado en un poste del tendido eléctrico y vuelva después por el hilo de “tierra” hacia una parte diferente del edificio. Cuando la señal llega a la toma de destino puede que se haya atenuado en exceso. Añádase a lo anterior que la forma y el tamaño de la red eléctrica cambian en la casa de manera impredecible cada vez que se acciona un interruptor. Al encender luces o conectar un alargador varían las tensiones, resistencias y corrientes. Por si fuera poco, dice Blair, los circuitos eléctricos, largos, cerrados sobre sí mismos, se convierten en antenas y captan una gran variedad
otro del cuadro de distribución). disyuntores (o dellado transformador Ya no hay orejeras. Eligieron, además, una faja de espect ro m uy am plia, de los 4,5 a los 21 megahertz, y la dividieron en 84canales. Con este procedimiento, muy semejante al que se utiliza en la telefonía celular digital, los dispositivos pueden transmitir datos a menor potencia y no contaminar tanto el entorno radioeléctrico. Para que no hubiese quejas ante la Comisión Federal de Comunicaciones estadounidense, bloquearon los ocho canales más susceptibles de interferir las señales de los radioaficionados. “De todos modos, el tratamiento del ruido en la línea eléctrica fue el problema más arduo, el que se llevó la mayor parte de nuestro esfuerzo”,
HomePlug emite el mensaje utilizando de un golpe todos los canales independientes (76). Antes de iniciarse el intercambio de datos entre dos adaptadores HomePlug, éstos se envían del uno al otro señales de prueba por cada uno de los canales y bloquean los que presenten niveles excesivos de ruido o atenuación. “Ese mapa de canales se actualiza a intervalos de pocos segundos”, explica Yonge. De ese modo, la velocidad de la comunicación aumentará y disminuirá según sea menester mientras prosiga la conversación. Siguiendo con la analogía del estadio de fútbol, así se neutraliza la acción del viento, pero no se compensan del todo los ecos y las súbitas ráfagas de ruido. Para evitar los ecos, a cada paquete de datos enviado a la
fieren de señales la señal radioeléctricas de datos. Pero que si,interp ara vencer el ruido, ésta se amplifica de-
nica deYonge. señala transmisión Se necesitaba capaz de una adaptéctarse a las rápidas variaciones de las
guarda, red se lebreve incorpora pausaun queintervalo deja extinde guirse las reverberaciones. Y toda
condiciones de la línea. La elección recayó en la llamada multiplexación por división de frecuencias ortogonal (OFDM), que se utiliza en Europa para la difusión de la televisión digital. Doblegarse ante el viento
L
a OFDM es más sencilla de lo que sugiere su pomposa denominación ( véase el recuadro “Afrontar el ruido: adaptarse a él y evitarlo”). A diferencia de la radio de FM, donde cada canal lleva un programa diferente, en la OFDM un dispositivo
Tendidos eléctricos e Internet
S
e puede ir más allá de usar los cables de la luz de las casas en las redes de datos interiores; ahora, el tendido eléctrico conecta a Internet barrios enteros, aunque no en todas las partes del mundo. Y no sólo porque la forma de los enchufes difiere de un país a otro, sino porque además varía la estructura de la red de energía eléctrica. En la mayoría de las naciones de Europa, Asia y Sudamérica un transformador único de gran tamaño atiende a centenares de edificios. En cambio, en EE.UU., Canadá y Japón, entre otros países, se utilizan pequeños transformadores sobre postes que conectan de tres a seis vecinos sólo. Por desgracia para las compañías eléctricas que quieran proveer servicios de Internet con su red, los transformadores se comportan como grandes filtros que borran las pequeñas oscilaciones de la corriente en las que reside la información. “Se puede instalar un amplificador de desacoplamiento para cada transformador” , dice William Blair, del Instituto de Investigación de la Energía Eléctrica de Palo Alto, California, “pero no es rentable intercalar docenas de ellos en cada circuito, como habría que hacer en EE.UU. Los europeos sí pueden instalar con un rendimiento económico aceptable un amplificador de desacoplamiento en una
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subestación que encamine las señales a 200 o 300 viviendas desde el transformador.” El verano de 2001 la empresa alemana RWE Powerline, filial radicada en Essen de una compañía eléctrica, comenzó a ofrecer por unos 35 euros al mes un servicio de dos megabit por segundo. Los adaptadores son de la firma suiza Ascom. Esta casa informaba en septiembre de 2001 de que la compañía eléctrica Freiburgischen Elektrizitätswerken empezaba también en Suiza a ofrecer conexiones a Internet a través de sus tendidos y de que había pruebas de campo en curso en otros nueve países europeos, en Hong Kong, en Singapur y en Brasil. En España, Endesa ya ha probado esta técnica en el Puerto Olímpico de Barcelona con dispositivos de Ascom y en Sevilla con los de la empresa de Valencia DS2. Enersis, filial de Endesa, solicitó a finales de 2001 que se le autorizase un plan piloto en un barrio de Santiago de Chile. Unión Fenosa, que trabaja con DS2, también ha realizado pruebas en Madrid, Alcalá de Henares y Guadalajara. La Comisión del Mercado de las Telecomunicaciones ha determinado que las compañías eléctricas deben ofrecer este servicio antes de octubre de 2005 al 40 por ciento de sus clientes.
TEMAS 36
Para conectarse a una red doméstica no hay más que añadir potencia LOS PRIMEROS PRODUCTOS para redes domésticas tendidas por medio de los cables de la electricidad de las casas llegaron al mercado en 2002. De momento sólo conectan ordenadores, impresoras, escáneres y demás dispositivos que acepten conexiones USB o Ethernet, pero la norma HomePlug se aplicará también a futuros aparatos domésticos modificados de manera que se comuniquen a través de sus cables de alimentación.
ORDENADORES PERSONALES
MODEM DE CABLE O DSL
CONECTOR DE DSL O CABLE COAXIAL
ENCAMINADOR A LOS CABLES DE LA LUZ
DE TV
TOMA DE ENERGIA
RED DE DATOS EN LOS CABLES DE LA LUZ
TOMA DE ENERGIA
ADAPTADOR A LA RED DE DATOS EN LOS CABLES DE LA LUZ
1
Al conectar su módem DSL a un encaminador que dirige la señal a las líneas eléctricas de su casa, Susana tiene un acceso de alta velocidad a Internet en cada pared.
2
Luis puede ahora utilizar el PC de su cuarto para navegar por la Red en busca de información escolar y noticias deportivas.
3
Desde la oficina, Susana introduce una contraseña y hace clic en una página Web para encender la grabadora de vídeo y bajar el termostato de su casa.
PROVEEDOR DE VIDEO
CABLE O DE DSL
TEMP
4 Web en la
Un terminal
cocina va detallando una compleja receta que Susi quería probar...
7
También hay un detector de movimiento conectado a la red. Tras el fracaso de la difícil receta de Susana, el detector la avisa de que llega el repartidor de pizzas.
6 y Jaime luchan
Entre tanto, Luis
a brazo partido en un videojuego de la red.
LA INFORMACIÓN
5 música de los fiche... y reproduce
ros MP3 guardados en su ordenador personal del piso de arriba.
) M O .C E N A L P .X W W (W E N A L P X
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Afrontar el ruido: adaptarse a él y evitarlo LOS CABLES DE LA ELECTRICIDAD interiores de una vivienda están diseñados para soportar una corriente que varía, con mayor o menor regularidad, entre –311 volt y +311 volt (valor eficaz de 220 volt). Las señales de comunicación —pequeñas variaciones de tensión añadidas a esta onda sinusoidal— pueden quedar sofocadas por numerosas fuentes de ruido e interferencia.
Ruido de motores
Reflexión
Los motores de aspiradoras, batidoras y otros utensilios generan descargas estáticas al pasar sus escobillas por los imanes. Estas descargas
Los cambios bruscos de la resistencia de un circuito, por ejemplo la terminación en una toma que no se está utilizando, son un muro para las señales
circulan la casa. por el cableado de
de comunicaciones; rebotan en él puedencuando crearse “ondas estacionarias” que confundan al equipo de la red.
311 311 TENSION EN C.A. IDEAL
Interferencia radioeléctrica El cableado eléctrico de una vivienda viene a ser una gran antena que capta señales de las emisiones de radio y televisión o de los radioaficionados cercanos.
?
210 210
Circuitos separados Cambios de tamaño y forma Accionar un interruptor de luz o enchufar un alargador cambia el tamaño y el carácter de la red eléctrica y hay breves caídas o elevaciones de los niveles de potencia.
El cableado doméstico se divide en circuitos cuya única conexión es el cuadro de disyuntores o un transformador de la calle. Las señales que vayan y vengan entre máquinas situadas en distintos circuitos han de salvar estas barreras.
Cómo evita el ruido un sistema HomePlug PEQUEÑOS SIMBOLOS Para enviar un mensaje, el ordenador empieza por dividirlo en paquetes.
Se puede hacer frente al ruido aumentando la potencia de la señal, pero así crece a su vez el ruido radioeléctrico que el cableado emite a modo de antena. REPARACION DE DAÑOS
CODIGOS DE PROTECCION CONTRA ERRORES Un algoritmo matemático intercala en el símbolo varios números que describen su contenido.
Transmisiones parásitas
Excesivo ruido
El adaptador de recepción utiliza otro algoritmo matemático para comprobar la integridad de los símbolos entrantes y reparar los que hayan sufrido daños menores.
Excesiva atenuación
MULTIPLEXACION EN BANDA AMPLIADA Un adaptador HomePlug enchufado en la pared recibe estos paquetes y los subdivide en "símbolos", suficientemente pequeños para que pasen entre las ráfagas de ruido.
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El adaptador rellena además el símbolo con un intervalo de guarda que lo protege de las colisiones con sus propios ecos y con los de otros símbolos.
Cada par de adaptadores explora 76 canales alojados en una amplia banda del espectro, de 4,5 a 21 megahertz, y bloquea los que presenten ruido o atenuación excesivos. Los símbolos se envían a la vez a todos los canales.
Después, el adaptador reúne los símbolos en paquetes y el ordenador destinatario los monta para formar una copia del mensaje srcinal.
) M O .C E N A L P .X W W (W E N A L P X
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carga útil digital se somete a un procesado previo que introduce información suplementaria destinada a la corrección de errores. Si el mensaje se deteriora en ruta, el receptor se valdrá de los números añadidos para reconstruir matemáticamente los bits afectados. “Se logra gracias a un procesamiento de señales de una complejidad bien superior a la que se haya podido ver alguna vez en las comunicaciones alámbricas o inalámbricas ordinarias”, señala Oleg Logvinov, presidente de la compañía de comunicaciones por medio de las líneas
Shack. Al no necesitar tantos circuitos analógicos, siempre costará menos fabricar adaptadores de línea eléctrica que dispositivos inalámbricos. Reed destaca además las ventajas que tienen en materia de seguridad las comunicaciones por medio de los cables de la luz sobre las inalámbricas. Aunque las señales se propaguen a otras casas conectadas al mismo transformador —suelen ser de tres a seis en EE.UU., o todos los apartamentos de un edificio—, los microcircuitos vienen con la encriptación activada, lo que no ocurre en los equipos Wi-Fi. Y deshacer los códigos de 56 bits
eléctricas Enikia, Warren, Nueva Jersey, “pero los de microcircuitos de hoy admiten un número de puertas lógicas suficiente para vencer esa complejidad”. El microcircuito de Intellon es casi tan complejo como el procesador Pentium de la primera generación, aunque esté concebido para desempeñar esa única tarea. En las simulaciones, comenta Yonge, el sistema tuvo un magnífico comportamiento. Pero la prueba real fue la primavera de 2001, cuando Intellon ensayó su prototipo en más de 25 empresas y 500 viviendas de diversos tipos y tamaños repartidas por el mundo. Los miembros del consorcio habían establecido unos requisitos exigentes para que se considerara que la prueba había tenido éxito, afirma William Earnshaw, jefe de
noPara es imposible, sí muy difícil. Scherf, depero Parks Associates, la técnica ha de superar dos pruebas críticas. La primera es una norma competidora, hoy en proceso de elaboración por la Asociación Electrónica de Consumidores, que no se prevé que esté concluida antes de un año. Cuando se implante, dice Yonge, HomePlug estará lanzando su versión 2, que elevará la velocidad hasta 100 megabit por segundo. De todas formas, la coexistencia de dos normas incompatibles podría crear confusiones. En segundo lugar, y probablemente no por casualidad, las compañías que fabrican componentes de sonido, vídeo y telefonía se mantienen al margen. Esto quizá retrase varias de las aplicaciones más sugestivas de las comu-
funcionar ade ingeniería plena Intellon. capacidad “Tenía en el que 80 por ciento de las viviendas y a dos tercios de su velocidad máxima en el resto.” La prueba se pasó con holgura, cuenta Earnshaw; Yonge alardea de que se podía enchufar una aspiradora al lado mismo del módem sin que éste dejara de funcionar. En noviembre de 2001, Linksys y Phonex Broadband fueron los primeros en poner a la venta dispositivos aptos para funcionar con ordenadores personales, impresoras y cualquier otro periférico que admita una conexión de red del tipo USB. Otros fabricantes no van muy rezagados. Según Linksys, los precios serán semejantes a los de los equipos Wi-Fi, pero algo superiores a los de HomePNA. “Casi todas las habitaciones tienen al menos dos tomas de corriente”, señala Karen Sohl, de Linksys, “con lo cual los adaptadores a la línea eléctrica resultan más útiles que los productos para la línea telefónica” y pueden admitir un precio algo más alto. El coste del equipo irá bajando con el tiempo, afirma Tom Reed, presidente de HomePlug y director de nuevas técnicas de Radio
eléctricas. Reed nicaciones por medio augurade quelas será líneas posible, por ejemplo, enchufar el receptor de imágenes por cable o satélite en una toma cualquiera e ir cambiando de sitio el televisor por toda la casa cuando se quiera. O añadir una segunda línea telefónica virtual: las llamadas que se hiciesen a un número de Oklahoma podrían recibirse en un teléfono IP —es decir, con conexión a Internet en vez de a la red telefónica ordinaria— enchufado a la red eléctrica en una casa de California; y si hay un nuevo traslado, a Boston, digamos, el número seguirá siendo el mismo. Para que la realización de tales sueños resulte lucrativa se necesitarán nuevas estrategias comerciales. La técnica parece hoy a nuestro alcance.
LA INFORMACIÓN
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA HOMEPLUG STANDARD BRINGS NETWORKINGTO THE HOME. Steve Gardner y otros en Communication Systems Design, volumen 6, n.o 12; diciembre de 2000.
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Antenas adaptables Las configuraciones adaptativas de antenas convierten las comunicaciones inalámbricas entre los teléfonos móviles en auténticas conexiones por hilos virtuales Martin Cooper
os inmersos en unencontramos invisible océano de ondas electromagnéticas. Proceden de multitud de fuentes: antenas de radiodifusión, estaciones de telefonía celular, transmisores de la policía y otros servicios civiles o militares. Aunque estas radiaciones no nos ocasionen quizá perjuicio físico alguno, sí pueden mermar notablemente nuestra capacidad de recibir y transmitir información. El exceso de energía radioeléctrica contamina el entorno porque perturba e interfiere las comunicaciones útiles. Así como hay que alzar la voz en los ambientes ruidosos, las señales de radio se han de amplificar para que destaquen sobre el ruido de fondo electromagnético. Y cuanto más proliferan las comunicaciones electrónicas, más
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porar redesyainalámbricas, tanto nuevasacomo existentes . Nuestras configuraciones comprenden un máximo de doce antenas y un potente procesador digital que combina y manipula las señales entrantes y salientes. Esta técnica, también aplicada por Lucent Technologies, Nortel Networks y otras firmas, promete reducir los costes y mejorar la calidad d e las comunicaciones inalámbricas. Se cuentan ya por millones los usuarios de telefonía móvil que disfrutan de las ventajas de las configuraciones adaptativas. Las antenas inteligentes podrían también convertirse en piezas clave de la Internet inalámbrica, dada su gran aptitud para transmitir y recibir grandes volúmenes de datos.
abonados red celular telefonía móvildeseuna comunican conde la estación base más cercana, donde hay una serie de antenas que manejan todas las señales inalámbricas del servicio en la zona circundante (la “célula” a la que se refiere el epíteto de “celular”). Las estaciones base están situadas de manera que la reunión de sus respectivas células componga la zona total de cobertura del servicio de telefonía móvil. Así, cuando en el curso de una llamada el usuario se desplaza de una célula a otra, el sistema traspasa automáticamente la llamada a la estación base que corresponda a la nueva célula. Pero sería mucho mejor concentrar la energía radioeléctrica en cada usuario, a la manera en que un proyector concentra los rayos de luz en un haz.
cias radioeléctricas. crece el alboroto de las interferenEl problema puede solucionarse mediante un nuevo tipo de antenas de radio que reduce muchísimo las interferencias artificiales. En vez de radiar innecesariamente en todas las direcciones la energía asociada a una comunicación personal (una llamada de teléfono móvil, pongamos por caso), siguen la posición de los usuarios a medida que se desplaza n y les envían directamente las señales de radio que les estén destinadas. Se eleva así al máximo la intensidad de señal recibida por el usuario del teléfono al tiempo que las interferencias de otros usuarios se reducen al mínimo. Es como si las antenas tendiesen hilos virtuales que las conectasen con cada teléfono móvil. Suele llamarse a estos sistemas, en general, antenas inteligentes, pero las más inteligentes reciben una denominación específica: configuracion es adaptativas de antenas. Fui uno de los fundadores, en 1992, de ArrayComm, una empresa domiciliada en San José, California, dedicada al desarrollo de configuraciones adaptativas de antenas que se puedan incor-
Principios físicos de las antenas
cance Un haz mucho radioeléctrico mayor quetendrá una señal un alde idéntica potencia radiada omnidireccionalmente. Y la interferencia se reducirá al existir una separación espacial entre los haces que transmite la estación base celular a los distintos usuarios. Los reflectores pueden concentrar las ondas de radio en un haz, pe ro son voluminosos y caros. Por ello se han ideado artificios para crear haces de radiación sin necesidad de reflectores. Montemos dos antenas lado con lado, separadas media longitud de onda de la señal de radio; el diagrama de la energía que radiará esta sencilla configuración presentará, visto desde arriba, la forma de la c ifra ocho. Las ondas radioeléctricas tienen su máxima propagación en las dos direcciones perpendiculares a la configuración (es decir, a la línea que une las antenas), ya que un usuario situado en esas direcciones recibirá exactamente a la vez las señales de ambas antenas: dicho de otro modo, las dos señales estarán en fase. Cuando dos señales idénticas están en fase, su combinación constituye una señal de intensidad doble a la de
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ara comprender el funcionamiento de las antenas inteligentes, conviene empezar por describir las ordinarias. Una antena de radio emisora convierte las corrientes y tensiones eléctricas creadas por un transmisor en ondas electromagnéticas que se radian al espacio. También será una antena la que capte tales ondas y las reconvierta en corrientes y tensiones que pueda procesar el receptor. El tipo más sencillo y más común de antena de radio es el dipolo, un simple conductor metálico de longitud muy precisa que radia energía en todas las direcciones ( véase el recuadro “Generación de un haz de radiación”). Las ondas radioeléctricas se van atenuando a medida que se propagan por el espacio y son absorbidas por los obstáculos que encuentran: el aire, los árboles o los edificios. Las estaciones comerciales de radio y de televisión tienen que recibirse en lugares muy dispersos, y por tanto es lógico que emitan señales en todas las direcciones. Pero la llamada de un teléfono móvil va dirigida por lo normal a un solo usuario nada más. Los
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N W O R B N N E K
LA INFORMACIÓN
UNA CONFIGURACION ADAPTATIVA de antenas concentra las ondas radioeléctricas en una “célula personal” que rodea a cada usuario del servicio de telefonía móvil. La técnica de las antenas inteligentes aumenta el alcance de las redes inalámbricas de voz y datos, y permite que varios abonados situados en la misma zona de cobertura se comuniquen en la misma frecuencia.
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cualquiera de ellas. Sin embargo, si el usuario se sitúa en las direcciones paralelas a la configuración de antenas, las dos señales recibidas estarán desfasadas en 180 grados, y entonces los máximos de amplitud de la señal procedente de una antena llegarán al mismo tiempo que los mínimos de la otra señal, con lo que las dos señales se anularán entre sí. En esos puntos se crea un nulo, una zona en la que no puede detectarse la señal. El haz de radiación que genera una configuración de dos antenas, bastante ancho, se extiende en dos direcciones opuestas. Al añadir antenas
control radioeléctrico conmutará a ese nuevo haz, que se empleará tanto para recibir como para transmitir. La conmutación de haces no da, sin embargo, buenos resultados en el mundo real de las comunicaciones inalámbricas. Para que la transmisión sea óptima el usuario tiene que situarse en el centro del haz. Si se aparta de esa posición central la señal se atenúa, como sucede con la luz proyectada por un foco si nos salimos de la dirección a la que apunta. Cuando el usuario se aproxime al borde exterior del haz, la intensidad de la señal bajará rápidamente antes de que el
mente al usuario móvil, en vez de elegir un haz que le caiga más o menos próximo. La configuración ideal tendría que conformar el haz de radiación de suerte tal, que haga mínima la interferencia de otros usuarios que se estén comunicando por el mismo canal de frecuencias. Y debería adaptarse con rapidez a los desplazamientos del usuario y a los reflejos cambiantes. Todo esto nos lleva a las configuraciones adaptativas de antenas.
se va estrechando; la configuración resultante, una “antena de elementos en fase”, se utiliza para dirigir haces de radar desde la Segunda Guerra Mundial. Además del estrechamiento del haz, también se producen los llamados lóbulos de radiación laterales, pequeños haces situados a uno y otro lado del haz principal. Según la dirección en que se coloque el usuario respecto de la configuración de antenas, la señal puede ser más intensa que la procedente de una antena individual (caso de “ganancia”) o más débil debido a los efectos de anulación (“rechazo”).
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e nada sirven los haces radioeléctricos si no es posible dirigirlos hacia un destino deseado. La
sistema conmute al haz adyacente. ¿Y qué pasará si otro usuario intenta utilizar ese mismo radiocanal desde una dirección diferente? Si está en un nulo no habrá interferencia, pero si se situase en el centro de un lóbulo la segunda señal podría muy bien anular o distorsionar la primera. Los sistemas de conmutación de haces tienen además que superar otra dificultad: la trayectoria irregular —raramente en línea recta— que siguen las señales radioeléctricas en la mayoría de los entornos. La señal recibida en un teléfono móvil suele ser una combinación de las reflexiones en objetos naturales y artificiales, en casas, montañas, vehículos y árboles. Y estas reflexiones cambian continuamente, sobre todo las producidas por los vehículos grandes (trenes, autobuses).
girar físicamente solución obvia, sela diría, antena. consiste Método en engorroso y caro, es mucho más fácil orientar los haces por medios electrónicos. En la técnica de conmutación de haces, la configuración de antenas crea un grupo de haces de radiación que se solapan para cubrir toda una zona circundante ( véase el recuadro “Conmutación de haces”). Cuando un abonado del servicio de telefonía móvil llama, el radiorreceptor de la estación base determina por qué haz llega con mayor intensidad su señal; seguidamente “responde” utilizando ese mismo haz. Si el abonado se traslada desde el haz srcinal hasta otro adyacente, el sistema de
titrayecto, Este fenómeno, afectalatambién propagación a lasmulseñales que el teléfono móvil envía a la estación base. Si el usuario de una configuración de conmutación de haces se acerca al bord e de un haz, la señal que transmita podría rebotar hacia el haz adyacente antes de alcanzar la configuración de conmutación de haces. En tal caso, la configuración transmitiría hacia un haz que no es el correcto y el usuario podría perder enterament e la señal de retorno. Los sistemas de conmutación de haces resultan inadecuados para las aplicaciones prácticas. Una configuración de antenas inteligente deberá apuntar el haz radioeléctrico directa-
dezcan Por siproblemas fuera poco, de audición, salvo quesesepuepaden percibir sonidos bastante débiles —una conversación interesante, por ejemplo— en medio de un fuerte ruido ambiente; es el “efecto sala de banquete”. Se ha demostrado que la capacidad de concentrarse en un sonido concreto depende en parte de que pueda localizarse su srcen. Se realizaron unas pruebas sobre la claridad con que puede oírse una señal en un ambiente ruidoso; demostraron que los sujetos que prestaban atención con ambos oídos percibían sonidos mucho más débiles que quienes escuchaban con un solo oído. Una vez determinada la posición de la fuente acústica, el cerebro puede concentrarse en el sonido y rechazar los ruidos indeseados que provienen de otras direcciones. De manera similar, una configuración adaptativa de antenas puede localizar la fuente de una señal radioeléctrica y amplificarl a selectivamente, al tiempo que anula las señales que compiten con ella. El cerebro de la configuración es un procesador digital que maneja las señales que llegan por los conductores de las antenas. Una configuración adaptativa
Apu nt ar e l ha z
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Antenas inteligentes
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En una red inalámbrica resulta útil emplear una configuración de múltiples antenas en cada estación base celular.
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Las configuraciones adaptativas incluyen potentes procesadores que modifican las señales de antena para intensificar la comunicación con un usuario, al tiempo que se reducen al mínimo las interferencias de los demás usuarios.
El efecto “sala de banquete”
a clave de la inteligencia de una
reside en el configuración procesamientoadaptativa de la información que reciben las antenas que la componen. Se puede hallar una buena comparación en la forma en que el cerebro procesa la información acústica procedente de los oídos. Una persona con audición normal localiza el srcen de un sonido aun con los ojos cerrados. Los repliegues curvos del oído externo producen diferentes resonancias según sea la dirección angular del sonido recibido. A menos que la fuente sonora esté situada en el plano vertical de simetría del cuerpo (justo delante o detrás, justo arriba o abajo), el sonido llegará a un oído antes que a otro y las dos señales se desfasarán. El cerebro recibe esa información y rápidamente determina la posición de la fuente.
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Generación de un haz de radiación LA TECNICA DE LAS ANTENAS INTELIGENTES se basa en la capacidad de conformar los diagramas de radiación que definen la cobertura. Al enfocar las ondas a los usuarios individuales de la telefonía móvil, las antenas inteligentes amplían el alcance de los sistemas y reducen al mínimo la interferencia.
ANTENA ORDINARIA
Ondas radioeléctricas
La antena más sencilla es el dipolo, varilla metálica que radia energía en todas las direcciones. Las ondas radioeléctricas se atenúan a medida que se propagan por el espacio y sufren absorción por obstáculos. Estas antenas son idóneas para la difusión de emisiones de radio y televisión, que han de llegar a audiencias geográficamente dispersas.
Antena dipolo
CONFIGURACION DE DOS ANTENAS
Sean ahora dos antenas, A y B, dispuestas lado con lado y separadas entre sí una distancia de media longitud de onda de la señal de radio que ambas emiten (las longitudes de onda de los sistemas celulares caen entre los 12 y los 37 centímetros). El usuario de un teléfono móvil situado perpendicularmente a la configuración de antenas (usuario 1) recibe ambas señales al mismo tiempo (en fase), con lo que su intensidad se duplica. Pero el que está alineado con la configuración (usuario 2) recibe la señal de la antena B medio ciclo antes que la señal de la antena A. Las dos señales le llegan en oposición de fase y se anulan entre sí. De este modo, la configuración de dos antenas crea zonas, llamadas nulos, donde no puede recibirse la señal.
USUARIO 1
SEÑALES RECIBIDAS POR EL USUARIO 1 A B A+B
A
B
SEÑALES RECIBIDAS POR EL USUARIO 2 A B A+B
SEÑAL NULA
USUARIO 2
Haz principal
CONFIGURACION DE SEIS ANTENAS
Una configuración de seis antenas genera un haz de radiación más estrecho y de mayor alcance que el producido por la configuración de dos antenas. Crea además otros haces más pequeños, los “lóbulos laterales”.
LA INFORMACIÓN
Lóbulos
N E H C A R A S
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Conmutación de haces UNA ANTENA INTELIGENTE ha de ser capaz de dirigir sus haces de radiación a los destinos deseados. Un modo de conseguirlo es la llamada conmutación de haces, técnica que se incorpora con facilidad a las redes inalámbricas, aunque adolece de graves inconvenientes. SELECCION DE HAZ
USUARIO 1
En un sistema de conmutación de haces, la configuración de antenas genera haces de radiación que se solapan de manera que cubran entre todas la zona circundante (derecha). Cuando un usuario hace una llamada con el teléfono móvil, el radioreceptor de la estación base determina cuál es el haz mejor alineado con la señal que emite. La configuración transmitirá por ese mismo haz (en púrpura) las señales de respuesta al usuario.
USUARIO 2 Haces de radiación
USUARIO 1
Estación base celular
SEÑALES MIXTAS
USUARIO 3
ordinaria comprende de cuatro a doce antenas; por mor de sencillez, consideraremos una configuración de dos antenas, separadas entre sí una distancia igual a media longitud de onda de la señal radioeléctrica. En una configuración ordinaria, las señales recibidas por las dos antenas se suman sin más, pero si la configuración es adaptativa, las dos señales irán a parar al procesador adjunto, que realizará con ellas los cálculos matemáticos que sean precisos. Supongamos, a modo de ejemplo, que la configuración tiene una alineación norte-sur y que la señal de un usuario telefónico celular llega por el este ( véase el recuadro “Configuraciones adaptativas de antenas”). El procesador puede determinar enseguida la dirección de la señal: puesto que las ondas llegan al mismo tiempo (en fase) a las dos antenas, proceden de una dirección perpendicular a la configuración. Para que la recepción sea máxima el procesador suma las dos señales, con lo que la intensidad total se duplica. Cuando responde al usuario, la configuración transmite señales idénticas desde ambas antenas. 94
El principal inconveniente de la conmutación de haces es que la configuración no siempre apunta el haz directamente al usuario (izquierda). Al acercarse al borde del haz el usuario 1, la intensidad de la señal bajará rápidamente. Otros usuarios podrán comunicarse en la misma frecuencia (aunque utilizando un haz diferente) siempre que estén en un nulo (usuario 2). Pero si el usuario se halla dentro de un lóbulo (caso del usuario 3), las señales que intercambie con la configuración interferirán las del usuario 1.
Envíe otro usuario celular una señal desde el sur. Las ondas que capte la antena norte estarán desfasadas 180 grados respecto de las que incidan en la antena sur; el procesador sabrá que la señal viene de una dirección paralela a la configuraci ón. Por lo tanto, sustraerá una señal de la otra; es decir, invertirá la señal de la antena norte (o de la sur), tornando en mínimos los máximos de la onda, y viceversa; sumará esta imagen invertida a la señal que procede de la antena sur (o norte). También ahora se duplica la intensidad de la señal. Cuando la configuración responde al usuario móvil, el procesador envía una señal desfasada a una de las antenas, lo que genera un haz de radiación que va de norte a sur. Adviértase en ambos ejemplos que el haz de radiación generado para un usuario de la telefonía móvil no llega a ningún otro. Dos usuarios podrían estar comunicando con la configuración adaptativa al mismo tiempo y en el mismo canal de frecuencia, pero sus señales no se interferirían. El procesador de la configuración puede crear haces de radiación que apun-
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ten también a otras direcciones; para ello ejecutará operaciones matemáticas más complejas con las señales de las dos antenas. La transmisión y recepción selectiva se reduce, pues, a resolver una serie de ecuaciones simultáneas. Para dirigir los haces a usuarios en movimiento, el procesador debe resolver una y otra vez las ecuaciones con la información, constantemente actualizada , que le suministre la configuración de antenas. Si se añaden antenas a la configuración adaptativa, la localización será más precisa, y mayor la ganancia de la señal. Una configuración de 12 antenas podrá escuchar señales doce veces más débiles que las perceptibles por una sola antena; además, transmitirá con intensidad 12 veces mayor y mucho más directamente. El procesador jugará con las señales de las antenas para crear formas de haz que aseguren la mayor ganancia posible a la señal deseada y el máximo rechazo de las demás señales que ocupen la misma frecuencia. Puesto que la velocidad del procesador le permite realizar esta función muchas veces por segundo, la confiTEMAS 36
Configuraciones adaptativas de antenas LAS ANTENAS “más inteligentes” utilizan procesadores digit ales para el tratamiento de las señales entrantes y salientes. Estos sistemas, las “configuraciones adaptativas de antenas”, favorecen la transmisión a un usuario y la recepción de las señales de ese mismo usuario al tiempo que minimizan las interferencias de otros usuarios.
APUNTAR EL HAZ
El ejemplo más sencillo de configuración adaptativa consiste en dos antenas separadas media longitud de onda. Al recibir una llamada del usuario 1, la configuración determina que quien hace la llamada se encuentra al este geográfico (perpendicular a la configuración de antenas), dado que la señal S1 llega al mismo tiempo a ambas antenas. Para el usuario 1, el procesador suma las señales de una y otra antena, con lo que obtiene la máxima intensidad de S1 y elimina la interferencia del usuario 2.
S1+S2 2S2
S1+S2
S1 S +S 2S2
1
2
S1+–S2
S1+S2
USUARIO 1
S1–S2
Procesador
S2
USUARIO 2
S1 USUARIO 1
S1–S2
CAMBIO DE DIRECCION
S1–S2
S2
Al recibir una llamada del usuario 2, el procesador determina que está situado al sur (alineado con la red), pues la señal que llega a una antena (S2) está desfasada 180 grados con respecto a la señal que llega a la otra antena (–S2). Para el usuario 2, por consiguiente, el procesador sustrae una señal de la otra, con lo que eleva al máximo la intensidad de S2 y elimina la señal procedente del usuario 1.
USUARIO 2
USUARIO 2 DOS LLAMADAS A LA VEZ
En la práctica, una configuración adaptativa contiene de 4 a 12 antenas. El procesador realiza complejas operaciones matemáticas con las señales procedentes de las antenas para garantizar que el haz y los lóbulos generados para el usuario 1 (en azul) no se solapen con los que se
USUARIO 1
han creado para el usuario 2 (en verde). De ese modo, los dos usuarios de teléfonos móviles no se interfieren aun cuando utilicen la misma frecuencia en sus comunicaciones. N E H C A R A S
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guración reajustará continuamen te su haz de radiación a medida que el usuario se desplaza a través de la zona de cobertura. El sistema está diseñado de manera que las reflexiones parásitas de la señal del usuario en vehículos o edificaciones no provoquen cambios bruscos en la dirección del haz. La configuración adaptativa va siguiendo su trayectoria; de esa manera estará en condiciones de evaluar la verosimilitud de movimientos futuros y de descartar informaciones erróneas que indiquen supuestos cambios de posición repentinos. Eso no es todo: las configuraciones
espectro de frecuencias que se le ha asignado para transmitir las señales. Muchos sistemas celulares sufren ya sobrecarga: en ciertas zonas congestionadas las señales de llamada se acumulan y se sobrepasa el tráfico que puede cursar el limitado número de radiocanales. Los usuarios sufren el trastorno cuando se les corta la comunicación o reciben señales de mala calidad. Pero la técnica de las configuraciones adaptativas aumenta la capacidad del espectro al posibilitar que varios usuarios comprendidos en la zona de cobertura de una estación base compartan un mismo radiocanal. La
Desde finales del decenio pasado, la industria de telecomunicaciones viene anunciando la llegada de la Internet sin hilos [véase “Internet inalámbrica”; INVESTIGACIÓN Y CIENCIA , por Mark Alpert y George Musser, diciembre 2000]. El desarrollo de las nuevas redes ha sido más lento de lo que en principio se esperaba; no obstante, los trabajos avanzan. Mientras los operadores inalámbricos siguen empeñados en la creación de red es 3G —la próxima generación de sistemas celulares, que transmiten los datos en paquetes—, hay empresas que ofrecen soluciones distintas para la transmi-
adaptativas avanzadasmultitrapueden aprovechar lamás propagación yecto para enfocar todavía mejor las señales de radio. Dichas configuraciones incorporan procesadores de una potencia tal, que les permiten procesar la información de todas las señales reflejadas que rebotan a lo largo de los distintos trayectos entre el teléfono celular y la configuración adaptativa. Al incluir las reflexiones por multitrayecto en las ecuaciones matemáticas, el procesador extrapola no sólo la dirección de la señal, sino también la posición exacta del usuario celular de que se trate. En un ambiente urbano, donde las reflexiones son numerosas, la configuración adaptativa podrá transmitir o recibir hacia una pequeña zona alrededor del teléfono, o desde la misma. De este modo, la con-
mejora con respecto antenas base ordinarias es notable: lasa las estaciones equipadas con configuraciones adaptativas de antenas pueden multiplicar por seis el número de personas a quienes se da servicio en la comunicación de voz, y por cuarenta en la transmisión de datos. Se logra así un mejor servicio y se reduce la interferencia, aparte del ahorro de energía y la menor contaminación radioeléctrica. No es de extrañar, pues, que las configuraciones adaptativas tengan ya aplicación comercial. Hay instaladas más de 150.000 estaciones base celulares con la técnica de ArrayComm en Japón, China, Tailandia y otros países de Asia y Africa. En total, las configuraciones adaptativas de antenas dan servicio a más de 15 millones de usuarios. En EE.UU. y Europa se está
sión de datos a alta Algunas han incorporado yavelocidad. a sus propuestas las antenas inteligentes, que pueden también utilizarse en las redes ya existentes. En Sidney funciona una red de datos basada en las técnicas de ArrayComm, y quizá se instalen pronto redes similares en EE.UU. y Corea del Sur. También Navini Networks, de Richardson, tiene configuraciones adaptativas de antenas que algunos operadores inalámbricos andan probando en estos momentos. Varios fabricantes importantes de equipos de telecomunicación tienen pensado incluir las antenas inteligentes en su próxima generación de productos. Durante los casi cien años posteriores a la invención del teléfono por Graham Bell, las comunicaciones vocales han dependido de una cone-
sino que crea figuración no genera una minúscula un haz de“célula radio, personal”, tal vez de sólo unos centímetros de radio. Y como la configuración está continuamente calculando la posición del teléfono, la célula personal irá acompañando al abonado en sus desplazamientos.
porque lasmás tardando dificultades en adoptarlas, económicas en parte de las empresas de telecomunicaciones han restringido las inversiones en las redes de telefonía móvil. Las configuraciones adaptativas resultan también muy convenientes para las redes inalámbricas de datos. Al reducirse al mín imo la interferencia, las configuraciones adaptativas pueden recibir y transmitir más datos a los usuarios en una determinada porción del espectro de frecuencias. Una estación base equipada con una configuración adaptati va podría enviar datos a cuarenta usuarios a un megabit por segundo, veinte veces más rápido de lo que es habitual en las redes inalámbricas de largo alcance. Y puesto que no todos los usuarios de esas redes necesitan transmitir a velocidad máxima al mismo tiempo, una estación base equipada con configuración adaptativa podría atender a varios miles de personas. Los usuarios de ordenadores portátiles, u otros dispositivos similares, mantendrían un acceso continuo de alta velocidad a Internet mientras caminan o conducen a través de la zona de cobertura.
xial—física xión entre—conductor el que llamaoy cable la red.coa-En los treinta años últimos, sin embargo, los teléfonos móviles nos han hecho saborear la libertad de comunicarnos sin hilos. Ayudados por las técnicas de las configuraciones adaptativas de antenas, los operadores podrán ofrecer prestaciones mucho mejores, a costes mucho más bajos, que las actuales redes alámbricas. Solamente entonces saldremos por fin de nuestra jaula de cobre.
Ven taj as y apl ica cio nes
L
as redes inalámbricas que utilizan configuraciones adaptativas de antenas ofrecen varias ventajas sobre las redes celulares ordinarias. Dado que el alcance de una estación base equipada con una configuración adaptativa es mucho mayor que el de una estación ordinaria que transmita a la misma potencia, se necesitarán menos estaciones para cubrir una determinada zona. Es cierto que una configuración adaptativa de antenas puede costar más que una antena tradicional, pero la reducción del número de estaciones base rebaja mucho los costes de instalación y explotación de una red de telefonía móvil. El empleo de configuraciones adaptativas facilita además que la compañía operadora del servicio celular aproveche mej or un recurso escaso: el
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