Pasado 6 El astrolabio John D. North
18 Galileo y el primer instrumento mecánico de cálculo Stillman Drake
28 La computadora mecánica de Charles Babbage
72 Semiconductores de arseniuro de galio Marc H. Brodsky
82 Electrónica de silicio-germanio ultrarrápida Bernard S. Meyerson
90 Futuro de la industria de los semiconductores G. Dan Hutcheson y Jerry D. Hutcheson
Doron D. Swade
34 El computador del Dr. Atanasoff Allan R. Mackintosh
Presente 44 Pantallas planas Steven W. Depp y Webster E. Howard
52 Representación visual de biomoléculas Arthur J. Olson y David S. Goodsell
62 La retina de silicio Misha A. Mahowald y Carver Mead
Futuro 100 El ordenador del siglo
XXI
Mark Weiser
110 Microprocesadores del año 2020 David A. Patterson
114 Ordenadores de base proteínica Robert R. Birge
120 Computación mecánico-cuántica Seth Lloyd
Notas 42
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Pinceladas históricas
Silicio encantado
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98
Reventando el polvo
Pastillas de silicio-germanio
70
128
Cuestión de peso
Ordenador óptico
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Press, Managing Editor ; Marguerite Holloway, News Edit or ; Ricki L. Rusting, Timothy M. Beardsley, Associate Editors ; John Horgan, Senior Writer ; Corey S. Powell; W. Wayt Gibbs; Kristin Leutwyler; Madhusre Mukerjee; Sasha Nemecek; David A. Schneider; Gary Stix; Paul Wallich; Philip M. Yam; Glenn Zorpette. PRODUCTION Richard Sasso CHAIRMAN AND CHIEF EXECUTIVE OFFICER John J. Hanley PUBLISHER John J. Moeling, Jr.
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PASADO
El astrolabio John D. North Es un instrumento científico utilizado en la Edad Media para realizar observaciones astronómicas y terrestres. También servía como calculadora analógica para determinar la hora local
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l astrolabio fue el instrumento astronómico de uso más común durante la Edad Media. Su origen se remonta a la antigüedad y toda vía era habitual en el siglo XVII. Una de sus funciones era observacional: se empleaba para determinar el ángulo del Sol, la Luna, los planetas y las estrellas sobre el horizonte o a partir del cenit. Se utilizó también para medir la altura de montañas o torres, la profundidad de pozos y en agrimensura en general. Mucho más importante, sin embargo, fue la utilidad que tuvo el astrolabio como una calculadora auxiliar. Facilitaba al astrónomo los cálculos relativos a la posición del Sol y de las principales estrellas, respecto del meridiano y del horizonte, le permitía hallar su latitud geográfica y la dirección del norte verdadero (incluso de día, cuando no son visibles las estrellas) y posibilitaba su entrega a quehaceres tan prestigiosos y lucrativos como levantar horóscopos. En tiempos en los que no eran habituales los relojes fiables, el astrolabio proporcionaba a su poseedor un medio de saber la hora, tanto de día como de noche, siempre que pudiera verse el Sol o alguna de las estrellas en él representadas. Un nombre más exacto para el instrumento que estoy describiendo es el de astrolabio planisférico. Existen otros tres tipos de astrolabio: el astrolabio lineal, el astrolabio esférico y el astrolabio náutico. El astrolabio lineal
JOHN D. NORTH, profesor de historia de las ciencias exactas, es autor de di versos libros y preparador de una edición de la obra de Richard of Wallingford. Este astrónomo y matemático del siglo XIV construyó para la Abadía de St. Albans el reloj astronómico más antiguo del que existe información detallada, cuya reconstrucción dirigió el autor.
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era un instrumento tan difícil de entender como de utilizar y se construyeron pocos. El astrolabio esférico tampoco fue muy corriente; tenía la forma de un globo y muchas características en común con el astrolabio planisférico. El astrolabio náutico es un instrumento relativamente tardío; parece ser que se empezó a utilizar solamente un poco antes de la época de Colón. Era un aparato tosco, que servía sobre todo para hallar la altura del Sol, de la Luna y las estrellas sobre el horizonte, del mismo modo que se utilizaría el sextante en siglos posteriores. Básicamente consistía en una alidada o regla recta que pivotaba en el centro de un pesado disco. En cada extremo de la alidada había una pínula perforada con un agujero. El marinero colgaba el instrumento de su dedo pulgar y ajustaba la alidada de modo que pudiera ver el cuerpo celeste a través de los agujeros de las dos pínulas. Entonces podía leer la altura del astro sobre la escala graduada existente en el borde del disco. (En las observaciones solares se hacía proyectar la sombra de una pínula sobre la otra para evitar la perjudicial visión directa del Sol.) El astrolabio náutico estaba hecho con un grueso disco de latón perforado, de modo que pudiera colgar de su anilla sin mecerse y el viento lo afectara lo menos posible. Desde ahora llamaremos simplemente astrolabio al astrolabio planisférico, pues fue, con mucho, el tipo de astrolabio más común. Para poder comprender bien incluso sus usos más sencillos, es necesario empezar por examinar sus partes constituyentes y revisar cómo adquirió su forma final. Podía obtenerse información valiosa de ambas caras del astrolabio. En general la alidada pivotaba en la parte posterior, donde se hallaban registrados datos que, en principio, podrían haberse almacenado en cualquier otra parte,
como escalas y tablas cuyo contenido tendía a cambiar de siglo en siglo. Una escala presente en la mayoría de los astrolabios es la del calendario, con la representación de los días y de los meses y la correspondencia de la posición del Sol con la fecha anual. Si pudieran verse las estrellas durante el día, sería más fácil apreciar el recorrido aparente anual del Sol por el firmamento. Como es sabido, este mo vimiento es consecuencia de la traslación de la Tierra alrededor del Sol; a medida que la Tierra avanza en su órbita, el Sol parece desplazarse por el fondo estelar. Pero a menudo resulta conveniente referirse al tema como si la Tierra se encontrara en reposo en el centro de una gran esfera en la que estuvieran situados todos los cuerpos celestes. Las estrellas, e incluso los planetas, se hallan a distancias tan enormes, en comparación con el tamaño de la Tierra, que resulta razonable adoptar la idea de una esfera celeste, sobre todo en lo que concierne a las direcciones en las que aparecen los cuerpos celestes respecto del obser vador.
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l camino que recorre el Sol sobre la esfera celeste es la eclíptica; el Sol tarda un año en completar este circuito. Los planetas parecen moverse en una franja de varios grados por encima y por debajo de la eclíptica; esta franja es lo que llamamos el zodíaco. Es posible conocer la posición aproximada del Sol en la eclíptica (su lugar en el zodíaco) para cada día del año. Los años bisiestos presentan un pequeño problema, pero su efecto es despreciable, pues la precisión requerida no supera una fracción relativamente grande de grado. La escala del calendario en el astrolabio contiene grabados los días y los meses; también hay una escala zodiacal, habitualmente concéntrica con la
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escala de las fechas, gracias a las que se puede relacionar la posición del Sol en la eclíptica con la fecha. Actualmente se expresa la posición del Sol como una longitud celeste de 0 a 360 grados calculada a partir de un determinado punto de origen. En la Edad Media se utilizaba una variante de este sistema: el zodíaco se encontraba dividido en 12 signos, cada uno de los cuales recibía su nombre de una importante constelación que contuviera; cada signo estaba, a su vez, dividido en 30 grados de longitud. En la actualidad las constelaciones se han desplazado a los signos próximos como consecuencia de la lenta precesión de los equinoccios, debida a un movimiento cónico del eje de la Tierra. En parte por la precesión de los equinoccios y en parte porque el tiempo que emplea la Tierra en recorrer su órbita no es exactamente de 365 días y cuarto, hay pequeñas desviaciones en la posición del Sol calculada para un día del año
a medida que los años transcurren. Estas desviaciones pueden tenerse en cuenta por las reglas de elaboración de los calendarios. Pero en un astrolabio no es fácil realizar correcciones y así nos encontramos con que un calendario medieval puede estar desfasado unos 10 u 11 días con respecto a uno actual.
de Cáncer y de Capricornio. Por el centro de la araña discurre el eje alrededor del cual puede girar. Este eje, que también sostiene la alidada de la parte posterior, se mantiene en su lugar por una cuña que lo atraviesa por un agu jero rectangular situado en uno de sus extremos. La parte más ancha de dicha cuña adoptaba tradicionalmente la forma de una cabeza de caballo, por lo l anverso de un astrolabio es más que pasó a ser denominada “el caballo”. importante que el reverso. En la Si a la sazón hubiera existido algún parte frontal encontramos dos elemen- material transparente de suficiente tos fundamentales: el primero, la duración, probablemente se le habría araña, es una plancha calada (que, utilizado para construir la araña; como el resto del astrolabio, suele ser quienquiera que hoy desee construirse de latón), apoyada sobre una plancha un astrolabio sencillo puede usar una circular maciza. La araña o rete (red) hoja de plástico transparente para es una representación de los cielos: las hacer el mapa de las estrellas. puntas de los agudos indicadores indiLa otra parte principal del astrolacan las posiciones de las estrellas más bio es la lámina situada bajo la araña. brillantes; un círculo excéntrico repre- Está trazada con una serie de círculos senta la eclíptica y también hay frag- y líneas rectas que representan las mentos de otros tres círculos, que coordenadas, fijas respecto de un representan el ecuador y los trópicos observador dado. El centro del astrola-
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1. DIAGRAMA DEL ANVERSO DE UN ASTROLABIO. Son visibles las partes esenciales para utilizarlo como instrumento de cálculo. La red calada, llamada también araña, o rete en latín, es una representación de los cielos en la que las agudas puntas recortadas indican las posiciones de las estrellas. El círculo excéntrico situado en la parte alta es la eclíptica, el camino anual que recorre el
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Sol en el firmamento. La araña puede girar sobre un eje central que la une a la lámina situada tras ella. La posición del eje corresponde al polo norte celeste y las líneas trazadas sobre la lámina representan las coordenadas, que dependen de la situación del observador terrestre. El giro de la araña muestra el desplazamiento diario de las estrellas en relación al observador.
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CABALLO
ARAÑA
LAMINAS (CLIMAS)
MATER
ALIDADA
PINULA EJE PUNTO DE MIRA
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2. DESPIECE de un astrolabio para ver la relación existente entre sus diversas partes. La mater (madre) es el cuerpo principal. Las láminas son diversas planchas grabadas con líneas de coordenadas, diferentes para cada latitud geográfica, normalmente las frecuentadas por el observador. La alidada es una regla que se usaba para apuntar a los objetos celestes y determinar su altura. Se hallaba en el reverso ( véase la figura 12) y podía girar libremente, como la araña. Esta se sitúa encima de las láminas, contenidas en el interior de la mater . El eje atraviesa el centro de todas estas piezas y se fija con una cuña, labrada normalmente en forma de cabeza de caballo. Algunos astrolabios no tenían láminas; el trazado se realizaba entonces directamente sobre la mater .
bio, donde se halla el eje en el que gira la araña, representa el polo norte celeste, alrededor del cual se produce el giro aparente de las estrellas. Centrados en el polo están el trópico de Cáncer, el ecuador y el trópico de Capricornio. Algunas veces estos círculos aparecen representados en la lámina y en la araña. En la lámina existe otra línea que representa el horizonte del observador y un punto que es su cenit. Sobre el horizonte y rodeando el cenit hay un conjunto de almucántares o círculos de igual altura. También están las líneas de igual acimut, representadas como arcos de círculo que parten del cenit y descienden hasta el horizonte. Es obvio que la distancia que separa el polo norte celeste y el cenit del obser vad or en la lám ina del ast rol abi o depende de la latitud geográfica del observador. Si se encontrara en el polo norte, ambos puntos coincidirían, mientras que si estuviera sobre el ecuador los dos puntos estarían separados por el equivalente de 90 grados en la lámina del astrolabio. La necesidad de disponer de una lámina diferente para cada latitud geográfica en la que se fuera a usar el aparato era una complicación que tenían que asumir los usuarios. El aparato debía tener una lámina para la latitud habitual del observador y tantas otras como se previese que iba a necesitar en sus viajes. A tales láminas se las solía llamar climas, por extensión evidente del significado del término. Un astrolabio podía tener como cuatro, cinco, o incluso más climas; cada lámina estaba grabada por ambos lados y el conjunto se almacenaba en el interior de la mater o cuerpo principal del astrolabio. Las láminas se instalaban bajo la araña y se mantenían fijas en su sitio por el eje y el caballo ( véase la figura
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3. ASTROLABIO HISPANO-ÁRABE de principios del siglo XI, conocido con el nombre de “Astrolabio de Alfonso el Sabio” (anverso y reverso). Obsérvese la austeridad de los perfiles de
la araña. Copia galvanoplástica del original que se conserva en el Museo de Historia de la Ciencia de Florencia. (Museo Naval de Madrid.)
4. ASTROLABIO CONSTRUIDO EN GRANADA en 1265 por Ahmad Ibn Husayn Ibn Baso (anverso y reverso). Tiene algunas
protuberancias para facilitar la rotación de la araña. (Real Academia de la Historia de Madrid.)
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5. PROYECCION estereográfica del ecuador y de los trópicos, donde se muestra el modo de proyectar estos círculos de la esfera celeste (arriba) sobre la superficie plana del astrolabio (abajo), es decir, sobre la mater , o sobre una de las láminas, y sobre la araña. En la mayor parte de los astrolabios el plano de proyección es el plano del ecuador u otro plano paralelo a él. Se traza una línea desde el polo sur celeste hasta cualquier punto de la esfera, en este caso los correspondientes a los trópicos y el ecuador, y el punto en el que la línea interseca el plano de proyección será el lugar correspondiente a dicho punto celeste sobre el mapa. Se proyectan muchos de ellos para trazar las líneas de las coordenadas. El ecuador y los trópicos están situados en ángulo recto respecto al eje de proyección, por lo que aparecerán sobre el mapa como círculos concéntricos; su centro es el punto correspondiente al polo norte celeste (abajo), a través del cual discurrirá el eje de giro del astrolabio. ver entonces a través de este cañamazo las estrellas del cielo nocturno, que se desplazarían por entre las líneas a causa de la rotación diaria de la Tierra. Si el observador hiciese una fotografía de larga exposición, los puntos luminosos de las estrellas trazarían arcos de círculos concéntricos centrados en el polo norte celeste. Al modo medie val, pasemos por alto las necesidades y modos de ver las cosas de los habitantes del hemisferio sur.
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2). Exis tieron astrolabios que podían utilizarse en cualquier latitud con una sola lámina, pero no eran fáciles de usar ni abundaron en ninguna época. ¿Cómo se representan sobre la araña y los climas las estrellas y las líneas
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gual que puede trazarse un mapa plano del globo terrestre, puede hacerse otro de las dos esferas de las que tratamos: el cañamazo de las coordenadas fijas y la móvil esfera del firmamento. Hay ciertos condicionantes de índole práctica a tener en cuenta si los mapas van a trazarse sobre latón y si han de ser útiles indefinidamente. Si los dos mapas van a quedar unidos de tal modo que uno pivote sobre un punto fijo del otro, como ocurre en el astrolabio, entonces dicho punto tiene que ser uno de los polos, preferiblemente el norte si el instrumento va a utilizarse sobre todo en el hemisferio norte. Además las proyecciones de ambos mapas deben corresponderse para todas las posiciones de la araña y de la lámina. Sería completamente inútil un mapa que exigiese deformar la araña a medida que rotara. La proyección estereográfica se adaptaba perfectamente a las necesidades del constructor de astrolabios por sus características de que de las coordenadas? Supongamos que los círculos de la esfera siguen siendo el observador estuviera en el centro de círculos tras ser proyectados sobre un una gran cúpula hemisférica en la que plano y que los ángulos formados por se hubieran trazado los almucántares la intersección de dos de ellos no camy las coordenadas de igual acimut a bian de magnitud al ser proyectados. intervalos de 5 o 10 grados. Podríamos Aunque hay razones para sospechar
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6. PROYECCION estereográfica de almucántares, o círculos de igual altura, que son concéntricos con el cenit del observador y paralelos al horizonte; también se convierten en círculos en el plano de proyección, pero no tienen un centro común. La ilustración muestra el cenit del observador situado a 40 grados al norte del ecuador. Su horizonte y los almucántares se muestran primero como aparecen en la esfera celeste (arriba). La proyección estereográfica tiene la propiedad de que los círculos de la esfera siguen siendo círculos cuando se proyectan sobre una superficie plana. Los centros de los almucántares se hallan sobre la línea NS, que pasa por los polos y el cenit del observador y que también es la proyección del meridiano del observador.
que en los primeros tiempos se usaron otros métodos, el que se siguió casi sin excepción en los astrolabios pequeños fue el de usar la proyección estereográfica tomada desde el polo sur de la esfera celeste y proyectada sobre el plano del ecuador. Se trazaba una línea desde el polo sur al objeto escogido de la esfera celeste; el punto en el que dicha línea intersecaba el plano de proyección era el lugar correspondiente al objeto celeste en el mapa. A base de estos puntos se trazaban las líneas de coordenadas. Según la proyección estereográfica, cuanto más cerca del polo sur esté una estrella, tanto más lejos del polo no rte aparecerá en el plano de proyección, e s decir, en la araña. La proyección de la esfera celeste completa se extendería, pues, hasta el infinito. En la práctica la araña no llega más que un poco más allá del Trópico de Capricornio, casi sin excepción. Las estrellas se representan en la araña mediante finas puntas de latón. Cabía la posibilidad de doblarlas al cabo de un tiempo, para acomodarlas al movimiento precesional del eje de la Tierra (a pesar de que tal movimiento sólo es perceptible por períodos de medio siglo como mínimo), aunque parece más probable que la torcedura de los finos indicadores ocurriera más por accidente que por expreso deseo; los indicadores se solían construir tan rígidos como se podía. Los círculos de los trópicos y del ecuador no son necesarios en la araña, pues ya aparecen en la lámina situada debajo, pero servían fundamentalmente para sostener los indicadores estelares. El ecuador y los trópicos forman ángulos rectos con el eje de proyección. Por consiguiente aparecen en ella como círculos concéntricos con la araña y con centro en el polo norte (el eje del astrolabio). Es más, si se dividiera el ecuador de la esfera celeste en grados, éstos
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quedarían repartidos uniformemente en el ecuador proyectado. Ninguna de estas propiedades puede aplicarse al círculo más importante de la araña, que es el anillo que representa la eclíptica. Su centro difiere del centro del
ecuador y de los trópicos a causa de que el plano del ecuador celeste está inclinado con un ángulo de 23,5 grados con respecto al plano de la órbita terrestre. Las longitudes sobre la eclíptica se trazan a partir del equinoccio vernal, que
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7. PROYECCION estereográfica de las líneas de igual acimut. Se trata de una serie de círculos máximos que abarcan desde el cenit hasta el horizonte ( arriba ), al que cortan en ángulo recto así como a los almucántares (no representados). Los ángulos formados por las intersecciones de círculos no cambian al ser proyectados estereográficamente sobre una superficie plana. Por consiguiente las líneas de igual acimut serán en las láminas del astrolabio arcos de círculo que cortan en ángulo recto las líneas del horizonte y los almucántares. La mayoría de los astrolabios contienen solamente las líneas de igual acimut que aparecerían sobre el horizonte del observador (abajo).
es uno de los dos puntos en los que la eclíptica corta al ecuador. El equinoccio vernal se halla al principio del signo de Aries. Cuando el Sol se encuentra en el “primer punto de Aries” el día y la noche tienen la misma duración.
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En el equinoccio vernal el Sol está pasando del sur del ecuador al no rte y se dirige a través de Aries hacia el signo de Tauro en su progresión alrededor de la eclíptica. Cuando alcanza el punto de la eclíptica situado más al
norte, en el solsticio de verano, 23,5 grados al norte del ecuador, deja Géminis y penetra en el signo de Cáncer, del que procede el nombre dado al trópico del hemisferio norte situado a la latitud de 23,5 grados. Continuando con el recorrido del Sol por la eclíptica, entra en Libra al atra vesar de nuevo el ecuador en dirección de norte a sur, lo que ocurre en el equinoccio de otoño, cuando los días y las noches vuelven a ser de igual duración. El Sol alcanza el solsticio de invierno al entrar en Capricornio, 23,5 grados al sur del ecuador, de donde toma su nombre el trópico del hemisferio sur situado a dicha latitud. El recorrido anual completo del Sol por la eclíptica viene indicado en la araña por la arista exterior del anillo de la eclíptica. ¿Cómo se traza el anillo de la eclíptica sobre la araña? Todo lo que hay que hacer es señalar los puntos de los solsticios de verano y de invierno (véase la figura 10). Dado que en la proyección estereográfica los círculos siguen siendo círculos en el plano, estos dos puntos definen el diámetro del círculo de la eclíptica. El centro geométrico de la eclíptica está situado a medio camino entre ambos puntos. El círculo de la eclíptica, una vez trazado, cruzará el ecuador en los puntos correspondientes a los equinoccios. (El centro geométrico de la eclíptica así determinado va a parar a un punto tal que el ángulo formado en los equinoccios entre el centro de la eclíptica y el centro de la araña es de dos veces 23,5 grados o, para ser más exactos, el doble del ángulo que se haya determinado que forma la eclíptica con el plano ecuatorial.) Los almucántares se trazan sobre la lámina del astrolabio situada bajo la araña de un modo muy parecido. El horizonte del observador está inclinado respecto al ecuador celeste en 90 grados menos la latitud geográfica del obser vador (véase la figura 7 ). Para establecer los dos puntos que determinan cada uno de los almucántares, hay que
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8. LOS ÁNGULOS HORARIOS constituye el último grupo de coordenadas de la lámina del astrolabio. El ciclo diario completo se divide en 24 horas. Cuando el tiempo se contaba en horas desiguales, como sucede aquí, el período diurno y el nocturno se dividían ambos en 12 partes iguales, independientemente de su duración, de modo que las horas del día no eran iguales que las de la noche. Las líneas de las horas se solían trazar bajo la línea del horizonte. Los fragmentos de los círculos concéntricos del ecuador y de los trópicos situados bajo el horizonte se dividían en 12 partes iguales, numeradas a partir del punto de intersección con el horizonte oeste. Los puntos correspondientes se unían luego mediante curvas. recordar que estas curvas ya no son círculos máximos cuyos planos pasen por el centro de la Tierra, sino círculos menores paralelos al horizonte. El resultado de la proyección será una serie de círculos que rodean el cenit del observador, pero que no son concéntricos con el mismo. Sus centros están todos sobre el meridiano. Las líneas de igual acimut son mucho más difíciles de delinear. Se trata de una serie de círculos máximos que se extienden desde el ecuador hasta el cenit y cortan el círculo del ecuador y los almucántares en ángulo recto. Como la proyección estereográfica no cambia el valor de los ángulos, las líneas de igual acimut del astrolabio serán arcos de círculo que conser van dicha propiedad. Los astrolabios no suelen contener más que los fragmentos de las líneas de igual acimut situadas por encima del horizonte del observador (véase la figura 8 ).
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ntes de pasar a exponer algunos usos del astrolabio debemos preguntarnos por su historia. La teoría de la proyección estereográfica se remonta a uno de los más grandes astrónomos griegos, Hiparco. Nació en Nicea, cerca del moderno Estambul, hacia el año 180 a.C. y realizó observaciones desde Rodas y Alejandría. Por desgracia la mayor parte de lo que sabemos sobre él nos ha llegado por fuentes indirectas. Una de las más importantes es el astrónomo alejandrino Ptolomeo, cuyos escritos son unos cuatro siglos posteriores. Ptolomeo fue quizás el más grande astrónomo del mundo antiguo; su obra más importante, conocida actualmente con el nombre de Almagesto, no menciona el astrolabio planisférico. Sin embargo hay referencias a la “araña” del “instrumento horoscópico” en su obra Planisferio, lo que induce a pensar que en su tiempo se conocía un instrumento que tenía algunas semejanzas con lo que más
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tarde sería un astrolabio. El Planisferio Además de Ptolomeo, hay otros eruno es un tratado sobre el astrolabio, ditos que se refieren al astrolabio, pero sino sobre la proyección estereográ- muchas de las referencias son críptifica, y nos ha llegado a través de la cas. El tratado más antiguo supervitraducción latina de Hermann de viente sobre la construcción y usos del Carintia (1143 d.C.). instrumento fue escrito en el siglo VI
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9. LA PROYECCION estereográfica de la eclíptica va emplazada en la araña y no en la lámina. La eclíptica es el trayecto aparente anual del Sol a través de la bóveda celeste, tal como lo vemos desde la Tierra. El ecuador terrestre está inclinado con un ángulo de 23,5 grados respecto al plano de la eclíptica; este ángulo se conserva en la araña del astrolabio. Todo lo que hay que hacer para dibujar la eclíptica es señalar el punto del solsticio de verano sobre el trópico de Cáncer y el punto del solsticio de invierno sobre el trópico de Capricornio. Estos dos puntos definen el diámetro del círculo de la eclíptica, cuyo centro está situado en su punto medio. La eclíptica cruza el ecuador en los puntos correspondientes al equinoccio vernal (primer día de primavera) y al equinoccio de otoño (primer día de otoño). La eclíptica se divide en los 12 signos del zodíaco, empezando en el punto del equinoccio vernal. Las líneas divisorias de la eclíptica tienen su origen en el polo norte celeste. Mucho más conocida en la Europa medieval fue una obra escrita en árabe por Masallah, que se cree que fue un judío egipcio. Se tradujo al latín en 1276 y sirvió de base para el único buen tratado antiguo sobre el astrolabio que existió en inglés, es decir, el que escribiera un siglo más tarde nada menos que Geoffrey Chaucer.
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por Juan Filopón de Alejandría. Se vero Sebokt escribió al respecto en lengua siria un siglo más tarde. Después de esta época el instrumento pasó a ser razonablemente bien conocido, a juzgar por los muy variados tratados que
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se le dedicaron en los mundos islámico y cristiano. Quizás el primer tratado europeo fuera el que escribió Hermann de Reichenau o Hermann de Lame, un monje de Reichenau que murió en 1054.
u obra, titulada Tratado sobre el astrolabio , está fechada hacia 1392 y existen más de dos docenas de manuscritos antiguos. En algunos se añade el subtítulo de Pan y leche para niños. Este subtítulo fue probablemente añadido por algún copista sorprendido por las puntualizaciones que Chaucer hacía en la introducción de una obra que los adultos solían considerar difícil. En versión moderna, la obra empieza así: “Lewis, hijito mío, he notado señales de tu habilidad para aprender las ciencias de los números y de las proporciones y no olvido tu especial deseo de conocer el contenido del tratado del astrolabio.” Chaucer continúa exponiendo el contenido del tratado, que no parece que llegase a acabarse. Explica la necesidad de una obra en inglés y reconoce su deuda con los astrónomos antiguos. Es una lástima que su inglés sea casi tan difícil para el lector actual como lo fuera el latín para Lewis. Hacia el siglo XVI la difusión de la imprenta y la creciente mejora de las técnicas de grabado de ilustraciones produjeron cierto número de magníficos nuevos tratados sobre el astrolabio; a ellos se debieron, en parte, algunas mejoras importantes en el arte de la construcción del instrumento. Los astrolabios se hicieron mayores, más ornamentados y estaban grabados con
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finura y precisión mayores. Pero, aparte de las diferencias en la nomenclatura de las inscripciones, poco o nada había en el típico astrolabio de principios del siglo XVII que no le resultara familiar a un usuario de un milenio atrás. El astrolabio más antiguo que ha llegado hasta nosostros se cree que data del año 927/8 y contiene una firma difícil de descifrar; podría ser una forma arábiga de un nombre griego (Bastulos o Nastulos). A finales del siglo XIII se conocía y se usaba el astrolabio planisférico desde la India, en oriente, hasta la España árabe, en occidente, y desde los trópicos hasta el norte de Inglaterra y Escandinavia. Según el país y el período de origen, se pueden apreciar ciertas diferencias características en el estilo general y la decoración de los astrolabios. Los indicadores de las estrellas de las arañas de los primeros astrolabios, por ejemplo, solían tener una forma sencilla de flecha, grabada sólo con el nombre de la estrella. Por el contrario, los tardíos constructores indo-persas de astrolabios convirtieron a menudo la araña en un dibujo complicado, simétrico y foliado, cosa difícil de conseguir con lo que esencialmente es un mapa de estrellas de disposición asimétrica por naturaleza. Los constructores de astrolabios orientales a menudo damasquinaban sus instrumentos con plata y oro. Es interesante reseguir, a través de las obras firmadas que nos han llegado de ellos, las sucesivas generaciones de la misma familia. Toda la familia, por ejemplo, pudo haber trabajado en un centro como Lahore, pudiendo haber tenido conexiones con la corte mogol. Los instrumentos persas tienden a estar extremadamente ornamentados con delicados filetes.
10. LAMINA DE ASTROLABIO COMPLETA. Incluye todas las líneas de coordenadas correspondientes a una latitud, es decir, todas l as proyecciones tratadas individualmente en los gráficos precedentes.
de diámetro, aunque pueden encontrarse algunos mucho mayores en varias formas especiales, como en las esferas de los relojes astronómicos. La inclusión de un astrolabio en la esfera del reloj se remonta a la antigüedad clásica, cuando se hacía que la araña girase una vuelta al día por medios hidráulicos. Tras la l estilo de las arañas occidentales invención del escape mecánico a finales suele ser un trasunto de los estilos del siglo XIII, se instalaron relojes astrode la arquitectura religiosa contempo- nómicos en las mayores catedrales euroránea. El estilo de las inscripciones se peas. Una disposición típica era la que parece normalmente al de los manus- intercambiaba los papeles del mapa de critos occidentales, lo que caracteriza estrellas y del cañamazo de coordenadas muy bien el período en el que fueron del astrolabio clásico, con las coordegrabados. Hay pruebas de que muchos nadas representadas en la araña y las astrónomos de todo el mundo fabrica- estrellas pintadas en la lámina de ban sus propios instrumentos, aunque debajo. Habitualmente se hacía girar todos los centros intelectuales impor- las estrellas mientras la araña permatantes tuvieron, en una u otra época, necía fija, pero también se hizo a veces talleres profesionales especializados a la inversa. Sobre la eclíptica del mapa en la fabricación de astrolabios. Los de estrellas se puede encontrar, en ocainstrumentos europeos de la Edad siones, un modelo del Sol que se desMedia pocas veces fueron firmados por plaza, manualmente o por un mecasus autores, pues en aquella época el nismo, de manera que completa una anonimato no se consideraba un vuelta a la eclíptica en un año. Para defecto. Los astrolabios del siglo XVI ya saber la hora gracias a un reloj de este tipo se debe estar familiarizado con los fueron firmados con regularidad. El tamaño físico de la mayor parte de principios básicos de la utilización del los astrolabios se halla entre 8 y 45 cm astrolabio, por lo menos.
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El uso principal del astrolabio fue para saber la hora. En primer lugar se tomaba la altura del Sol o de una estrella, empleándolo como instrumento de observación. A continuación, y suponiendo que el observador conocía la posición del Sol o de la estrella en la araña, se la hacía girar hasta que aquel punto coincidiera con el almucántar de la altura determinada. (Se supone que el observador había emplazado bajo la araña la lámina apropiada para su latitud geográfica y que sabía en qué lado del meridiano se encontraba el objeto observado.) Se ignoraba la refracción de la atmósfera, que cambia la posición aparente de los astros en el firmamento y que se acrecienta a medida que éstos se aproximan al horizonte. La posición aproximada del Sol sobre la eclíptica para cada día del año se consultaba en las escalas del calendario situado en el reverso del instrumento. Una vez situada la araña en la posición correcta, el observador puede determinar la hora local por diversos métodos. Si la circunferencia del astrolabio está dividida en grados, 15 grados corresponden a una hora. El mediodía
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avanza en su rotación. Normalmente el ángulo horario se expresa en horas, minutos y segundos en lugar de hacerlo en grados de arco. El astrolabio puede indicar diferentes clases de horas. La primera es la hora sidérea o la hora de las estrellas, definida como el ángulo horario del primer punto de Aries. Si el día se divide en 24 horas, empezando en la medianoche, hay que añadir 12 horas a la cuenta de la hora sidérea, ya que el equinoccio vernal o primer punto de Aries (que a la sazón es la posición en la que se encuentra el Sol) cruzará el meridiano al mediodía local.
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11. EL REVERSO DEL ASTROLABIO incluye la alidada y determinados datos que el observador necesita. A lo largo del borde de este ejemplo hay una escala graduada para medir la altura de los objetos celestes con la ayuda de la alidada. La escala siguiente contiene los 12 signos del zodíaco, cada uno de ellos dividido en 30 grados. Las escalas de los días y los meses, interiores a la del zodíaco, sirven para relacionar la posición del Sol en la eclíptica con la fecha correspondiente. No son concéntricas con los otros círculos debido al movimiento no uniforme del Sol por la eclíptica. El diseño del sector interno del reverso del astrolabio varía mucho de uno a otro. En este caso el cuadrante superior izquierdo contiene una serie de líneas horizontales que parten de unas divisiones de grados; sus distancias al diámetro horizontal corresponden al seno de la altura de un objeto sobre el horizonte. El cuadrante superior derecho incluye líneas para convertir la hora equinoccial en horas desiguales directamente. Los dos cuadrantes inferiores contienen las “escuadras de las sombras”, usadas junto con un gnomon para obtener la tangente o la cotangente de la altura de un objeto sobre el horizonte. Si están trazadas cuidadosamente y con precisión, lo que no suele ocurrir, sirven para medir alturas con más fiabilidad que apuntando con la alidada. se establece cuando el Sol se halla hacia la parte alta del instrumento y la medianoche cuando el Sol está hacia la parte más baja, las seis de la mañana cuando está hacia la izquierda y las seis de la tarde cuando está hacia la derecha. Imaginemos ahora un círculo máximo que una un objeto del firmamento con el polo norte celeste. El ángulo que forma dicho círculo máximo con el meridiano es el ángulo horario
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del objeto. Como consecuencia de la proyección estereográfica, una regla que descanse sobre la línea que pasa por el centro del astrolabio y por la posición del objeto representada en la lámina, forma un ángulo con el diámetro vertical (la línea meridiana) igual al ángulo horario del objeto. Se llama ángulo horario porque puede servir para medir el tiempo, ya que va cambiando de valor a medida que la Tierra
tro tipo de horas son las del tiempo solar verdadero: el ángulo horario del Sol con independencia de su posición respecto a las estrellas. Más corriente es el llamado tiempo solar medio, basado en un “Sol medio” que se desplaza por el ecuador, en lugar de hacerlo por la eclíptica, y a una velocidad uniforme, completando una vuelta entera en un año, igual que el Sol verdadero. La Tierra se mueve alrededor del Sol trazando una elipse, en uno de cuyos focos se halla el Sol, y traza su órbita más deprisa cuanto más cerca se halla del Sol. Por consiguiente, visto desde la Tierra, el Sol verdadero parece que acelere o frene su velocidad en distintos trayectos de la eclíptica. El Sol verdadero y el Sol medio no sólo se mueven, pues, por diferentes trayectos, sino que lo hacen a diferentes velocidades. El tiempo solar verdadero, que es el observado, puede convertirse en tiempo solar medio, más útil, aplicando una corrección conocida como la ecuación del tiempo, basada en el conocimiento que tenemos del movimiento de la Tierra en su órbita y que puede consultarse en libros de referencia. Esta operación no se aplicó casi nunca antes del siglo XVII. Para convertir el tiempo solar medio a tiempo solar local, el observador necesita conocer su longitud geográfica, otra corrección que raramente se efectuó. Una tercera clase de tiempo es el expresado en horas desiguales. En la Edad Media se dividía el período diurno en 12 partes iguales y el nocturno en otras 12 partes iguales, sin tener en cuenta la verdadera y cambiante duración del día y de la noche, lo que implica que las horas diurnas y las nocturnas sólo erán iguales en los equinoccios. Muchos astrolabios contienen las líneas de las horas desiguales, si bien, para evitar confundirlas con los almucántares, solamente se trazan por debajo de la línea del horizonte (véase la figura 9 ). Aunque el astrolabio se usase básicamente para determinar la hora, fue
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un elemento esencial de la práctica astrológica. Para establecer el horóscopo para un momento determinado el astrólogo necesita conocer los siguientes puntos de la eclíptica: el que se encuentra en el horizonte este (“el ascendente”), el que lo hace en el ho rizonte oeste (“el descendente”), el que cruza el meridiano (“el grado del medio-cielo”) y el que cruza la prolongación del meridiano por el norte, llamada la línea de la medianoche (“el medio-cielo inferior”). Todos estos datos se leen fácilmente en el anillo de la eclíptica una vez se ha situado la araña correctamente según la hora del día de que se trate: quizás el momento de la concepción, o los del nacimiento, la muerte o algún otro acontecimiento importante, como una coronación. Una vez se han establecido los cuatro puntos clave de un horóscopo, pueden situarse en posición las 12 casas astrológicas (que no hay que confundir con los signos) y los planetas pueden ser asignados a ellas. Sin embargo hay diferentes sistemas de realizar la división del firmamento en las 12 casas, algunos de los cuales se pueden encontrar en el tratado del astrolabio de Chaucer. Como les sucede hoy día a las modernas computadoras electrónicas, en la Edad Media el astrolabio fue motivo de admiración y de entretenimiento, de fastidio y de incomprensión. A pesar de sus imprecisiones, fue un instrumento muy útil. Conocerlo ha de ser virnos a nosotros para apreciar me jor el nivel de desarrollo de una época en la que se le usó tanto y se le comprendió tan bien.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA LIBROS DEL SABER DE ASTRONOMÍA DEL REY D. ALFONSO X DE CASTILLA. Manuel
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A COMPUTERISED CHECKLIST OF ASTROLA-
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Galileo y el primer instrumento mecánico de cálculo Stillman Drake Se trata del sector, empleado para resolver mecánicamente varios problemas matemáticos. Galileo lo inventó para abordar un problema insoluble y luego percibió su utilidad para otros más sencillos
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a gente ha recurrido a muchos tipos de dispositivos mecánicos para ahorrarse cálculos aritméticos. De todos ellos, el más antiguo es el ábaco, con su conjunto de cuentas ensartadas en alambres paralelos; si se mueven las cuentas siguiendo ciertas reglas determinadas, puede obtenerse el mismo resultado que operando con números escritos en un papel. Hoy en día apretamos los botones de una calculadora siguiendo otras determinadas reglas. Como los matemáticos descubrieron hace mucho tiempo maneras de reducir a números la geometría y la física, cualquier problema práctico en que intervengan las matemáticas puede resolverse hoy sin realizar tediosos cálculos con papel y lápiz. Hasta hace no muchos años se usaba la lenta máquina de calcular mecánica, apretando botones que ponían en movimiento ruedas numeradas. Medio siglo atrás, antes de que se utilizara el motor eléctrico, las máquinas de este tipo se manipulaban mo viendo una manivela y desplazando un carro. El mecanismo básico se remonta al siglo XVII, cuando Blaise Pascal puso dígitos alrededor de varias ruedas, que engarzó de modo que se produjese el arrastre de cifras. En el mismo siglo vivió Gottfried Wilhelm von Leibniz, quien introdujo el carro móvil para acelerar la multiplicación. Pero el mérito de haber dado con la idea básica de una máquina de calcular se debe a John Napier, o Neper, más que a Pascal.
STILLMAN DRAKE, autor de numerosos libros y artículos sobre la obra de Galileo, fue profesor de Historia en el Institute for the History and Philosophy of Science and Technology de la Universidad de Toronto.
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En lugar de utilizar ruedas, Napier grababa los números en varillas móviles de hueso. La merecida fama de Napier se debe fundamentalmente a su invención de los logaritmos en 1611, que le convierte en el creador de la idea básica de la regla de cálculo, el principal instrumento alternativo para evitar cálculos aritméticos en la época mo derna. Pronto se le ocurrió al inglé s Edmund Gunter disponer los logaritmos de Napier en una línea y medir a lo largo de ella con una regla normal. La “línea de Gunter” permitía obtener aproximaciones rápidamente, evitando la molestia de sumar y restar números tomados de tablas. Pronto aparecieron las reglas de cálculo, primero de forma circular y luego las más habituales de regleta deslizante. Las pequeñas calculadoras electrónicas han convertido en poco tiempo a la regla de cálculo y a la calculadora mecánica en piezas de museo. Había pasado menos de un siglo desde que ellas mismas hicieran lo propio con otro instrumento mecánico de cálculo que se había inventado algo ante s y se codeó honrosamente con ellas hasta que se añadieron motores a las máquinas de cálculo y la educación técnica moderna extendió el uso de la regla de cálculo. Este instrumento más antiguo es el sector. Galileo fue el inventor, alrededor de 1597, de la primera versión de este instrumento que despertó interés. La estructura básica del sector son dos brazos unidos en un extremo por un pivote. Los brazos son de la misma longitud (de 10 a 30 centímetros) y llevan escalas numéricas idénticas. Con él se puede abordar el problema geométrico de inscribir un polígono de lados iguales en un círculo de diámetro dado. Se abren los brazos del sector hasta que las puntas de sus extremos
libres estén separadas por el diámetro del círculo. Luego, si la fi gura que hay que inscribir en el círcu lo es un pentágono, por ejemplo, se mide la distancia que hay desde el 5 de un brazo del sector al 5 del otro, distancia que será la longitud de cada lado del pentágono (véase la figura 4 ). Este problema, sin embargo, no requiere llevar a cabo cálculo alguno, posibilidad que el instrumento adquirió posteriormente.
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na de las ventajas del sector era la facilidad con que se aprendía a usarlo, por lo que resultaba accesible a gente con poca instrucción. Otra era que, en muchos problemas prácticos corrientes, el que utilizaba el sector ni siquiera tenía que pensar en términos de números. De hecho, uno de los factores que condujeron a Galileo a concebir el sector como una calculadora universal para todos los propósitos prácticos fue un problema que superaba a las matemáticas de su tiempo. El antiguo sector era un bello instrumento, normalmente hecho de latón o de plata. En museos y cole cciones privadas se conservan no menos de un millar de ejemplares. Una versión más modesta formaba parte del utillaje básico del carpintero, del artesano o del dibujante todavía en el siglo pasado, siendo la madera o el hueso los materiales utilizados para su producción industrial. Pero hoy en día casi nadie ha oído siquiera hablar del sector y la historia de su invención ha sido objeto de conjeturas y de contro versias, pero no de investigación histórica seria. La historia que contaré se basa en un examen de las instrucciones ma nuscritas para el uso del sector redactadas por Galileo antes de 1606, año en que las publicó por primera vez, en versión revisada. También he analizado muchos sectores antiguos. Mi interés por el
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1. EL “COMPAS GEOMETRICO Y MILITAR” DE GALILEO, tal y como se construyó a partir de 1598. Se muestran sus dos caras; los números no pueden distinguirse debido al desgaste y a que la fotografía no reproduce el tamaño real del instrumento. Este ejemplar, que se construyó probablemente en Florencia, procede de la colección del autor. Galileo diseñó
su compás, que posteriormente se conoció como el sector, para resolver el problema que llamó de «calibrado», consistente en determinar la carga apropiada para una pieza de artillería de un calibre dado, según el material de que estuviese hecha la bala. Las escalas del instrumento se muestran en las figuras 8 y 9.
2. EL COMPAS CON EL CUADRANTE. El cuadrante permitía que el instrumento se utilizara para observaciones astronómicas y trabajos de topografía. Galileo diseñó el cuadrante de forma que pudiese separarse, facilitando el transporte del ins-
trumento. También se le ocurrió la idea de introducir una escala que va de cero en cada extremo a 100 en el centro. Al añadir el cuadrante, el compás geométrico y militar podía utilizarse para determinar alturas, distancias e inclinaciones.
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3. EL MARQUES GUIDOBALDO DEL MONTE, amigo de Galileo, inventó un precursor del sector. Estos dos dibujos aparecen en un libro publicado en Venecia en 1598. La tinta de la otra cara se trasluce por el papel, haciendo aparecer las líneas menos marcadas que cruzan los dibujos y no pert enecen a ellos. En una de las caras del instrumento (izquierda) había escalas
tema se reavivó cuando Anahid Iskian, un especialista neoyorquino en grabados y libros antiguos, llamara mi atención sobre una copia manuscrita de las instrucciones de Galileo hecha en 1605, que terminé comprando. Las instrucciones diferían de las que se encuentran en el libro de Galileo, Operaciones del compás geométrico y militar, publicado en 1606. Yo había descubierto anteriormente, en la colección Rocco-Watson del Instituto Tecnológico de California, una versión manuscrita diferente, que puede fecharse hacia 1599. Estos dos manuscritos, junto con las otras cinco versiones conocidas (conservadas en la Biblioteca Ambrosiana de Milán y que pueden datarse entre 1597 y 1600), han hecho posible la reconstrucción de la
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que proporcionaban los lados de polígonos regulares que podían inscribirse en un círculo de diámetro igual a la distancia que separe las dos puntas del instrumento. Con las escalas de la otra cara (derecha ) el instrumento podía utilizarse para dividir en varias partes iguales una línea de longitud igual a la separación de las puntas del instrumento.
evolución del instrumento que Galileo diferente: Galileo era un profesor de inventó. Su historia resulta bastante matemáticas y Hood un científico prácdiferente de lo que se había supuesto. tico. En la invención del sector, cada La primera descripción publicada uno de ellos había partido de un punto del uso del sector como instrumento distinto y tenía un objeti vo diferente. mecánico de cálculo se debe a Thomas El sector de Hood tenía tres escalas. Hood. Se contiene en un texto inglés El modelo de 1597 de Galileo tenía aparecido en 1598, fecha en la que siete, de las cuales sólo una (la destiHood no sabía nada de un sector ita- nada a construir polígonos regulares) liano, mientras que en 1597 Galileo no podía encontrarse en el de Hood. había oído hablar del instrumento Galileo la eliminó de su sector un año inglés, el cual es probable que ya se después, cuando incluyó por primera usase normalmente algunos años antes vez una escala para obtener proporciode la publicación del libro de Hood. nes ordinarias, aunque era la escala Invenciones y descubrimientos simul- más simple de todas y había desempetáneos independientes no son raros en ñado desde el comienzo el papel prinla historia de la ciencia y de la técnica. cipal en el sector de Hood. Lo extraño en este caso es que los dos Los accesorios del sector de Hood inventores tenían una formación muy hacen pensar en que originalmente era
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un instrumento topográfico. Incluyen mento bastante complejo. Repasemos pares de visores removibles, una plo- su historia. mada y un cuadrante graduado ligado Los predecesores del sector de cálculo a uno de los brazos. La escala de divi- de Galileo son dos instrumentos de una siones iguales que había en cada brazo clase bastante diferente, inventados probablemente se utilizaba original- sesenta años antes por Niccolò mente para dibujar mapas a cualquier Tartaglia, un matemático interesado escala. La abertura variable modifica en la dimensión práctica de su discilas distancias entre los puntos corres- plina, con vistas a sus aplicaciones pondientes de los dos brazos y con- militares. Galileo los combinó en uno vierte al instrumento en una ayuda solo, añadiendo mejoras, antes de que mecánica sencilla para la resolución se le ocurriera la idea de utilizarlo de problemas de proporcionalidad. como instrumento mecánico de En un libro de instrumentos publi- cálculo. cado en Venecia en 1598 se muestra un tipo de sector que no está concebido artaglia publicó en 1537 y en Vecomo instrumento de cálculo. El insnecia un libro, La ciencia nueva, en trumento había sido inventado no el que se aplicaban las matemáticas a mucho antes por el marqués Guido- la artillería. Presentaba un instrubaldo del Monte, amigo de Galileo de mento con el que el artillero podía muchos años, como una ayuda sencilla determinar la elevación de la pieza, y barata para dos problemas comunes consistente en una especie de escuadra de dibujo y diseño. En uno de ellos se de carpintero con un brazo más largo, trataba de dividir un círculo en un que se situaba en la boca del cañón, y número dado de arcos iguales o de un cuadrante fijo dividido en doce parinscribir un polígono regular en un tes iguales llamadas puntos (véase la círculo. El otro era dividir una línea figura 5). Una plomada que colgaba del recta de longitud dada en un número vértice indicaba la elevación del cañón, exacto de partes iguales. de manera que a un disparo con elevaEl sector de Guidobaldo consolidaba ción nula se le llamaba “disparo a nivel” y mejoraba dos instrumentos de dibujo y al tiro con 45 grados de elevación se que se llevaban utilizando en Italia le denominaba “disparo a seis puntos”. desde el decenio de 1560. Uno de ellos, El instrumento se adoptó rápidamente el compás proporcional ordinario, en toda Europa. todavía se usa hoy; tenía puntas en Tartaglia trataba también de cómo ambos extremos y un pivote móvil. El determinar la altura y la distancia de otro era el compás de reducción, cuyo los blancos, visualmente y mediante pivote era fijo y tenía dos puntas fijas triangulación, para lo que inventó un y dos deslizantes perpendiculares a los segundo instrumento, que también se brazos. Los modelos posteriores se basaba en la escuadra. Entre su época construyeron de modo que las cuatro y la de Galileo, hubo otros inventores puntas tocaran el papel perpendicu- que propusieron instrumentos más larmente. Ambos instrumentos eran útiles y apropiados para triangulación caros y requerían un reajuste frecuente sobre el terreno. de las partes móviles. La única parte Muchos de los alumnos que Galileo móvil del sector de Guidobaldo era una tuvo en Padua a partir de 1592 eran simple bisagra y además el instru- jóvenes nobles destinados a carreras mento tenía escalas permanentes que militares. Les dio clases particulares proporcionaban directamente lecturas de arquitectura militar y de fortificadel número de partes de un círculo o ción, lo que le llevó a mejorar y consoliuna línea. dar los dos instrumentos inventados por El origen del “compás militar” de Tartaglia. En primer lugar, reparó en Galileo ha sido objeto de diversas con- el peligro que supone situarse delante jet uras, que lo han relacio nado de de la pieza para ajustar su elevación, varias maneras con el compás proporcional, el compás de reducción y el sector de Guidobaldo. Siempre se ha 4. EL POLIGONO inscrito en el círculo supuesto que Galileo añadió escalas muestra un uso típico del instrumento más complicadas a un instrumento de inventado por Guidobaldo y del sector. El cálculo ya conocido. El problema de problema es inscribir un pentágono reguesta suposición es que no se ha encon- lar en un círculo de diámetro igual a la trado ningún sector adaptado para el distancia entre las dos puntas del instrucálculo que se utilizara en Italia antes mento. Establecida esa distancia ( parte superior ) se mide la que hay (línea de code que Galileo inventara su “compás lor ) entre el 5 de una escala y el 5 de la militar” en 1597. Ahora puede aña- opuesta. Esa distancia es la longitud del dirse otra objeción: antes de que se lado del pentágono buscado. El polígono incorporara la escala más simple, el inscrito ( parte inferior ) divide además el sector de Galileo era ya un instru- círculo en arcos iguales de 72 grados.
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bajo el fuego enemigo. Esta y otras razones le hicieron pensar en un medio de calcular la elevación midiendo cerca de la recámara, lo cual podría hacerse si se colocaban los extremos de los brazos del instrumento encima del cañón, y se leían puntos de elevación desde el centro del cuadrante y no desde un extremo. Galileo diseñó el instrumento de forma que los brazos fueran de igual longitud. Como el cañón es más grueso en la recámara, había que compensarlo alargando de alguna manera el brazo delantero del instrumento. Galileo dotó a su instrumento con un “pie móvil” para conse-
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guirlo, una pieza móvil que se mantenía en posición mediante un tornillo de fijación.
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5. EL MATEMATICO ITALIANO NICCOLO TARTAGLIA inventó, a comienzos del siglo XVI, un instrumento de medida para uso del artillero. Fue uno de los instrumentos modificados por Galileo para construir su compás militar. El brazo más largo (izquierda) se situaba en la boca del cañón; la elevación del cañón podía entonces leerse en “puntos” en el cuadrante por medio de la plomada. Se decía que un cañón apuntado con elevación cero “disparaba a nivel”, F en la figura.
6. EL INSTRUMENTO DE TRIANGULACION, el segundo invento de Tartaglia que Galileo adaptó, se muestra tal como aparece en otra ilustración del libro de Tartaglia La ciencia nueva. El instrumento servía para ayudar a los artilleros a determinar la altura y distancia de los blancos, visualmente y por tri angulación. Galileo construyó su compás militar combinando los dos instrumentos inventados por Tartaglia, cambiando la escuadra por un cuadrante y añadiendo un clinómetro.
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osteriormente Galileo añadió graduaciones al cuadrante, que se extendían hasta 90 grados. Con esta modificación el instrumento resultaba útil para observaciones astronómicas en marchas largas. Añadió también una escala clinométrica, que proporcionaba lecturas en unidades de tanto por ciento de gradiente; los arquitectos militares podían utilizarla para determinar la inclinación de las escarpas. La escala, que proporcionaba las unidades de altura por unidad de avance horizontal, sugería, a su vez, una simplificación en la determinación visual de la altura y la distancia. Galileo dividió su cuadrante en 200 partes iguales, que se leían desde cero en cada extremo a 100 en el centro, esto es a 45 grados. Cada unidad correspondía, pues, a un uno por ciento del gradiente 1:1, lo q ue permitía prescindir de algunos cálculos corrientes y convertía otros en una cuestión de aritmética mental sencilla. El instrumento resultante era venta joso para los artilleros, puesto que eliminaba la necesidad de utilizar dos instrumentos distintos, al tiempo que resultaba útil para topógrafos y cartógrafos civiles. Es probable que fuese en 1595 cuando Galileo escribió un breve tratado sin título dedicado a los usos del instrumento combinado. La última parte, dedicada a la triangulación, se copió al final de un antiguo manuscrito que contenía sus primeras instrucciones (1597) para el uso el sector. Los añadidos hechos a este apéndice sobre triangulación posteriormente muestran que Galileo lo escribió antes de que hubiera perfeccionado su sector de cálculo. El grado de desarrollo que el instrumento inventado por Galileo había alcanzado en 1595 o 1596 puede percibirse en un dibujo hecho por un estudiante alemán, que está incluido en el manuscrito antes mencionado (véase la figura 7 ). El tamaño del cuadrante es exactamente el mismo que el del sector de Galileo conservado en Florencia. También están dibujados el cursor y el tornillo de fijación para el “pie móvil”, así como el soporte y la junta universal utilizados para montar el instrumento de forma que pudiera emplearse en trabajos de topografía. Este es el único dibujo conocido de los accesorios, pero los libros de cuentas de Galileo muestran que construyó por encargo una nocella (junta universal) para encajar el instrumento en un trípode.
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El cuadrante de Tartaglia era parte integrante del instrumento que había inventado para determinar la elevación. Mientras sólo lo utilizaron los artilleros, ni su gran tamaño ni su tosca forma constituían un problema. Pero
cuando Galileo incorporó la escuadra para triangulación, de manera que también pudiesen utilizarlo los topógrafos, separó el cuadrante y articuló los brazos para que pudiera transportarse más cómodamente. Esta modifi-
7. ESTE DIBUJO DE LOS ACCESORIOS del compás militar de Galileo, hecho por un estudiante, se encuentra en un manuscrito del siglo XVII propiedad del autor. El manuscrito contiene las instrucciones de Galileo para el uso del sector. Es probable que el dibujante fuese uno de los muchos estudiantes alemanes de Galileo y que lo hiciera antes de que se añadieran escalas al instrumento. En la parte superior del dibujo se representa el cuadrante. Debajo, a la derecha, está el cursor que se ajus-
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cación creó automáticamente un sector. El siguiente paso natural era marcar cerca de sus bordes interiores las dos escalas del sector de Guidobaldo, pues ambas eran útiles para cartógrafos y arquitectos militares.
taba a un brazo del compás para incorporar un “pie móvil”, que Galileo diseñó con el fin de compensar el estrechamiento de la pieza, de modo que su elevación pudiera leerse al pie del cañón en lugar de en la boca. Debajo está el soporte que servía para montar el instrumento en una “junta uni versal” (abajo en el centro), cuya base cónica ajustaba en un trípode, y (abajo a la izquierda) los brazos del instrumento, plegados en la forma en que se transportaba el compás.
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No se conoce ningún ejemplar del sector de Galileo de 1597, pero es fácil reconstruir el instrumento siguiendo las primeras instrucciones que proporcionó para su uso. He dibujado un diagrama esquemático del mismo con las escalas rotuladas; el dibujo es la base de las figuras 8 y 9 y será útil para comparar la primera versión del instrumento de Galileo con la versión posterior. Las dos escalas empleadas por Guidobaldo ( G-1 para construir un polígono regular y G-2 para dividir una línea en segmentos iguales) estaban en el modelo de 1597, pero no en los posteriores. Galileo añadió una escala,
que he designado V , la cual resultaba todavía más útil para los arquitectos militares, porque facilitaba la construcción de un polígono regular sobre una línea de longitud dada. Era frecuente que el diseño de las fortificaciones incluyera partes de polígonos regulares; la longitud de sus lados venía a menud o deter minad a por alguna característica del terreno o por parte de otra fortificación previa. Entre V y G-1 Galileo situó otra línea ( VI ), que llamó “tetragónica”. Esta escala proporcionaba directamente, para cualquier polígono regular, el lado de otro polígono de la misma área.
8. LAS ESCALAS QUE INTRODUJO GALILEO se representan aquí esquemáticamente, tal como aparecían en el modelo de su sector de 1597 (izquierda) y en el que se construyó después de 1598 (derecha). Cada escala estaba inscrita en ambos brazos del sector. No reproducimos los números más que una vez; la escala del otro brazo se indica mediante líneas discontinuas en el caso de las escalas interiores. Los números escritos al pie de los brazos, que identifican las escalas, han sido aña-
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Las mismas escalas servían para obtener la cuadratura aproximada de cualquier círculo y para comparar áreas en medidas cuadradas. (Mediante la reducción de cualquier figura lineal a triángulos, su área total puede equipararse a la de un cuadrado.) Las escalas V y VI señalan la aparición de un instrumento mecánico dedicado específicamente al cálculo, aunque limitado aún a comparaciones geométricas básicas. El siguiente paso de Galileo fue resolver mecánicamente un problema práctico importante de artillería, para el que no había solución conocida y que implicaba aspectos
didos por el autor. Las escalas I y II ayudan a resolver el problema de “calibrado” que se le presentaba al artillero. I daba los volúmenes de pesos iguales de varios metales y piedras. II proporcionaba un medio de obtener raíces cúbicas y III de obtener raíces cuadradas. IV , que apareció por primera vez en 1598, proporcionaba divisiones iguales de una línea; la H significa que un sector inventado independientemente por Thomas Hood tenía una escala parecida. V servía para
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aritméticos, geométricos y físicos. Sin embargo, incluso tras haberlo resuelto, su sector no podía todavía resolver problemas planteados por la vida ordinaria, sencillos problemas de proporcionalidad del tipo regla de tres. Aún no se le había ocurrido la idea de un solo instrumento útil para todo. Veamos cómo evolucionó en sus manos la primera calculadora mecánica de uso general. Galileo observó que se aplicaban a pesos y medidas los mismos nombres en lugares distintos, aunque las cantidades descritas fueran muy diferentes. Un capitán de artillería tenía que
saber cómo cargar un cañón de un cali- res al confiar en que el sentido común bre cualquiera con balas de cualquier y la versión definitiva del manual de material, sin recurrir a otra cosa que instrucciones publicado por Galileo sus conocimientos sobre las cargas podían revelar su forma de inventarlo. adecuadas para un calibre específico Es de sentido común que hubiese con balas de un material determinado. comenzado con algo sencillo (la escala Esto era necesario, pues frecuente- de divisiones iguales, como la del sector mente los capitanes tenían que actuar de Hood) y que luego se diese cuenta en lugares extraños y también porque de que podía aplicarse a problemas cuando se capturaban piezas de arti- más complejos, tal y como explicaba llería al enemigo era necesario saber posteriormente en sus instrucciones. cómo utilizarlas contra él. Disparos En realidad lo primero que inventó fue desperdiciados y peligrosos errores un medio mecánico de resolver un proserían el resultado de utilizar unida- blema que no podía resolverse con las des de medida equivocadas, incluso en matemáticas de su época: el problema el caso de que los datos necesarios para del calibrado, que era una función de cargar el cañón estuvieran inscritos en dos variables independientes. Sólo más una pieza cuyo manejo no fuera fami- tarde se le ocurrió que también los proliar. El único modo de evitar explosio- blemas de simple proporcionalidad nes del cañón, artilleros heridos o podían resolverse mecánicamente. muertos y disparos desperdiciados era ¿Por qué habían de preocupar a un poder resolver rápidamente, en el profesor de matemáticas problemas campo de batalla, el problema que que no suponían dificultad alguna ni Galileo llamó “calibrado”. para él ni para sus alumnos? Galileo La solución del problema requería terminó ocupándose de este tipo de las escalas I y II , que daban, respecti- problemas en beneficio de la gente vamente, los volúmenes relativos de corriente, que no podía calcular raíces pesos iguales de determinados metales cuadradas y que hasta tenía dificultay piedras y las relaciones de volúme- des con la multiplicación y la división. nes esféricos correspondientes a igua- Se había dado a los artilleros sin edules incrementos del radio. Sirviéndose cación matemática la posibilidad de de estas escalas, incluso un artillero trabajar con precisión; ahora, por prisin instrucción matemática podía mera vez, los civiles que tampoco resolver cualquier problema de cali- tenían educación matemática podían brado en unos segundos. En 1597 toda- aprender a hacer incluso trabajos de vía no se había aplicado el álgebra a la topografía. geometría, y mucho menos a la física, Los añadidos al apéndice sobre triande modo que ni el mismo Galileo gulación hechos después de 1600 reflehubiera sido capaz de escribir una jan la evolución del interés de Ga lileo fórmula práctica para resolver el pro- por tratar mecánicamente problemas blema. Incluso si lo hubiera hecho, a matemáticos sencillos. Originalmente, los artilleros no les hubiera servido de en 1595 o 1596, el texto proporcionaba nada, ni siquiera a los oficiales, pues cálculos aritméticos detallados para sus conocimientos matemáticos eran realizar triangulaciones. En el manusbastante limitados. crito de 1605 y en su libro, cada ejemplo de este tipo va acompañado por un a solución mecánica que Galileo pasaje que muestra cómo, utilizando el consiguió para este problema le sector, puede obtenerse rápidamente sirvió de inspiración para utilizarlo en una aproximación a la misma respuesta otros. Que esto constituía para él una sin recurrir a la aritmética. Abría prioridad resulta claro porque, en todas dichos pasajes con frases como “Para las versiones de las instrucciones ante- los que no pueden hacer cálculos aritriores a 1600, el primer problema que méticos...” o “Si se desea evitar tediosos se abordaba era el del calibrado. Pero cálculos...” en 1600 escribió una nueva versión de Las pruebas proporcionadas por las mismas que comenzaba con una declaraciones juradas archivadas en escala diferente (la IV ), que proporcio- 1607, la datación de manuscritos connaba divisiones lineales iguales enfren- servados en Milán y la forma y el contadas, como si se tratara de dos reglas. tenido de los otros dos manuscritos de Esta escala ni siquiera aparecía en el las instrucciones de Galileo indican modelo de 1597; se añadió alrededor de que el modelo definitivo de su sector un año después. Hacia 1600, Galileo se diseñó un año o dos después del había descubierto tantos usos del sec- instrumento de 1597. Hizo dos camtor que, desde entonces, el problema bios fundamentales y otros de menor del calibrado pasó a explicarse en el importancia. Introdujo uno de los camcapítulo 20. biosfundamentalesporque consideraba Los manuscritos muestran lo equi- que el instrumento sería imperfecto vocados que han estado los historiado- mientras no permitiera deter minar el
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construir un polígono regular dado en una línea de longitud dada. VI da, para cualquier polígono, el lado de otro de igual área. G-1 y G-2 coinciden con las escalas de Guidobaldo: G-1 sirve para inscribir un polígono regular en un círculo y G-2 para dividir una línea en partes iguales.
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área de cualquier figura limitada por dad de combinaciones de escalas. Yo he líneas rectas y arcos circulares en una ido coleccionado copias de los libros y combinación cualquiera. Para este ejemplares del instrumento a lo largo problema inventó una escala que pro- de muchos años. Dejando a un lado la porcionaba el área de cualquier seg- invención hecha por Hood de un sector mento de un círculo. Es la escala que de cálculo con menos aplicaciones, sólo he llamado VII . Requiere dos conjun- una de tales pretensiones me parece tos de números, uno a cada lado de la algo fundada. Se trata de la afirmación línea. Para que pudiera leerse con hecha en 1610 por el matemático belga mayor facilidad, tenía que situarse Michel Coignet, corresponsal de cerca de los bordes exteriores, donde Guidobaldo y de Galileo hacia 1580, había estado la escala V . Ya que V era según la cual él había utilizado desde de utilidad inmediata en problemas de esa época su “escala pantométrica”, fortificación, Galileo abandonó G-1 y que consistía en líneas graduadas puso V en su lugar, añadiendo una similares a las del último modelo del explicación que mostraba cómo los sector. Las líneas estaban grabadas en polígonos inscritos calculables una lámina metálica sin partes móvimediante G-1 podían obtenerse fácil- les. El instrumento inventado por mente utilizando V en su lugar. Coignet se utilizaba, junto con un comEl otro cambio importante introdu- pás de dividir ordinario, para resolver cido en 1598 consistió en reemplazar problemas parecidos, pero mediante la escala G-2 por otra más sencilla (la construcción y medida, no por cálculo IV ), de divisiones iguales iniciadas en mecánico, como era el caso del instruel pivote. Reglas idénticas, articuladas mento inventado por Galileo. en un punto común, proporcionaban la Lo que caracteriza a las calculadoras solución inmediata de todos los proble- mecánicas es su capacidad para hacer mas de proporcionalidad, lo cual equi- varias cosas: abreviar cálculos largos, vale a resolver todas las ecuaciones permitir que los matemáticos expertos lineales. Junto con las escalas III y II , resuelvan problemas que sin ellas queque de hecho aumentaban las posibi- darían fuera de su alcance y permitir lidades del sector hasta conseguir que que personas sin formación matemáresolviera algunas ecuaciones cuadrá- tica utilicen métodos de cálculo que no ticas y cúbicas, la escala IV convertía dominan. Lo importante es que el secla versión final del aparato en un ins- tor de Galileo hizo estas tres cosas trumento que podía resolver mecáni- desde el principio, como lo haría luego camente muchos problemas algebrai- la regla de cálculo. Me parece que el cos. La verdad es que el sector permitía sector de Hood y la máquina de calcular dominar todos los problemas matemá- que se desarrolló en el siglo XVII a partir de las ideas de Pascal y de Leibniz ticos prácticos de la época. son instrumentos algo diferentes, pues acia 1606, año en que Galileo estaban limitados a problemas que pu blicó su libro sobre el “compás podían resolverse utilizando métodos geométrico y militar”, se habían fabri- conocidos (aunque con menos cado unos cien instrumentos, que se comodidad). Con el instrumento mecáhabían vendido a estudiantes o rega- nico de su invención, Galileo atacó un lado a amigos y dignatarios de Italia y problema que no podía resolver de nindel extranjero. Los libros de cuentas guna otra manera. Al hacerlo, comde Galileo muestran que al menos 20 prendió que se podían utilizar medios ejemplares estaban en Alemania, mecánicos para resolver todos los pro Austria, Francia y Polonia. Su libro se blemas matemáticos prácticos de su publicó en italiano para que pudiera tiempo, de la misma manera que ahora ser leído por todos. Al cabo de unos resolvemos nuestros problemas matemeses, un estudiante paduano plagió máticos prácticos mediante máquinas el libro en latín y pretendió que Galileo electrónicas. le había robado el invento. Como Galileo había dedicado su libro al príncipe Cosimo de’ Medici, al que entonces BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA estaba solicitando empleo, la cuestión era seria y adoptó medidas legales conTHE INSTRUMENTS OF GALILEO . Silvio A. tra el plagiario. Una traducción latina Bedini en Galileo: Man of Science , dirigido por Ernan McMullin. Basic Books, autorizada se publicó en Alemania en Inc., 1967. 1613, cuando los sectores ya se usaban L ES INSTRUMENTS SCIENTIFIQUES AUX XVIIe en toda Europa. ET XVIIIe SIÈCLES . Maurice Daumas, París, Un alud de pretensiones de priori1953. dad en el invento aparecieron en otros GLI STRUMENTI . Vol. 1 de Storia delle países y en otros idiomas hasta casi Scienze, dirigida por Gerard L’E. Turner. 1640. Durante todo este tiempo se Einaudi. Turín, 1991. construyeron sectores con gran varie-
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La computadora mecánica de Charles Babbage Doron D. Swade La construcción, coronada con éxito, de uno de los ingenios calculadores de Babbage, un artilugio de tres toneladas, hace pensar que la historia ha juzgado erróneamente al precursor de la computación automática
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harles Babbage es tenido por el gran precursor de las ciencias de cómputo. Babbage, empero, no tuvo éxito en sus esfuerzos por materializar sus proyectos. Las historias de la computación afirman indefectiblemente que los tropiezos de Babbage se debieron a que sus artilugios exigían más de lo que la ingeniería mecánica de la era victoriana podía permitir. Resulta curioso, sin embargo, que ninguna prueba respalde tal juicio. Con mis colegas del Museo de la Ciencia londinense, me propuse arro jar algo de luz sobre la cuestión. Para ello pensamos en construir a escala natural uno de los ingenios de cómputo de Babbage, basándonos en los diseños originales. Era el año 1985. Nuestra empresa culminaría con éxito en no viembre de 1991, sólo un mes antes de cumplirse el bicentenario del nacimiento de Babbage. En esa fecha, el dispositivo, conocido por el nombre de Ingenio de diferencias n.o 2, ejecutó impecablemente su primer cómputo de importancia. El éxito de nuestra labor permitió comprobar que los fracasos de Babbage no se debieron al diseño, sino a una deficiente ejecución práctica. El ansia de Babbage por mecanizar los cálculos nació de la exasperación que le provocaban las inexactitudes de las tablas matemáticas impresas. Científicos, banqueros, actuarios, navegantes y similares se valían de ellas para realizar aquellos cálculos que exigie-
DORON D. SWADE es ingeniero electrónico, historiador de la computación y conservador jefe de la sección de computación y control del Museo de la Ciencia de Londres. Dirigió l a reconstrucción de la calculadora de Babbage.
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ran exactitudes mayores que dos o tres cifras. Pero la producción de tablas era penosa y propensa a errores en cada una de sus fases, desde el cálculo hasta la transcripción y la composición tipográfica. Dyonisius Lardner, divulgador científico de la época, escribió en 1834 que una selección de 40 volúmenes de tablas matemáticas efectuada al azar contenía 3700 correcciones de erratas, algunas de las cuales, a su vez, contenían errores. Babbage era un tenaz analista de los errores tabulares. En cierta ocasión colaboró con el astrónomo John Herschel en la verificación de dos conjuntos de cálculos para tablas astronómicas, preparados por separado; ambos quedaron desalentados ante la multitud de discrepancias. “¡Desearía, en el nombre de Dios, que estos cálculos hubieran sido ejecutados por una máquina de vapor!”, exclamó Babbage en 1821.
1. CHARLES BABBAGE posó para este daguerrotipo hacia 1847, año en que comenzó a trabajar en el Ingenio de diferencias n.o 2.
Babbage consideró que las calculadoras mecánicas ofrecerían un medio para eliminar todas las fuentes de errores de las tablas matemáticas. Imaginaba una máquina que no sólo calculase impecablemente, sino que también fuese capaz de erradicar los errores de transcripción y de composición tipográfica.
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onstruyó en 1822 un modelo experimental que sirviera para encaminarle hacia su objetivo. Bautizó a su calculadora “ingenio de diferencias” porque está basada en un principio matemático conocido por método de diferencias finitas, que permite determinar valores sucesivos de funciones polinómicas utilizando únicamente la operación de adición. La multiplicación y la división, mucho más difíciles de traducir a procesos mecánicos, no son necesarias. Dado que el valor de la función en cada paso se calcula a partir del valor precedente, si el resultado final es correcto podemos tener gran confianza en que todos los valores de la serie lo son. Los ingenios de diferencias de Babbage se valen del sistema de numeración decimal. Cada una de las cifras de un número polidígito se sitúa en una rueda dentada, la rueda de dígitos, que lleva grabados los dígitos decimales. El valor de cada uno está representado por la rotación angular de la rueda asociada. El mecanismo de control del ingenio garantiza que sólo sean válidos ciertos giros correspondientes a valores numéricos enteros, a los que corresponden posiciones definidas de las ruedas numéricas. Babbage se jactaba de que sus máquinas producirían resultados correctos o se bloquearían, pero jamás darían resultados falsos. El esfuerzo más ambicioso por construir un dispositivo de cálculo a plena escala estuvo consagrado al malha-
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2. EL INGENIO DE DIFERENCIAS N. o 2 se construyó cara al público en el Museo de la Ciencia de Londres. Vemos a los dos ingenieros constructores, Barrie Holloway (izquierda) y Reg
Crick (derecha), efectuando ajustes. Babbage proyectó además un mecanismo de impresión para el ingeni o de diferencias, no construido todavía por falta de tiempo y presupuesto.
dado Ingenio de diferencias n.o 1. Sus varias toneladas. El proyecto, finanempeños se hicieron añicos en 1833, ciado por el gobierno británico, resultó tras diez años dedicados al proyecto, también costosísimo. Cuando le fue desarrollo y manufactura de compo- abonada a Clement la última factura, nentes, por no hablar de los enormes en 1834, la inversión ascendía ya a gastos. El proyecto se vino abajo tras 17.470 libras. Por mor de comparación: una disputa con su ingeniero jefe, el coste total de la locomotora de vapor Joseph Clement, sobre el pago por la de John Bull, construida en 1831, fue reubicación del taller mecánico. La de 784 libras. desavenencia no parece que tuviera un Clement llegó a dejar listas unas fundamento técnico, al menos vista 12.000 de las 25.000 piezas necesarias desde fuera. Pero durante todo este para el Ingenio de diferencias n.o 1, tiempo ha habido una pregunta que ha casi todas las cuales serían posteriorpermanecido sin respuesta: las cir- mente achatarradas y fundidas. El cunstancias que rodearon el hundi- gobierno acabó retirándose definitivamiento del proyecto ¿ocultaban la mente del proyecto en 1842, en parte imposibilidad, técnica o lógica, de los a causa de la opinión de George Biddell proyectos de Babbage? Airy, astrónomo real, quien declaró que el ingenio “carecía de valor”. El l Ingenio de diferencias n. o 1 con- fracaso de no poder terminar el ingenio siste en un elemento sumador de diferencias constituyó el trauma básico, repetido muchas veces en un fundamental de la vida científica de montaje que materializa el método de Babbage. diferencias. El tamaño y la complejiLos años de trabajo en el Ingenio de dad del ingenio son monumentales: el diferencias n. o 1 sí produjeron un diseño incluye unas 25.000 piezas; la resultado tangible y notable. En 1832 máquina, montada y en orden de mar- Clement ensambló una pequeña porcha, mediría casi dos metros y medio ción del ingenio, compuesta por unas de alta, más de dos metros de larga y 2000 piezas, que debía servir como casi un metro de profundidad; pesaría pieza de exhibición. Esta porción ter-
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minada del artilugio constituye un excelente ejemplo de la ingeniería mecánica de precisión de aquella época y sigue funcionando a la perfección en el día de hoy.
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a pieza de exhibición constituye la primera calculadora automática conocida. A diferencia de las calculadoras de sobremesa de aquel entonces, el aparato, una vez preparado, no re quería la intervención de un entendido. Quien la manejase podía conseguir resultados exactos sin comprender para nada los principios lógicos o mecánicos utilizados. A pesar de su impresionante capacidad, el ingenio de diferencias sólo podía realizar una tarea fija. La reputación de Babbage como adelantado de la informática descansa en otro dispositivo, mucho más refinado, el Ingenio analítico, concebido en 1834. Pretendía que el Ingenio analítico fuese una máquina computadora universal y programable, de rasgos sorprendentemente parecidos a los ordenadores electrónicos modernos. Disponía de un repertorio de operaciones básicas (adición, sustracción, multiplicación y
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di visión) que podía ejecutar en una secuencia arbitrariamente dada. La organización interna de la máquina presentaba un “almacén” y un “molino” independientes, equivalentes a la memoria y al procesador de un ordenador moderno. La separación de almacén y molino ha sido un factor predominante en el diseño de las computadoras modernas desde mediados de los años cuarenta. El Ingenio analítico se programaba mediante tarjetas perforadas, técnica utilizada con anterioridad en el telar de Jacquard para organizar los moti vos de los tejidos de punto. Era capaz de optar entre diversas líneas de ac tuación según el resultado de un cálculo, lo que le facultaba para ejecutar funciones complejas. Babbage pretendía que la máquina pudiese recibir datos
de hasta 50 dígitos y dar resultados de hasta 100 dígitos; la salida podía ser impresa, perforada en cartulina o representada gráficamente.
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unque los historiadores suelen referirse al Ingenio analítico como si de una máquina tangible se tratara, en realidad consiste en una serie de diseños que no llegaron a construirse y que Babbage fue refinando y perfeccionando en distintos períodos, desde 1834 hasta su fallecimiento en 1871. Desmoralizado por la suerte del In genio de diferencias n.o 1, no emprendió ninguna tentativa seria de construcción de un ingenio analítico a plena escala. Los únicos restos interesantes de sus grandiosos diseños son una pequeña parte experimental del molino, todavía incompleta al morir
Babbage, y otro fragmento construido posteriormente por su hijo, Henry Prevost Babbage. Los trabajos en el Ingenio analíti co indujeron a Babbage a meditar sobre el diseño de mecanismos capaces de realizar automáticamente la multiplicación y la división, regulados todos ellos por un complejo sistema de control. Las soluciones a esos problemas le animaron a proyectar un ingenio de diferencias más elegante, el Ingenio de diferencias n. o 2. Aunque tal máquina habría de calcular con una precisión de 31 cifras, diez más que las proyectadas para el primer modelo, contendría la tercera parte de piezas que éste. Delineó planos detallados para esta segunda máquina entre 1847 y 1849, que ofreció al gobierno británico en 1852, pero no recibió apoyo alguno. Y
Funcionamiento de los ingenios de diferencias
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emos uno de los veinte planos principales del Ingenio de diferencias n.° 2, que Babbage delineó a partir de 1847. La máquina, accionada mediante la manivela de la derecha, provoca, al girar, la rotación de una pila vertical de catorce pares de levas, que determinan la acción y el sincronismo de los ciclos de cálculo. Los números se almacenan en ocho columnas verticales, cada una de las cuales dispone de 31 ruedas portadígitos, que llevan grabados los números de 0 a 9. El menor dígito significativo de cada número es almacenado en la parte baja de la columna; el mayor, en lo más alto. Los valores iniciales necesarios para cada cálculo se introducen desbloqueando las ruedas de dígitos y haciéndolas girar a mano hasta el guarismo adecuado. Por debajo de las ruedas de dígitos se encuentra un sistema de cremalleras y palancas que, accionadas por enlaces con las levas, alzan, bajan y hacen girar los ejes ver
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ticales, efectuando de este modo la adición de diferencias. El Ingenio de diferencias n.° 2 no realiza en secuencia la adición de números de derecha a izquierda, sino que, durante la primera mitad del ciclo, suma los valores almacenados en las columnas impares a los registrados en las pares; después, en el segundo semiciclo, se suman las columnas pares a las impares. Tal técnica reduce el tiempo requerido para el cálculo. Una técnica similar, la técnica de bombeo ( pipelining), es utilizada en los ordenadores electrónicos. El mecanismo de impresión, dibujado a la izquierda, está acoplado a la última columna de ruedas de dígitos, que registran el resultado final del cómputo. Cada vuelta de la manivela produce un nuevo valor de la tabla de diferencias con una precisión de 30 dígitos, y deja automáticamente a la máquina preparada para generar el número siguiente.
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así siguieron las cosas durante casi un siglo y medio. En el curso de diversas visitas a Londres, que comenzaron en 1979, Allan G. Bromley, de la Universidad de Sidney en Australia, examinó los dibu jos y cuad erno s de Babbage en la Biblioteca del Museo de la Ciencia y se convenció de que el Ingenio de diferencias n.o 2 era técnicamente realizable.
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n 1985, poco después de haber sido yo nombrado conservador de computación del Museo de la Ciencia, se presentó Bromley allí con una propuesta de dos páginas pidiendo que se averiguase la causa del fracaso de Babbage en la construcción de sus máquinas. Proponía también que el Museo se esforzase en dejar a punto la máquina en 1991, bicentenario del nacimiento de Babbage. La propuesta de Bromley señaló el comienzo de un proyecto de seis años de duración. Los avatares de nuestro empeño por construir el ingenio de diferencias fueron dignos del mismísimo Babbage. Nos embarcamos en un complejo proyecto de ingeniería que nos condujo a terrenos técnicos desconocidos y nos obligó a afrontar rompecabezas mecánicos, crisis financieras y las intrigas inherentes a toda iniciativa de cierto vuelo. El Ingenio de diferencias n. o 2 era a todas luces el más idóneo para el proyecto. El juego de planos correspondiente se halla intacto, mientras que los planos del Ingenio de diferencias n. o 1 ofrecen lagunas lamentables. Además el diseño del Ingenio de diferencias n.o 2 es más económico. Las limitaciones financieras y de tiempo pesaban en favor de prescindir de la impresora para concentrarnos en el resto del aparato. La impresora está compuesta por unas 4000 piezas y constituye por sí misma un problema de ingeniería no poco ambicioso. La documentación correspondiente al Ingenio de diferencias n.o 2 consiste en 20 planos principales delineados y en varios esbozos. El estudio detallado de los dibujos nos llevó a descubrir varios errores de conce pción en los planos, amén de los detectados por Bromley. Uno de los montajes principales parece ser redundante; faltan en el proyecto, en cambio, otros mecanismos. Por ejemplo, los valores iniciales necesarios para comenzar el cálculo se introducen desbloqueando las columnas y haciendo girar a mano cada una de las ruedas de dígitos recién liberadas hasta las posiciones apropiadas. Babbage no previó ningún medio para bloquear las columnas ya preparadas, por lo que el procedi-
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3. LA SECCION OPERATIVA del Ingenio de diferencias n. o 1, ensamblada por Joseph Clement en 1832, constituye la primera calculadora automática conocida. Su impecable funcionamiento respalda la convicción que Babbage tenía de que la con strucción de un ingenio calculador completo era realizable en la práctica.
miento de puesta en servicio se corrompía por sí mismo.
modo de advertencia. En la segunda parte del ciclo, cada uno de los dispositivos activados se encarga de que un l fallo de diseño más grave atañía brazo giratorio haga avanzar un paso al mecanismo de acarreo, el a la rueda digital de orden siguiente. encargado de “llevar” en las sumas. Pero la configuración del mecanismo Este componente crucial tiene la fun- de arrastre que muestran los dibujos ción de hacer que la rueda de dígitos de Babbage no es viable. El sentido de de orden siguiente (cuyos dígitos indi- giro de las ruedas digitales es incocan números diez veces mayores) rrecto y el mecanismo de advertencia avance una unidad cada vez que la y arrastre no podría funcionar cual fue suma parcial de una rueda es mayor o delineado. El porqué de tales deficienigual que 10. El mecanismo de arras- cias ha suscitado muchas conjeturas. tre sufre su prueba extrema cuando se Examinamos la posibilidad de que se le suma 1 a una hilera de nueves. hubieran introducido errores deliberaBabbage resolvió el problema del damente como medida de seguridad arrastre de forma muy original. frente al espionaje industrial. Lo más Durante la primera mitad del ciclo de ver osímil es que alguno s fal los se cálculo, el ingenio realiza una suma de debieran a omisiones del diseño y o tros 31 dígitos sin arrastrar las unidades fueran errores inevitables de delineade orden superior (los dieces), pero ción y trazado. cada rueda digital que pasa de 10 Ninguno de los problemas que hallaactiva un dispositivo de muelles a mos en el Ingenio de diferencias n. o 2
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ponía en entredicho sus principios lógicos u operativos globales; conseguimos hallar solución para todos. Se suprimieron los mecanismos innecesarios; ideamos los montajes de bloqueo de las ruedas indicadoras y, cuando hizo falta, dedujimos su movimiento de los de piezas vecinas. Bromley resolvió el problema del mecanismo de arrastre invirtiendo los elementos incorrectamente dibujados, como si se reflejasen en un espejo, y alterando adecuadamente su orientación. La introducción de un engranaje reductor 4:1 en el eje motor disipó las dudas que había sobre si el voluminoso Ingenio de diferencias n. o 2 podría accionarse a mano. Esta modificación disminuye por cuatro el esfuerzo requerido para girar la manivela; a cambio, la máquina se torna cuatro veces más lenta.
La traducción práctica de las soluciones halladas planteaba un problema. ¿Podríamos efectuar dichas alteraciones sin desvirtuar la autenticidad histórica del resultado y sin poner en entredicho la misión de demostrar que los ingenios de Babbage eran lógica y prácticamente viables? Resolvimos el problema adoptando métodos de diseño característicos de Babbage y limitándonos estrictamente a los procedimientos técnicos y a los dispositivos de que podía disponer en su tiempo. Las modificaciones a los diseños originales se proyectaron además de suerte tal que cada mecanismo añadido por nosotros pudiera ser retirado sin dificultad. En 1989 construimos un montaje experimental en miniatura para verificar la lógica del elemento sumador básico y confirmar que el mecanismo
Principios matemáticos de los ingenios de diferencias
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os ingenios de diferencias de Babbage reciben tal nombre porque se valen del método de diferencias finitas para hallar el valor de ciertas expresiones matemáticas. Tal método ha sido utilizado al pie con el fin de generar la tabla de cubos (y = x3). Las diferencias primeras se hallan restando los sucesivos pares de cubos. Se aplica después el mismo procedimiento a los pares de diferencias primeras, con lo que se obtienen las diferencias segundas. Repetido una vez más el proceso con las diferencias segundas, resulta que las diferencias terceras son constantes e iguales a 6. Esta información permite generar, invirtiendo el proceso de generación de las diferencias, el resto de la tabla de cubos. Por ejemplo, al sumar 6 a la diferencia segunda (18) se obtiene la nueva diferencia segunda (24); sumada esta cantidad a la diferencia primera (37) resulta la nueva diferencia primera (61); por fin, sumada ésta al último cubo calculado (64), se obtiene el número siguiente de la serie de cubos, a saber, 125 = 5 3. El procedimiento puede ser repetido indefinidamente y generar así tantos términos como se quiera por mera adición reiterada. El método de las diferencias finitas es igualmente aplicable a las funciones matemáticas denominadas polinomios, cuya expresión general es y = a nxn + an-1xn-1 + ... + a 1x + a0. La diferencia n-ésima de un polinomio de grado n será siempre una constante, la cual sirve de base para el cálculo de valores por el método de diferencias. Son muchas las relaciones de la física y la ingeniería representadas mediante polinomios, que sirven además para aproximar funciones más complicadas, como las funciones trigonométricas y logarítmicas. En los ingenios de diferencias de Babbage, cada columna de ruedas de dígitos representa la posición de un número polidígito de la tabla. El Ingenio de diferencias n.° 2 es capaz de tabular polinomios de grado 7 con una precisión de 31 dígitos, logro admirable incluso con criterios modernos.
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de arrastre operaba bien. El artilugio suma dos números de dos cifras y tiene en cuenta los arrastres de unidades a decenas y de decenas a centenas. El dispositivo, finamente terminado, supuso un gran paso para convencer a patrocinadores y colegas de que nuestro proyecto no sólo comportaba una cuestión histórica sin resolver, sino que, además, constituía una obra de arte ingenieril. El mecanismo experimental resultó más tarde ser de inapreciable ayuda para mostrar el funcionamiento de la máquina y para ensayar las primeras muestras de las piezas. La construcción del Ingenio de diferencias n.o 2 y la estimación del costo de fabricación requerían planos a escala natural de todas sus piezas. A finales de 1989 contratamos con una empresa de ingeniería la preparación de un juego de planos a partir de los originales de Babbage. Era preciso suministrar además la información no disponible en los originales: dimensiones precisas, elección de materiales, tolerancias, métodos de fabricación y otras muchas cuestiones de detalle.
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as dimensiones de cada una de las piezas se obtuvieron por medición sobre los planos originales, tras de terminar la escala. La empresa de ingeniería produjo 50 nuevos planos que especificaban cada una de las 4000 piezas del ingenio. Los montajes mecánicos que han sobrevivido muestran que Babbage construía sus piezas en bronce, hierro fundido y acero. Bromley y Michael Wright, del Museo de la Ciencia, asesoraron sobre los materiales a utilizar para cada pieza. Nuestros colegas del Colegio Imperial de Ciencia y Tecnología analizaron la composición de los elementos del Ingenio de diferencias n.o 1 para que nos sirviera de guía en la selección de bronces modernos adecuados. No se hizo ningún intento de utilizar maquinaria de época para la construcción de las piezas. Los 4000 componentes del ingenio suponen sólo unos mil tipos de piezas diferentes, por lo que hay mucha repetición. Nos servimos sin pudor de las técnicas de manufactura modernas para producir todas las piezas idénticas. También procedimos a soldar piezas que Babbage hubiera tenido que forjar. De lo que sí nos aseguramos es de que él hubiera podido producir componentes de la misma precisión, aunque seguramente por otros medios. La especificación de la precisión con que habrían de construirse las piezas resultó menos problemática de lo que temíamos al principio. Bromley y
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4. PARA LA CONSTRUCCION del Ingenio de diferencias n. o 2 fue preciso resolver ciertos problemas de ingeniería. Los técnicos del Museo de la Ciencia construyeron en 1989 parte del mecanismo de cómputo (a la izquierda) con el fin de comprobar
el correcto diseño del elemento sumador básico. Construyeron asimismo 210 complicadas palancas de bronce (a la derecha, sobre el plano que detalla su construcción) necesarias para el mecanismo de acarreo.
Wright midieron piezas tomadas del ajuste y montaje comenzaron en Ingenio de diferencias n.o 1; compro- noviembre de 1990 y quedaron conbaron que Clement conseguía que las cluidas en mayo del año siguiente. El piezas repetidas coincidieran con un ingenio se convirtió en la pieza cenmargen de 35 a 50 milésimas de milí- tral de la exposición que, dedicada a metro, en contradicción con el habitual Babbage, se abrió al público el 27 de prejuicio de que la ingeniería mecá- junio de 1991. Incluso entonces nos nica de mediados del siglo pasado no tuvo con el alma en vilo. El Ingenio alcanzaba la precisión suficiente para de diferencias n. o 2, con sus tres toneconstruir los artilugios de Babbage. ladas de peso, no había realizado aún Adoptamos las normas de la ingeniería ni un solo cómputo completo; se blomoderna, sabiendo que no superaban queaba sin cuento. Pusimos a punto los límites de lo que los artesanos del técnicas de depuración para localizar siglo XIX podían conseguir. El proceso la fuente de los atascos y continuade preparación de los 50 planos mecá- mos trabajando en la máquina nicos nuevos requirió unos seis durante la exposición. En noviembre meses. de 1991, un mes antes de cumplirse Estábamos decididos a firmar un el bicentenario del nacimiento de contrato de construcción y montaje a Babbage, la máquina completó por precio fijo, para no repetir la triste primera vez un cálculo a plena escala. historia de Babbage y echar dinero en Produjo los 100 primeros valores de un saco sin fondo. El Museo de la la tabla de potencias de 7 y ha funcioCiencia y la compañía especializada nado sin el menor fallo desde entonllegaron a un acuerdo; pero en junio de ces. El ingenio acabó costando menos 1990, a punto de firmarse el contrato de 300.000 libras (unos 50 millones definitivo, la compañía quebró. A de pesetas). menos que lográsemos concretar los os historiadores de la técnica han pedidos a nuestros proveedores antes de que terminase la jornada comercial debatido si las estrictas normas de del día siguiente incurriríamos en precisión exigidas por Babbage resulpenalización por demora y tendríamos taban necesarias. Se ha señalado que que embarcarnos en otra ronda de se construyeron ingenios mucho más negociaciones, que comprometería burdos, que dieron buenos resultados. nuestra meta de tener concluido el Georg y Edvard Scheutz, padre e hijo, proyecto a tiempo para el bicentenario inspirados por una descripción del trade Babbage. A mediodía del día 8, bajo de Babbage, construyeron tres Crick y Holloway eran ya empleados ingenios de diferencias, de diseño prodel Museo. Nos pasamos ese día sus- pio en su mayor parte. El primero de cribiendo frenéticamente pedidos de los tres, terminado en 1843, tenía un piezas y esbozando contratos. bastidor de madera y en su construcCumplimos por minutos. ción utilizaron sencillas herramientas El Ingenio de diferencias n. o 2 se de mano y un torno rudimentario. A construyó a la vista del público en el pesar de su tosquedad, la máquina de Museo de la Ciencia. Las tareas de los Scheutz funcionó satisfactoria-
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mente ante la Real Academia de Ciencias de Suecia. Pero los ingenios de diferencias de Babbage eran mayores y más refinados. La experiencia que nosotros adquirimos mientras construíamos el Ingenio de diferencias n. o 2 subraya la importancia de la adopción de estrictas normas de calidad. Esperábamos que las piezas repetidas, construidas con máquinas herramientas computarizadas, serían lo bastante idénticas como para que fuesen intercambiables. Sin embargo, resultó necesario el retoque fino de los componentes hasta las centésimas de milímetro, sobre todo para que el mecanismo de acarreo funcionase. La insistencia de Babbage en que las piezas fuesen de la máxima precisión se fundaba en sólidos principios de ingeniería.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA CHARLES BABBAGE: PIONEER OF THE COMPUTER.
Anthony Hyman. Princeton University Press, 1982. D IFERENCE AND A NALYTICAL ENGINES. Allan G. Bromley en Computing before Computers . Dirigido por William Aspray. Iowa State University Press, 1990. GLORY AND FAILURE: THE DIFFERENCE ENGINES OF JOHANN MÜLLER, CHARLES BABBAGE AND GEORG AND EDVARD SCHEUTZ.
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A MODERN DIFFERENCE ENGINE: SOFTWARE SIMULATORS FOR CHARLES BABBAGE’S DIFFERENCE ENGINE No. 2. James Donne-
lly. Armstrong Publishing Company, 1992.
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El computador del Dr. Atanasoff Allan R. Mackintosh La paternidad del ordenador electrónico digital se ha atribuido erróneamente durante mucho tiempo. Tal honor corresponde al físico John V. Atanasoff, otrora olvidado
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a historia hizo justicia por fin a John V. Atanasoff. Tras decenios de oscuro anonimato, este profesor jubilado de física comenzó a recibir a los 84 años el reconocimiento de las ciencias del cómputo por algo que realizó casi medio siglo antes: la invención de la primera computadora digital electrónica. Hasta hace poco los textos de historia de la informática atribuían a otros ese logro. En tales relatos se afirma que los ordenadores actuales tuvieron sus orígenes en el decenio de 1930 y en los primeros años cuarenta, época en que abundaron los intentos independientes y enfrentados para automatizar, acelerar y, en general, eliminar el fastidio y la monotonía de los procesos de cálculo largos. Así, por ejemplo, Vannebar Bush, del Instituto de Tecnología de Massachusetts, acabó en 1932 una computadora mecánica que efectuaba cálculos por medio de engranajes y ejes giratorios. El alemán Konrad Zuse, George R. Stibitz, de los Laboratorios Bell Telephone, y Howard H. Aiken, de la Universidad de Harvard (este último con la colaboración de la International Business Machines Corporation, IBM) desarrollaron, hacia finales de los años treinta y cada uno por su parte, ordenadores “electromecánicos”, en los que se utilizaban relés para la representación de los números. Las posiciones “cerrado” y “abierto” de los contactos del relé representaban los dígitos 0 y 1 del
ALLAN R. MACKINTOSH es profesor de física experimental del estado sólido de la Universidad de Copenhague y dirige NORDITA , instituto escandinavo dedicado al estudio de la física teórica. Empezó a interesarse por la historia d e Atanasoff en 1983, durante una visita a la Universidad estatal de Iowa; desde entonces ha estudiado a fondo las primeras etapas históricas de los ordenadores electrónicos.
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sistema de numeración binaria, cuya base es 2. (A diferencia del sistema de numeración normal, de base 10 y que para expresar los números se vale de los dígitos 0 al 9, en el sistema binario los números se representan mediante combinaciones de ceros y unos.) En esos mismos textos se afirma luego que las primeras computadoras electrónicas se inventaron a mediados de los años cuarenta. A diferencia de sus predecesoras mecánicas o electromecánicas, las computadoras electrónicas operan con dispositivos electrónicos fundamentalmente: válvulas termoiónicas, transistores y, en nuestros días, microcircuitos; son los electrones y no las piezas del ordenador los que realizan casi todos los movimientos. Suele considerarse que la primera de esas máquinas fue Colossus, construida por los matemáticos Alan M. Turing y M. A. H. Newman y sus colegas del Bletchey ResearchEstablishment, en Inglaterra. Colossus entró en servicio hacia 1943 y contribuyó a descifrar el código “Enigma” de los alemanes, lo que pesó decisivamente en el curso de la SegundaGuerra Mundial. El Electronic Numerical Integrator and Computer, ENIAC, se considera el segundo ingenio. Fue construido po r John W. Mauchly y J. Presper Eckert y sus colaboradores de la Universidad de Pennsylvania y entró en servicio hacia 1945. En realidad, entre 1937 y 1942, bastante antes de concebirse ninguna de las impresionantes e importantes máquinas mencionadas, Atanasoff había diseñado y fabricado dos ordenadores electrónicos menores. El primero fue prototipo de otro mayor que ha dado en denominarse AtanasoffBerry Computer o, brevemente, ABC. Berry era Clifford E. Berry, discípulo de Atanasoff e íntimo colaborador suyo desde 1939 hasta 1942. El tardío reconocimiento del logro de Atanasoff no es fruto de una investigación académica, sino el resultado
incidental de un litigio jurídico que dio comienzo en 1967 entre la Sperry Rand Corporation y Honeywell, Inc. Sperry había comprado la patente del ENIAC y cobraba derechos de licencia a otros fabricantes de ordenadores electrónicos. Honeywell se negó a pagar y Sperry la demandó; por su parte Honeywell demandó a Sperry por violación de la legislación antimonopolio y por tratar de imponer una patente inválida.
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oneywell sostenía que la patente no era válida porque, al preparar el contencioso contra Sperry, sus abogados habían tropezado con una mención a Atanasoff. Cuando le localizaron, Atanasoff, que no había participado en la construcción del ENIAC ni conocía su funcionamiento en detalle, comparó la máquina con la suya propia. Se percató de que ciertas partes de la patente del ENIAC (que cubrían esencialmente todos los aspectos de la computación electrónica) se deducían del ABC y de la información que había compartido con Mauchly a principios de los años cuarenta. El testimonio de Atanasoff hizo mella en el juez Earl R. Larson, de la Audiencia Territorial de Minneapolis, quien sentenció el 19 de octubre de 1973 que la patente del ENIAC era inválida. Según los considerandos de la sentencia, “Mauchly y Eckert no in ventaron por sí mismos el ordenador digital electrónico automático, sino que obtuvieron la materia objeto de litigio de un tal Dr. John Vincent Atanasoff”. Tanto durante la vista como posteriormente Mauchly se negó a admitir que hubiera aprendido nada importante de Atanasoff. La viuda de Mauchly, Eckert y otras personas siguen compartiendo esa opinión pero, a mi juicio, los testimonios prestados durante la vista contradicen lo sostenido por Mauchly. La decisión de Larson, que Sperry aceptó sin apelar, no trajo fama inme-
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diata a Atanasoff, debido en parte a de Atanasoff en el ABC y lo describieron que los medios de información norte- —junto con el juicio sobre la patente— americanos se encontraban a la sazón en un artículo que tuvo mucha reperinmersos en el escándalo del Watergate, cusión. Posteriormente escribieron un que obligaría a dimitir al presidente libro sobre el asunto. Richard M. Nixon. El reconocimiento La senda que lleva hasta el ordenade la importancia de las contribucio- dor Atanasoff-Berry se inició cuando nes realizadas por Atanasoff se fue Atanasoff preparaba el doctorado en difundiendo lentamente por la comu- física teórica por la Universidad de nidad científica y hoy ya se acepta que Wisconsin, en Madison, a finales de los Atanasoff fue el primero que diseñó y años veinte. Su tesis sobre la estrucconstruyó un ordenador electrónico tura electrónica del helio requería digital. Ese reconocimiento se debe en laboriosos cálculos, que duraban semabuena medida a los esfuerzos de Arthur nas con una de las calculadoras de W. Burks, quien participó en el de- sobremesa de la época, lo que le hizo sarrollo del ENIAC, y de su esposa Alice. soñar con un método de cómputo más Ambos investigaron a fondo el trabajo automatizado. Continuó dándole vuel-
1. COMPUTADORA ABC (Atanasoff-Berry Computer), construida entre 1937 y 1942 por Atanasoff, a la sazón profesor de física del Colegio estatal de Iowa (que pasó luego a ser universidad), con ayuda de su alumno Clifford E. Berry. ABC no fue el primer ordenador digital; le precedieron varias máquinas que manipulaban números directamente en lugar de representarlos mediante magnitudes físicas. Sí fue, sin embargo, el primero que utilizó
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tas a la idea después de doctorarse en 1930 y de comenzar su actividad docente en el Colegio estatal de Iowa (que sería el embrión de una futura universidad).
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tanasoff siguió reflexionando varios años sobre el modo de lograr tal automatismo. Al acabar 1937 tenía ya establecidos algunos principios generales. Por ejemplo, había determinado que la función de memoria, esto es, el almacenamiento de datos, tenía que ser independiente de la función de cálculo y que el método de cómputo habría de ser digital y no analógico; la máquina debería expresar los núme-
la electrónica (en forma de válvulas termoiónicas) para hacerlo funcionar y abordar operaciones aritméticas; abajo, a la derecha, se distinguen algunas de esas válvulas. Presentaba otra novedad: los elementos de cómputo estaban separados de los elementos de memoria. Estos se realizaban mediante condensadores montados en los grandes tambores de la parte trasera. Las bandejas situadas a la izquierda son lectoras de tarjetas perforadas.
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era que los condensadores tienden a descargarse solos. En su situación relajada, Atanasoff dio con la idea de regenerar la memoria, proceso al que llamó “jogging” (“refresco”). Habría que regenerar la carga del condensador, de tal modo que si se encontraba, pongamos por caso, en estado 1, permaneciera así, sin alterarse con el tiempo ni degradarse a 0. Tras llegar a esas conclusiones, rememoró Atanasoff, “avanzada la noche volví al automóvil y regresé a casa con más calma”. Los ordenadores modernos siguen manipulando dígitos binarios almacenados electrónicamente de acuerdo con las reglas de la lógica y separan las funciones de cómputo y de memoria (regenerativa); vale la pena, pues, examinar con más detalle aquellas primeras decisiones de Atanasoff. ¿Por qué, por ejemplo, es preferible para la computación una máquina digital a otra de tipo analógico?
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e valorará mejor la finura intelectual de Atanasoff en este punto si se compara el ABC con el analizador 2. ATANASOFF durante la celebración de su octogésimo aniversario, en 1983, en la Universidad estatal de Iowa. En primer plano aparece un tambor de memoria del diferencial de Bush, la computadora ABC, el único componente importante de su máquina que ha sobrevivido. Cada anillo científica más avanzada de aquella de condensadores del tambor almacenaba un número de hasta 50 dígitos binarios, época. De naturaleza esencialmente corrientemente llamados bits. El tambor almacenaba 1500 bits. mecánica, el analizador era además una computadora analógica; en ella, ros con dígitos y no por analogía con todo estaba en orden, el lugar era tran- los resultados quedaban representauna magnitud física, como la distancia quilo y agradable; sospecho que tal vez dos por la rotación de un eje. Los ordenadores analógicos tienen sobre la corredera de una regla de había tomado un par de copas. cálculo. Atanasoff tanteó también la Entonces me di cuenta de que fluían muchas aplicaciones, pero como proceidea de calcular en bases de numera- los pensamientos y de que disponía de den por medición de magnitudes y no por operaciones sobre números, se proción distintas de 10. Sin embargo, y algunos resultados positivos.” según sus propias palabras, las ideas ¡Y tan positivos! Para realizar las duce una pérdida de precisión inevitano parecían “cuajar” ni veía ninguna funciones de control y de cálculo arit- ble. A la computadora digital de salida. Por fin una noche de aquel som- mético de su computadora Atanasoff Atanasoff no le resultaba difícil consebrío invierno Atanasoff realizó varios decidió utilizar conmutadores electró- guir una precisión mil veces mayor que avances decisivos. nicos (dispositivos electrónicos que la posible con el analizador diferencial. La velada no había empezado muy dirigen el flujo de las señales eléctri- Y también era fácil aumentarla más prometedora, sino todo lo contrario. cas) en vez de mecánicos. En este todavía, añadiendo dígitos, si se reque Atanasoff se sentía tan frustrado que punto fue un auténtico pionero. Nin- ría. En el caso de las computadoras abandonó el laboratorio, se subió al guna de las máquinas concebidas analógicas el aumento de precisión es coche y se puso a conducir a gran veloci- hasta entonces para resolver proble- difícil y superlativamente caro. dad, saliendo de la ciudad hacia el este. mas matemáticos complejos se había Pensemos, por ejemplo, que para incrementar la precisión de una regla Trató de concentrarse en la carretera basado en elementos electrónicos. para distraerse de las preocupaciones. También decidió que su máquina de cálculo en un factor de 10 sería Horas después se encontraba a unos digital manipularía números binarios preciso aumentar su longitud en la 300 kilómetros, en el estado de Illinois, y que operaría con ellos según las misma proporción. La computación digital de nuestros y se detuvo en un establecimiento muy reglas de la lógica y no por recuento iluminado a tomar una copa. directo (véase la figura 5 ). Esa misma días se funda en el sistema binario. Es “Hacía un frío espantoso. Me quité tarde Atanasoff resolvió un problema evidente que no fue Atanasoff el único el abrigo”, rememoró en su testimonio específico relativo al almacenamiento en pensar así, pues las computadoras ju dic ial. “Llevaba un ab rig o muy de números en base 2. Había conside- electromecánicas solían ser binarias, pesado; lo colgué, me senté y pedí una rado ya antes la posibilidad de utilizar pero sí fue el primero en atinar con un bebida; mientras me la preparaban me condensadores, que son dispositivos medio electrónico de manipulación de di cuenta de que ya no estaba tan ner- capaces de almacenar carga, para de- los dígitos binarios. ¿Qué aspecto tiene vioso y volví a pensar en las máquinas sempeñar el papel de memoria del un número escrito en base 2? En base de cómputo.” ordenador. Por ejemplo, una carga 10, cada dígito del número representa, “Ahora bien, sin saber por qué, mi positiva en uno de los bornes del con- de derecha a izquierda, cierto número mente empezó a funcionar entonces, densador representaría el número 1 y de unidades, decenas, centenas, millacuando no había querido hacerlo antes; la ausencia de carga el 0. El problema res, etcétera. Así, la cifra 237 repre-
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senta en realidad 2 veces 102, más 3 Decidió construir la caja negra que podría encargárseles que sumasen veces 10 1, más 7 veces 100 (cualquier valiéndose de válvulas termoiónicas. o restasen repetidamente los diversos número, elevado a potencia 0 es igual Las válvulas recibirían señales proce- dígitos de dos números cualesquiera a 1). En base 2, cada dígito binario dentes de los condensadores de las almacenados en los ábacos. En nues(brevemente, bit) representa cierto memorias, a las que bautizó con los tros días, los circuitos lógicos están número de unos, doses (2 1), cuatros nombre de ábaco de teclado y ábaco empaquetados en pastillas diminutas (22), ochos (23) y así sucesivamente. Por contador, por analogía, respectiva- (“chips”), muchísimo más céleres que consiguiente, el número denario 237 se mente, con las teclas y el carro móvil las válvulas termoiónicas; pero realirepresentaría en base 2 como 11101101; —el contador— de las calculadoras zan, en esencia, las mismas funciones contando de izquierda a derecha, el mecánicas de sobremesa utilizadas en que les asignó Atanasoff. número “contiene” sendas uni dades de aquella época. Las válvulas recibirían ¿Qué ha sido de su otra gran decisión, 27 (128 en el sistema denario), de 26 asimismo señales procedentes de otros a saber, la de separar las funciones de (64), 25 (32), 23 (8), 22 (4) y 20 (1) y condensadores que almacenarían los memoria y de procesamiento? También ninguna unidad de 24 ni de 21. dígitos de arrastre (los que se “llevan” ese legado pervive. Los ordenadores Como es natural, el sistema de base al ir sumando o restando). “Tras haber modernos, como pueda ser un microor2 resultaría poco práctico para un uso sido instruido por una persona pro- denador de sobremesa, poseen tres elecotidiano. Mas por hallarse represen- vista de un soldador”, el circuito lógico mentos distintos: el sistema de entrada/ tados todos los números mediante 0 y procedería a elaborar la respuesta salida, que comprende el teclado, la 1, ofrece la decisiva ventaja de permi- correcta y a reemplazar el contenido pantalla de visualización y la impretir a los programadores la representa- del contador con el resultado. La ope- sora (Atanasoff optó por que la entrada ción de cualquier número mediante ración de las válvulas electrónicas y la salida se efectuasen mediante taruna serie de elementos que se encuen- sobre la información sería tan rápida jetas perforadas, utilizadas ya en las tren en uno de dos estados o modos: estados de carga o descarga de los condensadores de Atanasoff, o las magnetizaciones hacia “arriba” o hacia “abajo” de un disco magnético. Tras considerar diversas alternati vas (válvulas termoiónicas y materiales ferromagnéticos, que permiten modificar las orientaciones de diminutos imanes elementales mediante campos magnéticos), Atanasoff decidió almacenar los dígitos binarios en condensadores. Optó por ellos por razones económicas, al ser bastante baratos, y porque podrían enviar sus señales a la unidad de cómputo sin necesidad de amplificación. Tanto esta decisión como la solución que dio a la recarga de los dispositivos de memoria siguen aplicándose en la computación contemporánea. En nuestros días los condensadores son parte crucial de los microcircuitos que componen las memorias dinámicas de los ordenadores modernos y el “refresco” ideado por Atanasoff revi ste vital importancia para su funcionamiento.
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l descubrimiento de un método para conservar los datos en condensadores resultó decisivo, pero quizá el máximo logro de Atanasoff fuese el desarrollo de un complejo conmutador electrónico: el circuito lógico. Hallándose en el hostal de Illinois imaginó dos unidades de memoria, dos ábacos, como los llamó. Concibió entonces (son sus palabras) una “caja negra” —el circuito lógico— en la que penetrarían los números alojados en la memoria; basándose en reglas lógicas materializadas en el montaje, la caja negra produciría los resultados correctos de una adición o de una sustracción de los números y los presentaría por los terminales de salida.
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3. PROTOTIPO DEL ABC, construido en 1939 para poner a prueba dos ideas fundamentales. Atanasoff proyectaba recargar, es decir, regenerar, constantemente los condensadores de memoria, para que no perdieran su carga de modo impredecible. También planeó realizar los cálculos por medio de circuitos lógicos, esto es, sistemas de válvulas termoiónicas capaces de sumar o restar números binarios según reglas lógicas y no por recuento. El prototipo constituyó un éxito. Una vuelta del disco de memoria (rueda rosa), cuyos condensadores almacenaban por cada lado un número binario de 25 dígitos, determinaba que el único circuito lógico sumase o restase el número almacenado en una de las caras del disco al número de la otra cara. Mient ras el circuito calculaba (almacenando o recobrando en el proceso los dígitos de arrastre positivo o negativo de un condensador encargado del arrastre o acarreo), el circuito regenerador refrescaba la memoria.
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calculadoras de su tiempo); en segundo lugar, la unidad central de proceso, que realiza las operaciones de control y el proceso de los datos; y por último la memoria, que consta de componentes internos y externos (unidades de disco, por ejemplo).
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tanasoff estaba convencido de haber hallado los principios correctos de la computación electrónica, pero sabía perfectamente que llevarlos a la práctica exigiría un gran esfuerzo. En ese empeño le ayudó Berry, cuya obsesión por el tema no era inferior a la del propio Atanasoff. Este recordaría luego que, aun estando ambos muy ocupados, ni una sola vez les faltó tiempo para la computadora: “Teníamos el corazón puesto por completo en esa aventura”, dijo.
Comenzaron por construir un prototipo en miniatura para poner a prueba los elementos esenciales de la concepción de Atanasoff: los circuitos de lógica electrónica y la memoria binaria regenerativa. Se dieron prisa en la tarea. El prototipo se encontraba listo en octubre de 1939. Portaba dos ábacos de memoria, montados en las dos caras de un disco de plástico (baquelita). Cada ábaco constaba de 25 condensadores; tenía, por consiguiente, capacidad para albergar un número binario de 25 cifras, el equivalente de un número decimal de ocho. Atanasoff y Berry introducían los números binarios en los ábacos cargando a mano los condensadores que representaban el número 1 y dejando sin cargar los correspondientes al 0. Al pulsar un
4. COMPONENTES DEL ABC, diseñado para que la máquina resolviera sistemas de 29 ecuaciones lineales, cada una con 29 incógnitas, de x1 a x29. Tales ecuaciones pueden resolverse sumando (o restando) repetidamente una ecuación de otra, hasta que se elimina una de las incógnitas. Se repite el proceso hasta obtener la solución, esto es, los valores de todas las incógnitas. Para llevar a cabo tales operaciones, el ABC leía los coeficientes de las incógnitas (como el 2 del término 2 x1) en tarjetas previamente perforadas, las traducía a base 2 y cargaba los coeficientes de una ecuación en el tambor “teclado” de
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interruptor, el disco daba una vuelta y el circuito de lógica electrónica, dotado de ocho válvulas termoiónicas, leía los números de los ábacos. Con ayuda de un condensador que alojaba los dígitos de acarreo, el circuito procedía a sumar los números y depositaba la suma en el ábaco designado como contador, donde se leía manualmente. Al propio tiempo, un circuito de regeneración refrescaba el número del ábaco teclado. El prototipo no era una computadora impresionante, claro está; el viejo sistema de lápiz y papel corría más. Pero venía a ser ya, comparado con la actual computación electrónica, lo que el aeroplano de los hermanos Wright a la aeronáutica de nuestros días. Al poner de manifiesto la viabilidad de los principios ideados por Atanasoff, el
la memoria, mientras que los coeficientes de la otra se cargaban en el tambor “contador” . En cada rotación de los tambores, los circuitos lógicos (a razón de siete válvul as por circuito) sumaban o restaban un par de coeficientes y situaban el resultado en el contador. Al mismo tiempo, los circuit os de regeneración de la memoria recargaban los condensadores del tambor teclado. Cuando el ABC eliminaba una variable designada, la máquina almacenaba los números restantes de la ecuación en tarjetas perforadas, para utilizarlos posteriormente. (Los dibujos del artículo son obra de George Retseck.)
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prototipo inició el camino que conduce al ordenador moderno. Lo tenía ya todo para construir el ABC , cosa que ocurrió entre 1939 y 1942. La máquina fue proyectada para realizar a gran escala una tarea computacional específica, muy frecuente en ingeniería y en física: la resolución de sistemas de ecuaciones lineales. Ejemplo de tales ecuaciones es el par 2 x + 5 y = 9 y x + 2 y = 4, siendo x e y las incógnitas. Llamemos a a la primera ecuación y b a la segunda. Como sin duda recordarán quienes hayan estudiado los principios elementales del álgebra, los sistemas de ecuaciones pueden resolverse por un método sistemático llamado reducción escalonada por filas, o método de reducción de Gauss, que viene a consistir en sumar o restar dos ecuaciones hasta que se anula el coeficiente de una de las incógnitas y, por consiguiente, ésta desaparece. En el ejemplo que nos ocupa, al restar por dos veces sucesivas a de b, el coeficiente 2 del término 2 x se reduce a 0, quedando así la ecuación y = 1. Al sustituir y por 1 en la ecuación a de partida resulta x = 2. Fijémonos en que el proceso de restar por dos veces b de a equivale al de multiplicar b por 2 y restarla de a una vez; después de todo, la multiplicación no es más que una repetición de sumas.
Se trata de un método directo y sencillo, pero que requiere una gran cantidad de cálculos aritméticos. Atanasoff estimó, muy sensatamente, que la resolución de un sistema de 29 ecuaciones con 29 incógnitas con una de las clásicas calculadoras de sobremesa llevaría unas diez semanas de penoso afán, capaz de aturdir a la mente más despierta; consideraba, en cambio, que su ingenio realizaría la tarea en una semana o dos. Al objeto de llevar a la práctica su propósito de resolver sistemas de muchas ecuaciones, situó los ábacos teclado y contador sobre grandes tambores, en lugar de sobre un disco. Cada tambor contenía 30 números binarios, especificados cada uno con precisión de hasta 50 dígitos. La máquina ABC efectuaba la eliminación de Gauss correspondiente a dos ecuaciones cada vez. Los coeficientes de las mismas, previamente perforados en tarjetas en notación decimal, se pasaban a base 2 mediante un tambor especialmente diseñado al efecto y se almacenaban en la memoria. En el tambor contador se guardaban los coeficientes de una de las ecuaciones y en el tambor teclado los coeficientes de la otra. En cada revolución completa de los tambores, que tardaba un segundo, los circuitos lógicos efectuaban una adición o una sustracción de los dos con juntos de coeficientes. En particular, or supuesto que Atanasoff tenía uno de los circuitos lógicos, que conspuestas sus miras en un problema taba ahora de siete válvulas, sumaba o más complejo: pretendía resolver un restaba el coeficiente de x1, pongamos sistema de n ecuaciones con n incógni- por caso, depositando la suma o la difetas; en concreto, de 29 ecuaciones con rencia en el contador. Al propio tiempo, 29 incógnitas, x1 a x29. La solución de los otros circuitos procesaban igualtales sistemas obedece al mismo mente los otros pares de coeficientes. esquema que el ejemplo anterior: se (Esta tarea, mediante la cual se realitoman dos ecuaciones (sean, por ejem- zan simultánea y paralelamente cierto plo, 2 x1 + 5 x2 – 3 x3 + 7 x4 + ... + 6 x29 = número de operaciones idénticas, se 9 y x1 + 2 x2 + 4 x3 – 2 x4 + ... + 8 x29 = 4) conoce por operación vectorial; los ordey se le resta a una de ellas un múltiplo nadores que las realizan se denominan de la otra hasta que se elimine una de procesadores vectoriales.) A la par, las incógnitas. Para eliminar x1, pon- otros circuitos repasaban el ábaco gamos por caso, habría que multiplicar teclado y refrescaban la memoria. la segunda ecuación por 2 y restarla Posteriormente, una vez realizadas de la primera, con lo que se obtendría múltiples adiciones y sustracciones y la ecuación x2 – 11 x3 + 11 x4 + ... – 10 x29 eliminado un coeficiente determinado, = 1, llamada la eliminante. la ABC perforaba en notación binaria Repitiendo el proceso con pare s de el conjunto de coeficientes restantes ecuaciones diferentes se generan 28 (la eliminante) sobre tarjetas, que se ecuaciones de las que se ha eliminado guardaban hasta su requerimiento en la incógnita x1. La iteración del proce- una etapa posterior, en la que una dimiento con estas 28 ecuaciones per- lectora de tarjetas binarias transfería mite obtener otras 27 ecuaciones des- a la memoria la información que conprovistas de las incógnitas x1 y x2; se tenían. Calculadas todas las incógniprosigue así hasta dejar solamente tas en forma binaria, la lectora de taruna ecuación con una incógnita. je ta s de ci ma le s fu nc io na ba a la Llegados a este punto se rehace el inversa, al objeto de traducir los datos camino en sentido inverso por la serie binarios en números ordinarios. de ecuaciones hasta determinar el El sistema de entrada y salida valor de todas las incógnitas. mediante tarjetas perforadas funcionó
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correctamente en los primeros ensayos; sin embargo, al incorporarlo al ABC producía un error cada diez mil operaciones de perforación o de lectura aproximadamente. Así no podrían manejarse satisfactoriamente grandes sistemas de ecuaciones (es decir, sin tener que efectuar amplias comprobaciones y repeticiones de los cálculos), si bien los sistemas pequeños podrían resolverse sin dificultad. Atanasoff y Berry estaban tratando de resolver ese problema relativamente sencillo cuando la Segunda Guerra Mundial les obligó a abandonar los trabajos sobre el ordenador. Berry pasó a ocupar un puesto que retrasaba su incorporación a filas y Atanasoff fue destinado al Naval Ordnance La boratory, de la Marina de los Estados Unidos. Suele tomarse por incompleta la computadora que hubieron de abandonar. Más exacto sería definirla como un ordenador capaz de funcionar, aunque falible, cuya sección de computación electrónica —los circuitos lógicos— constituyó un gran éxito. Habida cuenta de la celeridad con que se proyectó y construyó el ABC, puede aventurarse que el problema surgido en el sistema de tarjetas binarias se habría solventado rápidamente. Es más, podría haber funcionado con un sistema de entrada/salida desarrollado muchos años antes por IBM y que luego se incorporó al ENIAC. Además, de haber tenido ocasión de exhibir la potencia del ordenador, Atanasoff habría recibido el apoyo económico necesario para rematar el proyecto. Si él y Berry hubieran tenido la posibilidad de continuar su proyecto, a buen seguro el ABC hubiera estado en pleno servicio en 1943. Pero sufrió, por contra, la suerte de casi todos los equipos envejecidos: víctima del canibalismo, sus piezas se aprovecharon para otros fines y terminó desguazado sin enterarse Atanasoff.
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i el ABC permaneció durante tanto tiempo en el olvido, ¿cómo han influido las ideas de Atanasoff en las ciencias de cómputo modernas? La respuesta apunta hacia Mauchly y tiene que ver también con la introducción de las innovaciones de Atanasoff en el ENIAC. El ENIAC difería considerablemente de la computadora ABC. Fue el primer ordenador electrónico de aplicación general, mientras que el ABC se había diseñado como máquina especializada en una sola tarea. (El ENIAC podía programarse para abordar problemas distintos modificando en debida forma las interconexiones de un panel de control.) La máquina de Mauchly y Eckert era mucho mayor
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SALIDA EN CONTADOR
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(=30)
ACARREO A LA COLUMNA SIGUIENTE
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que la de Atanasoff; utilizaba millares de válvulas, no sólo unos pocos centenares, y era mucho más rápida, pues su memoria, que también era electrónica, no dependía de tambores giratorios. Además el ENIAC calculaba por recuento directo y no por medios lógicos; cálculos que efectuaba en base 10. Sin embargo salta a la vista que Mauchly y Eckert incorporaron al ENIAC los elementos básicos de la computación electrónica digital ideados por Atanasoff y que hicieron lo mismo en una computadora posterior, la EDVAC. Lo más obvio es que la ENIAC y la EDVAC se valían de conmutación electrónica para gobernar el funcionamiento de la computadora; la EDVAC, por su parte, utilizaba también circuitos lógicos para realizar las operaciones aritméticas, que se efectuaban en base 2; asimismo recurría a la memoria regenerativa. Mauchly recibió también de Atanasoff la idea de que la electrónica digital posibilitaría la construcción de una máquina que efectuase cálculos con mayor velocidad y precisión que el analizador diferencial de Bush.
b ENTRADA
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CONTADOR
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CONTADOR
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0 1 1 1 1 (=30)
TECLADO 01011 (+11)
DIGITOS DE REMPLAZO
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ACARREO 0
DIGITOS DE REMPLAZO
1 1 0 0 0
CIRCUITO LOGICO 1+1+0 1+1+1 0+0+1 0+1+0 1+0+0
5. CADA CIRCUITO LOGICO de la ABC sumaba dos números por vez, como los que vemos en este ejemplo (a), de acuerdo con las reglas establecidas en una tabla (b). Supóngase que deban sumarse el equivalente del número 19, sit uado en el contador, con el equivalente del 11, en el teclado. Tras convertir los números al sistema de numeración binaria, que los expresa en combinaciones de potencias de 2 (como 20, 21, 22, 23, o sea, 1, 2, 4, 8) los sumandos se escribirían 10011(16 + 0 + 0 + 2 + 1) y 01011 (0 + 8 + 0 + 2 + 1). El circuito lógico operaría sobre esos números sumando en primer lugar los situados en la columnas de la derecha (20). Para hacerlo, determinaría que la configuración de los dígitos de las memorias contador, teclado y arrastre (a saber, 1, 1, 0) coincidían con la antepenúltima línea de la sección “entrada” de la tabla. (El dígito de arrastre inicial siempre es 0.) A partir de la correspondiente sección de “salida”, el circuito procedería entonces (c) a enviar un 0 (negro) al contador (donde se registraban los resultados), que remplazaría el 1 que allí est aba situado. También se enviaría un 1 (rojo) a la memoria designada para el arrastre o acarreo. El procedimiento equivale a determinar por recuento que 1 más 1 es igual a 2 y que el número 2, escrito en base 2, es 10. A continuación el circuito sumaría de igual modo los dígitos de las restantes columnas.
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tanasoff, que hacia mayo de 1941 “sabía que podríamos construir una máquina capaz de hacerlo casi todo, en lo que a computación se refiere”, decidió que el ABC podía con vertirse en un analizador diferencial electrónico a raíz de que un colega del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MlT) le comentara que los investigadores de ese centro estaban considerando la posibilidad de introducir elementos electrónicos en una nueva versión del analizador. Atanasoff le escribió a Mauchly sobre este asunto; ambos analizaron pormenorizadamente la cuestión cuando Mauchly visitó a Atanasoff durante casi una semana, en junio de 1941. Durante aquella visita Atanasoff le mostró el ABC, que estaba casi listo para funcionar. Cuatro años más tarde, el ENIAC hacía realidad el sueño de Atanasoff. ENIAC y Colossus, que también era programable, prepararon el camino al paso siguiente del desarrollo del ordenador electrónico: la incorporación de un programa residente en la memoria. Este avance de los ordenadores de aplicaciones generales simplificó su programación y permitió que el programa actuase de distinto modo en función de los resultados de los pasos intermedios. Desde que se introdujeron los primeros ordenadores de programa almacenado, a finales de los años cuarenta, los computadores han multiplicado su
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potencia y su velocidad. La estructura no ha cambiado tanto, sin embargo. Se adivina la impronta del pasado en los usos a que se destinan algunos ordenadores. Así, por ejemplo, ha revivido el interés por las computadoras para aplicaciones especiales, sobre todo entre los investigadores que tienen problemas muy específicos que resol ver. La verdad es que resulta asombrosa la semejanza entre el ABC y una computadora moderna para la resolución de sistemas de ecuaciones lineales aunque, claro está, éstas son enormemente más veloces.
funciones, con el ENIAC se prepararon tablas de tiro para la artillería). Invita también a pensar sobre la creatividad científica. El gran avance de Atanasoff en aquella noche invernal de 1937 ilumina el proceso creativo con notable claridad. Durante mucho tiempo estuvo luchando a brazo partido con su problema, sufriendo decepciones y sin apenas avanzar; pero su mente continuaba absorbiendo y elaborando información. Entonces, hallándose dedicado a una actividad totalmente diferente, le llegó la solución. Los profanos podrían muy bien considerar que los 300 kilómetros de carreo cabe duda de que se hubiera tera que Atanasoff hizo hasta llegar al reconocido mucho antes la contri- hostal no son más que un método estébución de Atanasoff a la informática si ril de echar un trago; en realidad, Atahubiera patentado sus trabajos. Como nasoff sabía muy bien lo que hacía. Se señalan los Burk, pudo reclamar para dio cuenta de que la mente necesita sí la noción misma de cómputo digital variedad y descanso para funcionar electrónico, así como la conmutación creativamente. Tras concebir ciertos electrónica en los ordenadores, los cir- principios fundamentales, dejó que cuitos para la adición y la sustracción entrase en juego “una especie de cognilógica, la separación de las funciones ción”. Tal confianza en la intuición de procesado y memoria, las memorias puede no concordar con la noción común de tambor de condensadores, la rege- de que la investigación científica es una neración de la memoria, la utilización actividad estrictamente racional, pero del sistema binario de numeración en constituye un camino seguido por la computación, las unidades modula- muchos científicos e investigadores. res, el procesamiento vectorial y el coninalmente, no es coincidencia que trol sincronizado de las operaciones electrónicas, entre otras innovaciones. grandes progresos técnicos sean Afirmar que se hubiera tratado de obra de investigadores de temas básiuna de las patentes más importantes cos. La actividad científica suele jamás conce didas no sería más que requerir la invención de herramientas subestimar su trascendencia. Por des- nuevas y los investigadores, profundagracia, la confusión creada por la gue- mente dedicados a la resolución de rra y la ineficacia de las personas a problemas científicos, tienen motivos quienes se confió la obtención de una poderosísimos para afrontar el reto. patente impidieron que llegara a cum- Importa que comprendan con claridad plimentarse una solicitud formal de esa conexión entre ciencia y técnica patente para ninguna de las innova- quienes defienden que puede limitarse ciones de Atanasoff. Tampoco él el apoyo a la investigación básica sin emprendió los pasos necesarios para que se frene el desarrollo tecnológico. obtenerla porque se le hizo creer que el ENIAC se fundaba en principios muy diferentes de los del ABC y que tal máquina constituiría el modelo de las BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA futuras computadoras, con lo que la THE ENIAC : FIRST GENERAL-PURPOSE ELECpatente sobre cualesquier idea o disTRONIC COMPUTER. Arthur W. Burks y positivo de la ABC carecería de valor. Alice R. Burks en Annals of the History Por si fuera poco, estaba enfrascado en of Computing, vol. 3, n.o 4, págs. 310-399, 1981. otros proyectos y, más tarde, en fundar ADVENT OF ELECTRONIC DIGITAL COMPUsu propia empresa de ingeniería. TING. John Vincent Atanasoff en Annals Además de aclarar uno de los granof the History of Computing, vol. 6, n.o 3, des logros de la técnica, la historia de págs. 229-282; julio de 1984. Atan as of f invi ta a unas cu anta s THE FIRST ELECTRONIC COMPUTER: THE reflexiones sobre la investigación cienATANASOFF STORY . Alice R. Burks y Artífica. De entrada, la suerte del inventhur W. Burks. University of Michigan Press, 1988. tor no es siempre ni fácil ni cómoda. A TANASOFF: FORGOTTEN FATHER OF THE A pesar de sus muchos esfuerzos, OMPUTER. Clark R. Mollenhoff. Iowa C Atanasoff sólo logró reunir 6000 dólaState University Press, 1988. res para construir el ABC, mientras que THE FIRST ELECTRONIC COMPUTER. Allan la financiación del ENIAC contó con un R. Mackintosh en Physics Today, vol. 40, presupuesto de medio millón de dólan.o 3, págs. 25-32; marzo de 1988. res, dado su valor militar (entre otras
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Pinceladas históricas
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l ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) fue el primer ordenador electrónico conocido por el público, aunque sus comienzos estuvieron velados por el secreto de guerra. Se construyó entre 1943 y 1946 en el departamento de ingeniería eléctrica de la universidad de Pennsylvania (EE.UU.), bajo la dirección de J. Presper Eckert, Jr. y John W. Mauchly, para el Estado Mayor del ejército norteamericano. Utilizaba 18.000 lámparas de vacío, manejaba números decimales de un máximo de diez cifras, hacía los cómputos en paralelo y su reloj batía a 100 kHz. La programación consistía en modificar manualmente las conexiones según el problema a resolver. Las estimaciones de la demanda existente para la nueva máquina que realizaron por aquella época las grandes compañías norteamericanas de equipos de oficina (entre ellas IBM) no eran muy optimistas: se consideraba que bastarían dos docenas de ejemplares para cubrir todas las necesidades de cómputo de los sectores público y privado de Estados Unidos. Marvin Minsky, uno de los fundadores del campo de estudio de la inteligencia artificial, encargó a un estudiante de licenciatura que conectase una cámara de televisión a un computador e hiciese que éste describiese lo que veía. Esto sucedía en 1966. Le concedió un verano para realizar la tarea, tiempo que Minsky consideraba suficiente para resolver el tema de la visión artificial. Han pasado treinta años y se está todavía lejos de conseguirlo.
“microordenadores”, consistentes por lo general en con juntos de componentes que los aficionados a la electrónica montaban por sí mismos. Inicialmente no tenían teclado ni pantalla: las instrucciones y los datos se introducían mediante series de conmutadores situados en un panel frontal y los resultados se obtenían leyendo otra serie de indicadores luminosos. La memoria interna era muy reducida y la externa inexistente. Cuando se añadieron teclado, pantalla y dispositivos de almacenamiento externo (cintas y discos magnéticos) fue necesario contar con programas encargados de mane jar estos recursos, lo que se conocía como “sistema operativo”. El primero de ellos que alcanzó cierta popularidad se llamaba CP/M (Control Program/Monitor) y había sido desarrollado por Gary Kildall en 1973. El tipo de máquina que hoy se conoce como PC fue inicialmente un producto puesto a la venta por IBM en 1981. No tenía disco rígido, sino sólo una o dos unidades de disco flexible de 5 1/4 pulgadas (que no actuaban inicialmente más que por una cara) y ninguna capacidad gráfica en su monitor monocromo. IBM no tenía puestas en él muchas expectativas. Su precio era algo superior a un millón de pesetas de las de entonces.
El sistema operativo del PC, en cambio, no fue elaborado por IBM, sino que se encargó a una pequeña empresa de programación, entonces desconocida, llamada Microsoft. La precipitada adaptación de Anuncio de microordenador (1977) CP/M que Microsoft realizó se convirtió en la primera versión del famoso PC-DOS, Hacia 1970 se convierte en realidad el primer “microprocesador” físico: una pastilla MS-DOS o simplemente DOS. El inesperado éxito comercial que puede funcionar por sí sola como unidad central de del PC enriqueció a Microsoft y le permitió iniciar su vertiginosa carrera posterior en el ámbito de la programación. proceso (CPU). Intel y Texas Instruments son las compañías que disputan su paternidad. Encuentra sus primeros usos en calculadoras portátiles y relojes electrónicos. Todavía a principios de los años ochenta, la mayor parte de los particulares que deseaban tener un acceso directo a los ordenadores lo hacían por medio de aparatos que La calculadora científica HP-35, presentada por HewlettPackard en 1972, significó el paso a la historia de la regla hoy parecen poco más que juguetes. La serie constituida de cálculo. Su sucesora programable, la HP-65, fue el inicio por los modelos ZX-80, ZX-81 y finalmente Spectrum, de de la informática personal para muchos ingenieros, cienSinclair, tuvo especial aceptación. Las ventas mundiales fueron tales que la reina de Inglaterra concedió el título tíficos y contables a partir de 1974. de Sir a Clive Sinclair, su promotor, por el impulso que En 1975 algunas firmas comerciales empezaron a ofrecer supusieron para las exportaciones británicas.
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PRESENTE
Pantallas planas Steven W. Depp y Webster E. Howard Gracias a los últimos progresos en microelectrónica y cristales líquidos ya son posibles las pantallas murales y las de pulsera
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a técnica más utilizada para la exhibición de imágenes en pantalla sigue siendo la del tubo de rayos catódicos (TRC). Sin embargo, es difícil obtener con ella pantallas portátiles que consuman poca energía y, pese a ello, ofrezcan imágenes de calidad. Siempre que se ha intentado construir una pantalla plana con un TRC, se han conseguido imágenes de calidad mediocre y los diseños han sido demasiado complejos o de muy cara fabricación. La tentativa más reciente en ese sentido reemplaza el cañón electrónico de barrido por una serie de diminutos emisores de electrones, montados sobre una placa y recubiertos por otra. Entre ambas placas hay que colocar unos separadores que deberán ser, para resistir el vacío intermedio, o grandes o numerosos; en cualquier caso oscurecerán la imagen. Todavía no se ha encontrado una solución satisfactoria a este problema. Una pantalla plana ideal ha de producir imágenes con buena luminosidad, marcado contraste, gran resolución, rápida respuesta, numerosos matices de gris y todos los colores del arco iris. También debe ser resistente, duradera y barata. Las tres técnicas que han logrado cierta aceptación comercial —la de los paneles de plasma, la de las pantallas electroluminiscentes y la de las pantallas de cristal líquido— se quedan cortas en alguna de estas cualidades, pero una cuarta, de reciente introducción en el STEVEN W. DEPP y WEBSTER E. HOWARD, del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM en Yorktown Heighs, estudian las técnicas de reproducción de imágenes en pantalla. Depp, que dirige el grupo de sistemas de entrada, se doctoró en física en la Universidad de Illinois en 1972. Howard, doctor en física por Harvard, encabeza la investigación sobre física de semiconductores, electroluminiscencia de capa delgada y pantallas de cristal líquido con matriz activa.
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mercado, ofrece imágenes que rivalizan con las de los TRC y en algunos casos las superan: se trata de las pantallas de cristal líquido (PCL) con matrices activas; ninguna otra suma hoy más recursos de investigación y desarrollo ni mayores inversiones para su fabricación. Cuando empezaron a desarrollarse las primeras pantallas planas, nadie
había pensado todavía en los dispositivos de cristal líquido con matrices activas. Se ensayaron muchos sistemas de producción o modulación de la luz según patrones controlados. La primera técnica empleada (a finales de los años sesenta) recurría a los plasmas, que son descargas en gas. La pantalla de plasma consta fundamentalmente de dos láminas de vidrio
1. EL CRISTAL LIQUIDO está sellado por dos placas de vidrio. Una lleva los transistores que gobiernan los electrodos de cada célula; la otra porta los filtros de color y un electrodo que cierra todos los circuitos. Polarizadores delanteros y traseros completan el sistema, que se ilumina desde atrás. En la microfotografía, obtenida por barrido con efecto túnel, se aprecian las moléculas de cristal líquido, fijas al sustrato.
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en las que se han imbricado respectivas series de cintas paralelas de película conductora; las láminas están dispuestas de manera que dichas series de líneas se crucen. Entre una y otra lámina hay un espacio lleno de una mezcla de gases, donde no suele faltar el neón. Un voltaje suficientemente elevado en cualquier punto de intersección producirá una descarga en el gas; éste se descompondrá en un plasma de electrones y iones, que, excitado por la corriente, emitirá luz. El sistema se comporta como una red de lámparas de neón en miniatura y, por tanto, constituye una pantalla “emisora”. Como la ionización del gas se produce cuando se le aplica un voltaje bien determinado, es fácil controlar qué intersecciones se iluminan y cuáles no. Para ello basta con aplicar un voltaje igual a la mitad del umbral de encendido a una fila y una columna dadas, porque así sólo donde éstas se corten habrá voltaje suficiente para que la
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descarga se produzca. Con el barrido de una fila tras otra, y repitiendo el proceso al menos 60 veces por segundo, se puede conseguir que el ojo perciba una imagen estable. Esta imagen será necesariamente poco luminosa, debido a que cada punto concreto sólo puede brillar durante una pequeña fracción de tiempo. Pese a tal inconveniente, este diseño se ha aplicado en los ordenadores portátiles y en otros muchos productos.
que se aplique y, en consecuencia, desencadena otra vez la descarga. Como los elementos que constituyen la imagen (los píxeles) se encienden cada ve z que el voltaje se invierte, la emisión de luz tiene lugar durante una proporción de tiempo mucho mayor. En un principio los plasmas de corriente alterna despertaron el interés por su efecto de memoria, pero hoy en día, que las memorias de semiconductores son tan económicas, las virtudes que aún cuentan de estas pantallas son su luminon esa misma línea se consiguen sidad, robustez y fiabilidad. Resultan imágenes más brillantes por muy adecuadas para uso militar. medio de la corriente alterna. H. Gene La mayoría de las pantallas de Slottow y Donald L. Bitzer, de la plasma son de color naranja. No es Universidad de Illinois, descubrieron fácil modificar su diseño de manera que la corriente alterna producía un que se obtengan imágenes polícromas, efecto de memoria inherente, puesto característica que hoy en día los usuaque una celdilla recién excitada retiene rios esperan encontrar en el producto brevemente parte de la carga en sus (más del 80 % de los monitores que se electrodos aislados. Cuando se invierte venden actualmente son de color). La el voltaje, esta carga se añade a cual- generación de color requiere tres fuenquier nueva diferencia de potencial tes diferentes, una de las cuales emite
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en rojo y las otras en azul y verde. Pero no sería práctico conseguir esos colores llenando cada píxel con un gas diferente. De ahí que se haya optado por emular el proceso que tiene lugar en los tubos fluorescentes: se genera una emisión de luz de un tipo determinado, que da a continuación lugar a luz de distintos colores por medio de revestimientos fosforescentes. Un único gas, el mismo para todo el conjunto, emite luz ultravioleta y esta radiación invisible provoca que cada celdilla radie luz de color rojo, azul o verde, según la naturaleza del pigmento fosfórico que la recubra.
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as pantallas de plasma consumen gran cantidad de energía; por ello se las utiliza principalmente en aplicaciones que no requieran un gran rendimiento energético ni facilidad de transporte. Pero podemos construir con ellas paneles de hasta 1,5 metros de diagonal, dimensiones suficientes para una pantalla de televisión de alta definición que se colgase en la pared. Si los paneles de plasma en color alcanzaran un precio razonable y una gran fiabilidad, podrían destinarse a tal fin. Otra importante técnica del tipo de la pantalla emisora plana se basa en el fenómeno de la electroluminiscencia de
capa delgada. Al principio se esperaba Asimismo requiere una escala de griaprovechar la electroluminiscencia ses de gradación progresiva, cualidad para el alumbrado de viviendas, hasta que ha resultado difícil de controlar. que se comprobó el pobre rendimiento Por otra parte, la eficacia de estos de la técnica. Estos dispositivos termi- paneles disminuye a medida que naron utilizándose en la fabricación de aumenta el número de elementos de pantallas alfanuméricas, en competen- imagen que los constituyen. Cada uno cia con las pantallas de plasma. de estos elementos se comporta como Al igual que los dispositivos de des- un condensador y la simple carga y carga gaseosa, una pantalla electrolu- descarga de todos ellos precisa cantiminiscente se asemeja a un empare- dades de energía apreciables. Este dado. El emisor de luz, una sustancia problema dificulta el uso de paneles fosforescente —generalmente sulfuro electroluminiscentes que contengan de cinc dopado con manganeso—, se mucha información en aplicaciones coloca entre dos capas aislantes porta- alimentadas por baterías. doras de electrodos ortogonales. Cuando el voltaje supera un valor a tecnología no emisora primaria umbral bien definido, el emisor se desse vale de las propiedades eleccompone y conduce corriente. Esta troópticas de los cristales líquidos corriente excita los iones de manga- (CL), un tipo de moléculas orgánicas. neso, que emiten una luz de color ama- Como su nombre indica, se trata de rillo, análoga al brillo del neón de la compuestos que fluyen igual que los pantalla de plasma. líquidos, si bien presentan una orde Aunque estas pantallas duran bas- nación cristalina. Esta fase de la matetante, presentan dos inconvenientes ria no es tan rara como podría creerse. importantes: no pueden producir imá- Se ha estimado que un químico orgágenes a todo color y consumen casi nico que sintetizara compuestos al tanta energía como las pantallas de azar produciría moléculas con propieplasma. La obtención de colores dades de cristal líquido en uno de cada requiere una sustancia fosforescente mil experimentos. Las moléculas de que sea buena emisora de azul, pero este tipo, conocidas desde hace unos hasta ahora no se ha encontrado nin- cien años, aparecen bajo numerosas guna que ofrezca la luminosidad, efi- formas, desde la de membranas celuciencia y longevidad adecuadas. lares hasta la de espuma jabonosa.
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2. LAS PANTALLAS EMISORAS brillan con luz propia cuando se comunica energía a un plasma o a una sustancia fosforescente. Las pantallas de plasma (izquierda) consisten en una red de lámparas de neón en miniatura, que se descargan una a una al combinarse los voltajes aplicados a su fila y a su columna. Los diseños de corriente alterna (no representados) retienen carga en electrodos aislados, creando un efecto de memoria. Las pantallas electroluminiscentes de película delgada (derecha) reemplazan el gas del diseño anterior por una película de sustancia fosforescente sólida.
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Los CL más importantes son los compuestos nemáticos, con forma de trenzas. Cada una de sus alargadas moléculas con aspecto de vara tiene libertad de moverse con respecto a las demás, si bien existen sutiles fuerzas intermoleculares que tienden a mantener alineados sus ejes; el efecto recuerda un tanto el modo en que se mueve un banco de peces. Puede fijarse la dirección de alineación de las moléculas o mediante su exposición a un campo eléctrico o colocándolas en las proximidades de una superficie preparada para ello. El control de dicha alineación permite regular, asimismo, las propiedades ópticas del material y muy especialmente el efecto que tiene sobre la transmisión de luz. Una configuración habitual consiste en emparedar uno de estos compuestos de cristal líquido entre dos láminas de vidrio con diferentes alineaciones moleculares. Para obtener semejante CL, del tipo “nemático torcido”, se reviste la cara interior de cada una de las láminas con una película transparente que sea conductora eléctrica: de óxido de indio y estaño, por ejemplo. A continuación se añade una capa delgada de un polímero orgánico y finalmente se lo “cepilla” en la dirección deseada. El “cepillado” alinea el polímero por la combinación de sus cadenas, mediante diminutos raspados o por ambas cosas. Estos fenómenos de superficie se transmiten a sí mismos a las moléculas adyacentes del cristal líquido a través de un mecanismo todavía no aclarado. El trenzado de las hebras moleculares se consigue colocando las láminas de vidrio de forma tal que sus orientaciones preferentes se crucen ortogonalmente.
3. EL OBTURADOR POR ROTACION DE LA LUZ se utiliza en la mayoría de las pantallas planas no emisoras. Las moléculas de cristal líquido nemáticas, con forma de trenzas, se disponen de manera que gire el plano de polarización de la luz. Los píxeles no activados dejan pasar la luz hacia un segundo polarizador (izquierda). Cuando se aplica un voltaje, se deshace la rotación, y la luz queda bloqueada (derecha).
polarizadores cruzados bloquean, El proceso continúa con la alimencomo sucede normalmente, el paso de tación de la fila siguiente, en un prola luz. En una célula real la transmi- ceso que barre de arriba abajo en una sión varía gradualmente con el voltaje sexagésima de segundo, y a continuaaplicado. ción se repite para el cuadro siguiente. Hasta aquí hemos descrito lo que Durante la proyección de un cuadro de sucede en un píxel. La pantalla de cris- vídeo, cada píxel seleccionado recibe tal líquido consta de un gran número un pulso de voltaje elevado cuando se de ellos. Se colocan los electrodos de activa su fila, los no seleccionados recifilas en uno de los sustratos de vidrio y ben voltajes moderados y todos los los de columnas en el otro; de esa píxeles sufren pulsos entrecruzados de manera cada punto de intersección menor magnitud procedentes de las define la dirección de un píxel diferente. demás filas, cuando éstas se activan. Dado que la luz proviene de un reflector Dado que este entrecruzamiento o fuente luminosa, la matriz se com- aumenta con el número de filas, la porta como una red de minúsculos obtu- diferencia de voltaje efectivo entre los uando se dirige un haz de luz pola- radores gobernados electrónicamente. píxeles seleccionados y los no selecciorizada sobre una célula de cristal La simplicidad del diseño y los modera- nados va disminuyendo a medida que líquido, la dirección de polarización dos valores de voltaje y energía que crece el tamaño de la red. Si hay 240 tenderá a seguir la rotación del tren- requiere su funcionamiento determi- filas —menos de la mitad que la panzado y saldrá del emparedado habiendo nan que estas PCL de “matriz pasiva” talla de un televisor corriente—, dicha girado, por lo tanto, 90 grados. Los sean las pantallas planas más vendidas diferencia descenderá hasta un 6,7% solamente. Por el contrario, la obtenpolarizadores cruzados que están a un en la actualidad. Sin embargo, la misma simplicidad ción de un contraste aceptable para lado y otro de la célula dejan pasar la luz en vez de bloquearla, al contrario de la técnica marca un límite inflexible una célula nemática girada 90 grados de lo que sucedería si la célula no estu- a sus prestaciones. Como Paul M. Alt exige una diferencia de voltajes de un viera presente: es el llamado estado de y Peter Pleshko de IBM han demostrado, 50%, por lo menos. transmisión (“on”); el estado de no sólo puede mejorarse la resolución de ay tres formas para soslayar el transmisión (“off”) se produce al apli- estos dispositivos si se sacrifica el conconflicto entre contraste y resocar un campo eléctrico a través de los traste. El problema tiene su origen en dos conductores transparentes, lo cual el entrecruzamiento de voltajes, inhe- lución. En primer lugar se puede orienta las moléculas del cristal líquido rente al sistema de excitación de los intentar que la curva de transmisiónde manera que sus ejes sean paralelos píxeles. En efecto, primero se aplica un voltaje tenga una pendiente mayor, de a las líneas del campo. Esta realinea- voltaje a una sola fila y se ajustan los manera que unas diferencias de volción deshace la anterior configuración voltajes de las columnas de forma tal taje pequeñas produzcan grandes de trenzado y, por tanto, la célula en que produzcan un gran voltaje total variaciones en la transmisión de luz. cuestión no hará girar la polarización sobre los píxeles seleccionados de dicha Este objetivo se consigue con las PCL de la luz incidente. La célula no e jerce fila; los que no están seleccionados “nemáticas con supertorcedura” al retorcer 180 grados o más el cristal ya ningún efecto óptico apreciable y los reciben un voltaje menor.
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líquido. En segundo lugar cabe usar cada píxel posee un filtro de uno de los que la que admite una pastilla DRAM cristales líquidos que muestren efecto tres colores primarios. de un tamaño parecido. de memoria, lo que permite controlar Una vez se ha actuado sobre todas Este requisito se ha podido cumplir muchas filas sin que se pierda con- las filas, la pantalla entera se rees- merced a un diseño cuidadoso y al contraste. Los cristales líquidos ferro- cribe. Este proceso de restauración trol de las tolerancias de fabricación. eléctricos poseen esta propiedad y con (“refreshing”) impide que aparezcan Para nuestra fortuna, éstas sólo han ellos se han montado pantallas de distorsiones, obligadas por la pérdida de aplicarse a pequeña escala, de un 1000 filas o más. Estos dispositivos gradual de carga de las células de cris- píxel al contiguo, y ello se debe a que, son, sin embargo, algo lentos. Además, tal líquido, que iría reduciendo sus pese a ser sensible a las variaciones como sólo admiten dos estados de voltajes y variando su transmisión de locales que se producen en los bordes transmisión estables, no reproducen luz. Y lo que es más importante, al de los objetos, el ojo apenas percibe las con facilidad las diversas tonalidades restaurarse sesenta veces por segundo, variaciones que van creciendo de forma de grises. Por todo ello la tecnología de los píxeles pueden reproducir imáge- gradual a medida que barre la pantamatrices pasivas resulta menos ade- nes de vídeo y otras imágenes que exi- lla de un lado a otro. cuada para la reproducción de vídeos jan cambios de pantalla rápidos. Las pantallas de matriz activa se o de imágenes realistas. Las pantallas de matriz activa se gobiernan mediante transistores de parecen mucho a las pastillas de película delgada (TPD), técnica que ha a tercera forma, mucho más radi- memoria dinámica de acceso aleatorio desarrollado su potencialidad sólo en cal, divide las funciones de control (DRAM, dynamic random-access los últimos diez años y cuyo origen está y de transmisión, de forma tal que memory). Tanto aquéllas como éstas en la fabricación de células solares. Se cada una de ellas pueda optimizarse son circuitos integrados complejos que construyen en grandes conjuntos a por separado. Este control por medio almacenan cargas en aproximada- coste comparativamente reducido. Su de “matrices activas” se basa en el mente un millón de posiciones discre- único inconveniente —su menor capaempleo de un conjunto de transistores, tas, cada una de ellas controlada por cidad de transporte de corriente— apecada uno de los cuales activa un píxel un solo transistor. Sin embargo, el nas tiene importancia cuando se los diferente. Cada píxel recibe un voltaje ordenador lee en una pastilla DRAM utiliza en pantallas, ya que se necesita de su línea de columna sólo cuando se una fila cada vez nada más, detec- muy poca corriente para controlar un enciende el correspondiente transis- tando la carga existente en cada posi- cristal líquido. tor. Se puede actuar sobre las otras ción, mientras que el ojo humano lee n el transistor de película delgada filas cuando el transistor está apa- la pantalla entera de una vez. gado; entretanto, el píxel mantiene el se utilizan capas depositadas de Otra diferencia consiste en que las voltaje que se le había suministrado DRAM almacenan datos digitales y las diferentes materiales para formar el inicialmente. Dado que este método pantallas de matriz activa, datos ana- semiconductor, los aislantes y los elecaísla del entrecruzamiento a los píxe- lógicos. En las primeras, cada célula trodos. Igual que sucede en los transisles, el número de filas controlables debe hallarse en estado de transmisión tores habituales, dos terminales condupuede ser altísimo. Además esta téc- (“on”) o de corte (“off”); en las últimas, cen la corriente y un tercero activa y nica genera colores con facilidad. Los los voltajes de las células han de variar desactiva el transistor. Sin embargo, píxeles y sus respectivos transistores en una escala continua de grises. Esta cuando se trata de transistores clásicos, se agrupan en tríadas, en las cuales cualidad requiere que la pantalla la mayoría de esos elementos se forman “codifique” mucha más información en la superficie de un cristal semicon-
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4. PASIVO FRENTE A ACTIVO: en las matrices de cristal líquido pasivas (izquierda) se envía un impulso de dirección a todos los píxeles de una fila, y se suma o resta el voltaje de una columna. En las células no seleccionadas se cruzan voltajes, cuyo valor medio aumenta con el número de columnas; se crea así un conflicto entre contraste y resolución. Las matrices activas (derecha) lo evitan dirigiendo cristales líquidos
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mediante transistores de película delgada. Mientras los transistores están activados, las celdillas de cristal líquido asociadas se cargan a los voltajes de las líneas de columna, también llamadas líneas de datos; desactivados, los voltajes se mantienen constantes. De este modo, se puede formar una imagen fila por fila, que persistirá hasta el siguiente “ciclo de restauración”.
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ductor único, cuyas propiedades eléctri- si no, atraparían electrones y destruicas en determinadas regiones se modi- rían el semiconductor. Finalmente se fican mediante la adición de átomos depositan los electrodos metálicos, los donadores de cargas (“dopantes”). En aislantes y demás elementos del TPD cambio los TPD se pueden fabricar casi de forma similar a la habitual en la sobre cualquier superficie, incluso fabricación de circuitos integrados, sobre vidrio común. con la diferencia de que el área a cubrir Fueron precisos veinte años para es mucho mayor. convertir los TPD en productos comerUnas dos docenas de compañías, ciales. Cuando Paul K. Weimer, de la japonesas en su mayoría, desarrollaron compañía RCA, inventó esa técnica en la técnica de TPD/PCL a mediados de 1962, se confiaba en que encontraría los ochenta. A finales de ese decenio, aplicación en los circuitos electrónicos IBM/Toshiba, Sharp, Hitachi y otras corrientes. Sin embargo, enseguida firmas obtenían imágenes de excelente fue desplazada por otros dispositivos calidad sobre pantallas de color de 25 electrónicos, lo que apartó del trabajo centímetros de diagonal. Por primera en ella a la mayoría de los investiga- vez una pantalla plana podía competir dores. En 1974, T. Peter Brody y su con un tubo de rayos catódicos en conequipo, de la empresa Westinghouse, traste, luminosidad y saturación de demostraron que los TPD podían uti- color (o viveza). De hecho, quienes conlizarse como interruptores en las pan- templan a la vez los dos tipos de pantatallas de cristal líquido. Incluso este llas suelen preferir la imagen nítida, uso era difícil en aquella época, porque sin distorsión y exenta de fluctuaciones con los materiales y procesos disponi- que ofrece la TPD/PCL. bles no podían obtenerse grandes series de dispositivos estables y libres a pantalla de matriz activa está de defectos. alcanzando ya los niveles de caliSe probó con diversos semiconduc- dad de imagen impuestos por la pantatores. El silicio policristalino fue el lla de TRC, pero su coste es muy superior primero en emplearse en un producto al de ésta. Los fabricantes irán ganando comercial. Ocurría en 1984 y el apa- experiencia en todos esos campos donde rato, un televisor de bolsillo fabricado ya es indispensable el empleo de panpor Seiko-Epson, tenía una pantalla tallas planas. Se espera que hacia 1995 de cinco centímetros. Pero ésta se tengan un mercado de unos quinientos fabricaba mediante costosos procesos mil millones de pesetas. La producción de circuitos integrados y tratamiento a tal escala deberá reducir los costes de materiales a elevadas temperatu- por unidad, hasta el punto de que las ras. El futuro apuntaba hacia otro pantallas planas sean competitivas con material, el silicio amorfo. En 1979 el los TRC en televisores, ordenadores grupo encabezado por P. G. LeComber, personales y otros artículos de uso de la Universidad de Dundee, vio que común. A finales de esta década, los el silicio amorfo, ya por entonces en ingresos procedentes de la venta de desarrollo para uso en células solares pantallas planas deberían superar los de poco costo, era adecuado para TPD generados por los TRC. destinados a las pantallas.
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on varios los procesos clave en la fabricación de los TPD. En primer lugar, se forma el sustrato con un vidrio purificado de metales alcalinos, que podrían contaminar los transistores o el cristal líquido. El vidrio fundido se vierte, en un proceso ideado por Corning y cuidadosamente controlado, para crear una lámina tan plana que, si la imaginásemos del tamaño de un campo de fútbol, su espesor variase menos que el grosor de un lápiz. A continuación, se deposita la capa de semiconductor mediante un proceso de plasma que utiliza gas silano, SiH4, a baja presión. Una descarga eléctrica ioniza el gas y disgrega las moléculas en fragmentos, que se condensan sobre el vidrio, donde forman una red aleatoria de silicio, rica en hidrógeno. La presencia de hidrógeno es crucial, puesto que cierra los enlaces rotos que,
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BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA FLAT-PANEL DISPLAYS AND CRTS. Dirigido por Lawrence E. Tannas, Jr. Van Nostrand Reinhold Company, 1985. LIQUID CRYSTAL TV DISPLAYS: PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF LIQUID CRYSTAL DISPLAYS. E. Kaneko. D. Reidel Publi-
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Representación visual de biomoléculas Arthur J. Olson y David S. Goodsell La generación de imágenes por ordenador agiliza la investigación de la estructura molecular y contribuye a elucidar la química de la vida
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l ojo, al que se llama ventana del alma, consti- sitúa una disolución que contenga la molécula de interés. tuye el medio principal por cuya virtud el enten- A continuación, sometemos la muestra a impulsos de ondas dimiento logra apreciar más plena y abundan- de radio; los núcleos de ciertos átomos de la molécula restemente las obras infinitas de la naturaleza.” Las palabras ponden emitiendo ondas de radio propias, cuyas frecuende Leonardo da Vinci expresan con elocuencia la íntima cias dependen de los ambientes químicos locales. La interrelación entre visión y comprensión. A pesar de lo cual, la pretación de estas frecuencias revela las distancias ciencia moderna se enfrenta no pocas veces a objetos invi- aproximadas entre los átomos de las moléculas. Al combisibles para el ojo humano. Químicos y bioquímicos hallan nar estas restricciones con propiedades químicas cono cidas entorpecida su tarea por la imposibilidad de observar las de la molécula, inferimos las posiciones de los á tomos consmoléculas que estudian. Los componentes atómicos de las tituyentes. moléculas no son discernibles ni siquiera a través del microscopio electrónico. Pero la tecnología informática permite elaborar imágenes 1. IMAGENES SIMULADAS del mundo molecular, creadas meconvincentes y científicamente exactas de las moléculas diante grafismo informático. Una imagen del virus de inconstruidas por las células. El grafismo por ordenador con- munodeficiencia humana (abajo), basada en datos obtenidos tribuye a desvelar, por ejemplo, la forma en que los anti- mediante microscopía electrónica por U. Skoglund y por S. Höglund, muestra un núcleo de forma cónica que contiene cuerpos buscan moléculas extrañas, la manera en que las material genético, rodeado por una envoltura esférica. A la enzimas proporcionan el ambiente exacto y adecuado para derecha tenemos una vista de una droga ligándose al ADN, iniciar una reacción química. A veces las imágenes cobran trazada a partir de datos de cristalografía de rayos X recopilagran peso conceptual; piénsese en el diagrama de la estruc- dos por R. E. Dickerson. La droga es la región de elevada dentura en doble hélice del ADN, publicada por James Watson sidad electrónica (verde y amarillo) que rellena el estrecho y Francis Crick, que revolucionó nuestra comprensión de la surco del ADN (esferas oscuras ). herencia humana y de las enfermedades genéticas. Varias son las formas de recoger los datos en bruto para la confección de imágenes. Por su éxito, destaca la cristalografía de rayos X. En esta técnica se irradia con un haz intenso de rayos X un cristal compuesto por una molécula determinada; los rayos X se dispersan según pautas características, pautas que se analizan matemáticamente para descubrir la distribución espacial de los electrones y, por extensión, la ubicación de cada átomo de la molécula. La espectroscopía por resonancia magnética nuclear (RMN) ofrece otra vía para la determinación de la estructura de una molécula. En un campo magnético intenso se
ARTHUR J. OLSON y DAVID S. GOODSELL trabajan para ampliar el papel del grafismo informático en el estudio de la función y la estructura de macromoléculas biológicas. Olson, que se doctoró en la Universidad de California en Berkeley, fundó en 1981 el laboratorio de grafismo molecular en el Instituto de Investigación de la Clínica Scripps. Goodsell se doctoró en 1987 por la Universidad de California en Los Angeles, donde también estudió cristalografía por rayos X. Ingresó seguidamente en el laboratorio de Olson, donde desarrolla técnicas de presentación de imágenes moleculares y métodos computacionales para el diseño d e medicamentos.
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2. LA CRISTALOGRAFIA por dispersión de rayos X proporci ona la información necesaria para simular la imagen de una molécula. Un cristal de ADN dispersa los rayos X según pautas características (izquierda). El análisis computarizado de la pauta de dispersión puede revelar la distribución de electrones en cada molécula de ADN. Una red de líneas trazada en
torno a las regiones de elevada densidad electróni ca (derecha ) ilustra las demarcaciones de los átomos de la molécula; lo que estamos viendo corresponde a un insólito desemparejamiento adenina-guanina. Una imagen por píxeles (arriba ) da mejor sensación de la disposición tridimensi onal de los átomos, pero su computación requiere más tiempo.
La ciencia de los materiales ha desarrollado un tercer método de observación de los átomos en las moléculas: la microscopía por sonda exploradora. Se inmoviliza una molécula sobre una superficie plana, explorada por una aguja cuya punta tiene sólo unos pocos átomos de anchura. Un bucle de realimentación permite que la aguja siga el contorno exacto de cada átomo, trazando y describiendo su forma. Repetidos pases de la aguja delimitan un contorno tridimensional de un lado de la molécula. Las tres técnicas suministran inmensas cantidades de datos, cuya interpretación resulta mucho más sencilla vertidos a forma visua l. Antes de que los ordenadores llegaran a los laboratorios, se cernía laboriosamente información en diagramas de barras, oscilogramas y fotografías, para luego construir modelos de latón o plástico basados en tales resultados. Ante la enorme cantidad de trabajo requerido, los científicos se veían limitados a estudiar micromoléculas que no contuvieran arriba de unas pocas docenas de átomos. Pero las moléculas biológicas constan de centenares a cientos de miles de átomos. En 1947, Raymond Pipinsky, de la Universidad estatal de Pennsylvania, ideó y puso a punto una máquina analógica, la XRAC, para transformar los datos cristalográficos que obtenía por dispersión de rayos X en una imagen molecular inteligible. A la par de los avances en informática ha crecido también la magnitud de los problemas a que es aplicada. Los ordenadores digitales, utilizados en conjunción con sistemas de representación gráfica computarizada, permiten crear imágenes detalladas de macromoléculas: enzimas, anticuerpos e incluso virus completos. Dos métodos, conceptualmente distintos, son los predominantes en la creación de imágenes de moléculas. En uno de ellos, la imagen se construye a partir de conjuntos de líneas trazadas de un punto a otro. El segundo genera la imagen a partir de un mapa denso de puntos, llamados
elementos de imagen, o píxeles. Cada técnica tiene ventajas e inconvenientes característicos. Dado que para determinar una recta basta especificar dos posiciones, los equipos de representación diseñados para gráficos “esqueléticos” (“gráficos vectoriales”) permiten la manipulación interactiva de la imagen. La generación de imágenes en equipos pensados para el trazado de puntos (el monitor en color) requiere mucho más tiempo, porque a cada elemento de imagen hay que asignarle un valor de color; un monitor típico contiene más de un millón de puntos. Pero las pantallas de trazado por puntos admiten la simulación de efectos de gradación y sombra, que dan mayor realismo a las imágenes. Para construir una imagen molecular, se empieza por recopilar información sobre la estructura de la molécula; casi siempre, por medios roentgenocristalográficos. Los rayos X sufren máxima dispersión allí donde mayor es la densidad electrónica, vale decir, en torno a los átomos de la molécula. Por tanto, las regiones que exhiben elevadas densidades electrónicas son átomos; las regiones de baja densidad corresponden a espacio vacío. (También la microscopía electrónica puede proporcionar mapas tridimensionales de densidad electrónica; aunque son parecidos, no alcanzan a resolver átomos individuales.) De igual manera que los cartógrafos se valen de líneas de nivel para separar valles de montes, los cristalógrafos se valen del grafismo informático para trazar una superficie límite en los datos que separe del espacio vacío los átomos. La superficie puede representarse mediante una espesa malla de líneas que recuerdan la jaula de un canario. Armado de un programa de gráficos, el cien tífico sitúa y acomoda una cadena de átomo s en el interior de la superficie siguiendo las convoluciones indicadas por los datos de densidad electrónica. Las imágenes basadas en píxeles proporcionan una visió n más cla ra de los res ultados cri sta lográfico s.
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Podemos, por ejemplo, asignar colores y propiedades ópticas específicas a diversos valores de los datos. En el mapa de densidades electrónicas del ADN, las regiones de la molécula que poseen valores elevados de densidad aparecen opacos y en color, mientras que las regiones de baja densidad se muestran transparentes. Merce d a un proceso denominado “rendición volumétrica”, los programas de graficación construyen imáge nes que remedan la forma en que viajaría la luz a través de objetos que poseyeran tales propiedades ópticas. Desdichadamente , la presentación de objetos tridimensionales exige tiempos de cómputo mucho mayores que los necesarios para la presentación de imágenes esqueléticas. La ganan cia en claridad se logra a costa de menor velocidad de manipulación de la vista de la molécula. Una vez conocidas las coordenadas de los átomos constituyentes, la computadora ofrece una pléyade de técnicas para el análisis de la molécula. El infografismo molecular puede centrarse en la preparación y simplificación de la imagen de la molécula al tiempo que salvaguarda toda la información pertinente. Aclara muchas cosas la forma en que se pliega una cadena proteínica. Jane S. Richardson, de la Universidad de Duke, ha popularizado una representación gráfica sencilla y efectiva, que sigue el plegamiento general de la proteína pero elimina el confuso revoltillo de los átomos individuales El diagrama resultante, similar a una cinta, facilita la clasificación de muchos y diversos tipos de estructuras proteínicas, reduciéndolos a un número limitado de distintos motivos de replegado. Los ordenadores facilitan también el estudio de la forma de una molécula biológica, la cual, a su vez, determina la manera en que interactúa con otras. El modo más sencillo de mostrar la topografía exterior de una molécula consiste
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en crear un diagrama de ocupación del espacio. En este procedimiento, el ordenador dibuja los átomos de las moléculas dándoles forma esférica, cuyos radios reflejan en qué medida pueden aproximarse unos a otros. Al colo car todas las esferas en sus posiciones correctas se logra un a imagen lúcida de la molécula entera. Y al colorear cada átomo de acuerdo con su naturaleza química se apo rta más información. Las imágenes producidas por rellenado del espacio nos muestran la molécula cual se nos ofrecería si se ampliara hasta tamaño visible. B. K. Lee y Frederic M. Richards adoptaron un método diferente y calcularon qué aspecto le ofrecería una molécula a una molécula de agua. Se va lieron de un programa de ordenador para hacer rodar una molécula de agua en torno a todas las caras y recovecos de cierta molécula, señalando aquellos lugares donde el agua establecía contacto. Dedujeron así una imagen que muestra la superficie de la molécula, pero omite las regiones inaccesibles a las moléculas de agua circundantes. Tal imagen contribuye a elucidar, por ejemplo, de qué forma interaccionan las proteínas con el agua que se halla siempre presente en los sistemas biológicos. La disposición geométrica de los átomos constituye un aspecto de la naturaleza de una molécula; también son importantes las propiedades físicas y químicas de cada átomo, como su carga, tamaño e interacciones con otros átomos. Peter J. Goodford ha desarrollado un procedimiento para determinar de qué forma interactúa químicamente una molécula con los átomos de otras moléculas. Goodford va colocando sucesivamente un átomo de prueba simulado por ordenador en diversas demarcaciones de la inmediatez de la molécula. El ordenador calcula en cada punto la interacción química entre sonda y molécula, gene-
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rando un catálogo de ubicaciones favorables y desfavora- niería genética de microorganismos constituyen un mínimo bles al átomo de sondeo. Las imágenes producidas mediante inventario de las metas perseguidas por la bioingeniería este tipo de análisis pueden hacer destacar los “puntos para mejorar la salud humana y la calidad de vida. calientes” químicos donde es verosímil que se enlacen nueEl grafismo informático ha entrado en el diseño de drogas vos átomos. contra la hipertensión, los enfisemas, el glaucoma y diverEl grafismo electrónico permite también captar la escu- sas formas de cáncer. Permite ensayar una amplia gama rridiza conducta dinámica de las moléculas biológicas. Las de potenciales medicamentos antes de emprender el labomoléculas vibran, giran y se retuercen en billonésimas de rioso proceso de síntesis en el laboratorio. Un empeño segundo. Sus movimientos resultan invisibles en el análisis particularmente prometedor consiste en el diseño de agenpor dispersión de rayos X o en la resonancia magnética tes antivíricos capaces de controlar los efe ctos del virus de nuclear, porque la ejecución de tales experimentos puede inmunodeficiencia humana (VIH). Se han aislado cierto exigir horas e incluso días. Las simulaciones dinámicas número de proteínas de tal virus y han conseguido detercomputarizadas, en cambio, permiten seguir los movimien- minar sus estructuras; entre ellas, la transcriptasa inversa tos de una molécula a través de millares de pasos tempo- del VIH, la molécula que traduce ARN en ADN con el fin rales, generando el correspondiente número de instantá- de incorporarlo al ADN de la célula hospedadora, y también neas de la cambiante estructura. Podemos entonces revisar la proteasa del VIH, molécula crucial que permite la madula simulación entera, fotograma a fotograma, deteniéndo- ración del virus y da ocasión a éste para provocar ulteriores nos en las fases temporales más importantes. Los fotogra- infecciones. mas más conseguidos se pueden combinar para montar con Se ha conseguido cristalizar la proteasa del VIH, tanto ellos una especie de corto cinematográfico que describe la libre como ligada a diversas moléculas inhibidoras, lo que dinámica de la molécula. ha permitido su estudio cristalográfico mediante rayos X. Encontramos una de las aplicaciones más apasionantes El ulterior análisis por medios informáticos de las estrucde las nuevas técnicas de grafismo en el diseño molecular turas de las moléculas ha facilitado la identificación de asistido por ordenador. Conforme se ha avanzado en el una lista cada vez mayor de posibles compuestos medicaconocimiento de las moléculas biológicas, se ha hecho más mentosos. Algunos de ellos parecen mostrar efectividad apremiante la capacidad de modificar moléculas específicas en ensayos químicos de laboratorio, siendo capaces de para adecuarlas a necesidades concretas. El diseño de detener el crecimiento del VIH en un cultivo celular. antibióticos, la construcción de nuevas proteínas y la inge- Aunque están pendientes de solución los problemas de
3. EL DISEÑO MOLECULAR es una de las aplicaciones de los gráficos moleculares computerizados en más veloz crecimiento. La proteasa del VIH ( arriba), una molécula crucial para la maduración del virus, constituye una atractiva diana en el diseño de medicamentos. Se muestra en azul el espinazo de la
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proteína; el sitio de actividad catalítica aparece en verde. Una droga inhibidora (violeta) se engarza en el sitio activo de la proteasa, impidiendo la función vírica normal. Los datos de este modelo han sido tomados de A. Wlodawer, adscrito al norteamericano Instituto Nacional del Cáncer.
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4. LA ESTRUCTURA Y FUNCION molecular pueden ser estudiadas con facilidad, clarid ad y precisión merced a los gráficos informáticos. Las imágenes de la hilera superior fueron trazadas con equipos de gráficos vectoriales, mientras las de la inferior corresponden a imágenes por píxeles. Los investigadores pueden examinar la forma de un anticuerpo valiéndose de una superficie puntilleada (arriba, izquierda) o de una serie de esferas sombreadas para hacerlas parecer macizas (abajo, izquierda). Los ordenadores permiten representar la
ligadura de un antígeno mostrando flechas indicadoras de la dirección del campo electrostático de la molécula (arriba, centro ) o valiéndose de técnicas de rendición volumétrica para mostrar la intensidad de las interacciones entre carbonos; el verde indica regiones favorables al carbono ( abajo, centro ). Los movimientos internos, extremadamente rápidos, de un anticuerpo pueden representarse a través de una imagen múltiple (derecha, arriba) o mediante una serie de instantáneas de momentos físicamente interesantes (abajo, derecha).
toxicidad y eficacia en pacientes humanos, al menos uno de los inhibidores de la proteasa del VIH, el Ro31-8959, se ha mostrado bastante prometedor y está siendo objeto de evaluación clínica. Animados por lo mucho que se ha progresado en la comprensión de la estructura y función proteica, Richard A. Lerner y sus colegas de la Clínica Scripps se han emba rcado en un proyecto especialmente ambicioso: el diseño de enzimas “a la medida” para catalizar (vale decir, facilitar) ciertas reacciones químicas. Modifican anticuerpos para que actúen de catalizadores. Los anticuerpos poseen una notable capacidad para reconocer y distinguir diversas moléculas, por lo que podría ser construido un anticuerpo catalítico al objeto de facilitar una reacción cuidadosamente seleccionada. Quizá llegue el día en que anticuerpos catalíticos diseñados específicamente logren atacar un virus o fragmentar un coágulo sanguíneo sin causar daño a las células sanas del paciente. En colaboración con Victoria A. Roberts, John A. Tainer y Elizabeth D. Getzoff, también de Scripps, Lerner ha modificado un anticuerpo para crear un sitio químico susceptible de enlazar átomos metálicos. Se han apoyado en el grafismo informático. La posibilidad de añadir metales a los anticuerpos constituye un paso importante hacia la síntesis de catalizadores “a la carta”, pues son muchas las reacciones que son catalizadas por mediación de átomos metálicos. Apenas si adivinamos el futuro que el grafismo molecular informatizado nos ofrece. La velocidad y la capacidad de almacenamiento de la maquinaria informática se están duplicando cada 18 meses, lo que da pie a mejoras proporcionales en la versatilidad de los programas. Los equipos de simulación de la realidad —la llamada “realidad virtual”— capaces de sumergir al investigador en un mundo molecular tangible se están haciendo realidad. Existen ya
cascos dotados de pantallas de vídeo que mueven la imagen obedeciendo a los movimientos de la cabeza; dispositivos de realimentación de fuerzas permiten al sujeto “percibir” de forma táctil las fuerzas que actúan sobre la molécula que están examinando. En un prototipo que se está desarrollando en la Universidad de Carolina del Norte bajo la dirección de Frederick P. Brooks Jr., se recurre a un simulador computarizado para ensayar posibles drogas “palpando” cómo encajan en una molécula diana. Un proyecto muy novedoso desarrollado en esas mismas instalaciones ha conectado un microscopio de barrido por efecto túnel con un sistema de realidad virtual. Tal sistema se propone capacitar al experto para ver y sentir los detalles atómicos de una molécula examinada bajo el microscopio. Tales sistemas podrán facultarnos para interactuar con el mundo submicroscópico, como si se tratara de los sentidos corporales. Quizá la máxima virtud del grafismo molecular informatizado resida en su potencial para facilitar la comunicación. Las redes de transmisión de datos a alta velocidad permitirán el examen simultáneo de los últimos resultados en investigación molecular. El vídeo interactivo posibilitará el estudio de la estructura y función molecular. Y simulaciones refinadas, conjuntadas con gráficos realistas, consentirán adquirir la percepción personal del complejo mundo qu ímico que hay en nuestro interior.
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BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA MACROMOLECULAR GRAPHICS. A. Olson y D. Goodsell, en Current Opinion in Structural Biology, vol. 2, págs. 193-201; abril de 1992.
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Reventando el polvo Philip E. Ross
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on pegajosas como la goma. Es inútil tratar de lavarlas. O atacarlas con chorros de gas. Pero esas molestas motas, del tamaño de un virus, tienen que desaparecer. Cuando las líneas de los circuitos integrados se estrechan a menos de un micrometro, las partículas contaminantes provocan defectos y convierten los beneficios esperados en pérdidas seguras para los fabricantes. Las fábricas de semiconductores brillan hoy como los chorros del oro. Sematech, consorcio manufacturero de circuitos integrados en la texana Austin, tiene una sala rutilante, donde la densidad de polvo es la de un guisante en cuatro kilómetros cúbicos de aire. Pero la limpieza, por sí sola, no resuelve el problema de los desperdicios generados en la impresión de circuitos en obleas de silicio. Los contaminantes que se originan en el proceso causan casi la mitad de los defectos de los microcircuitos. ¿Qué producto de limpieza poseerá potencia suficiente para eliminar las partículas sin estropear la oblea? Varios investigadores están explorando técnicas que usan haces de luz láser que borre el polvo de las obleas semiconductoras. “No hay procedimientos alternativos para librarse de las motas”, dice Susan D. Allen, química de la Universidad de Iowa, que está patentando un método que se sirve del láser para la limpieza de los microcircuitos. Hay otras técnicas que dan buen resultado, siempre y cuando el tamaño de las partículas a eliminar superen el medio micrometro. Pero los componentes del tamaño inferior al micrometro podrían verse afectados por granos que miden 0,1 micrometro o menos. Con tales proporciones, las fuerzas de van der Waals adhieren las partículas a las superficies de los circuitos con intensidad pareja a la de un enlace químico. Los chorros de gas, demasiado débiles, son incapaces de vencer esas fuerzas. Los chorros de gas reforzados con partículas de hielo logran desalojar algunas partículas, pero esos chorros son, a su vez, proclives a la contaminación. El lavado por líquidos agitados por ultrasonidos no puede filtrarse en escalas submicroscópicas; o lo que es lo
MOTAS SUBMICROSCOPICAS que tapan parcialmente las falsillas empleadas para imprimir circuitos en obleas de silicio (arriba). IBM está desarrollando un sistema con un láser excímero que las elimina ( abajo).
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mismo: añade tanta suciedad como quita. Los plasmas, o gases ionizados, eliminan las partículas al reaccionar químicamente con ellas, pero reaccionan también con los substratos. La atracción electrostática puede transferir la suciedad de un microcircuito a una lámina en contacto con él; mas, de nuevo, la lámina no se deja limpiar bien. Los láseres presentan una doble ventaja: no rozan el microcircuito y emiten longitudes de onda que algunas substancias absorben mejor que otras. La técnica de Allen se funda en tal absorción diferencial. Somete las obleas de silicio a vapor de agua libre de polvo, que se acumula en las hendiduras que subyacen bajo las partículas. Ataca luego las obleas con láseres cuya emisión infrarroja coincide con las bandas de absorción del vapor de agua, pero no del silicio. El agua explota en forma de vapor, lanzando las partículas lejos de las obleas para que las arrastre la corriente de aire. El nuevo método ha logrado así eliminar el polvo de superficies de silicio lisas, sin estropear el substrato. Texas Instruments está interesada en la técnica de Allen. Es lógico para ella y para todas las empresas de microcircuitos: la limpieza por láser podría ahorrar parte de los más de 300 millones de dólares que se invierten en limpieza en las instalaciones de fabricación de circuitos integrados. Hoy, los fabricantes occidentales de microelectrónica desechan un 40 por ciento de los centenares de microcircuitos producidos de cada oblea de silicio de 15 centímetros. Se sospecha que las empresas japonesas desperdician sólo el 10 por ciento de sus microcircuitos. Allen no limita su sistema al vapor de agua. “En principio, podríamos incluso usar argón”, añade. Naturalmente, ello requeriría emplear un láser que emita una longitud de onda absorbible por el argón. Por su parte, el grupo de Werner Zapka, del Centro Alemán de Tecnología de IBM en Sindelfingen, interviene directamente sobre la suciedad. Al dirigir un potente haz ultravioleta de un láser excímero sobre las partículas, las hace saltar de la oblea. Andrew C. Tam, del Centro de Investigación Almadén de IBM en la ciudad californiana de San José, está ahondando en la técnica de Zapka; según sus palabras, el láser elimina las partículas incluso de substratos con puntos de fusión similares. Esto es importante, continúa Tam, porque la carencia de daños al substrato indica que el láser no puede estar vaporizando las partículas. Cree que el calor, por sí solo, provoca que las partículas salten, como al tostar maíz. Robert J. Baseman y Douglas W. Cooper, del Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM en Yorktown Heights, han visto bailar las partículas bajo el impulso de un láser excímero. “Mi impresión es que se podrían eliminar partículas del substrato sin dañarlo”, asegura Baseman. En cualquier caso, ningún sistema lasérico resuelve los problemas de limpieza que tiene planteados el Valle del Silicio. “Hay millones de partículas formadas por diferentes substancias”, resume Tam. “Quién sabe cuál podrá eliminarse y cuál no.” Pero se ha de encontrar alguna solución, o el microcircuito, cada vez más chico, se sofocará en su propio polvo.
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La retina de silicio Misha A. Mahowald y Carver Mead Un microcircuito basado en la arquitectura nerviosa del ojo proporciona una forma nueva y más poderosa de realizar cálculos
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l ojo es la ventana a través de la cual percibimos el mundo que nos rodea. El ojo es también la ventana a través de la cual discernimos la forma en que actúa el cerebro. La retina, capa delgada de tejido que tapiza la órbita del ojo, convierte la luz que le llega en señales nerviosas que el cerebro interpreta como imágenes visuales. Este pequeño apéndice del sistema nervioso central debe extraer todos los rasgos esenciales de una imagen visual con gran rapidez y fiabilidad bajo condiciones de iluminación que varían desde la oscuridad de una noche sin luna hasta la luminosidad extrema del sol de mediodía. La capacidad de la retina para llevar a cabo estas tareas es mayor q ue la de los más potentes superordenadores. Ahora bien, una por una, las neuronas de la retina son del orden de un millón de veces más lentas que los dispositi vos electrónicos y consumen una energía diez millones de veces menor. También operan con mucha menos precisión que los ordenadores digitales. El estudio de la forma en que la retina desempeña su cometido proporcionará una valiosa información sobre los principios computacionales de otras regiones del cerebro menos accesibles. El cálculo biológico debe, pues, diferir bastante de su contrapartida digital. Con el objeto de estudiar esta diferencia, decidimos construir un microcir-
MISHA A. MAHOWALD y CARVER MEAD trabajan en circuitos analógicos a gran escala en el Instituto de Tecnología de California. Mahowald diseña sistemas de visión que remedan la organización nerviosa. Mead es profesor de informática y figura destacada en el campo del desarrollo de métodos de diseño de circuitos integrados a gran escala. Trabaja ahora en la creación de modelos de silicio de la cóclea, la retina y otras estructuras corporales.
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cuito de silicio inspirado en la arquitectura nerviosa y en el funcionamiento de la retina. Esta retina artificial genera, en tiempo real, unas señales de salida que son una réplica de las que se producen en la retina humana. Nuestro éxito nos ha demostrado que esta iniciativa no sólo es capaz de esclarecer la naturaleza del cálculo biológico, sino que sirve también para demostrar que los principios del procesado neural de la información ofrecen un nuevo paradigma técnico de extraordinaria potencia.
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os sistemas de procesado de imágenes por medios electrónicos habituales no guardan especial parecido con la retina humana. Suelen estar constituidos por un dispositivo fotosensible que emite señales proporcionales al valor absoluto de la iluminación en cada punto de la imagen, respaldado por un potente ordenador que intenta extraer las características geométricas del objeto a partir de los datos digitales resultantes. La retina presenta cinco capas de células. A través de ellas fluye la información en un sentido vertical (de cada una de las capas a la siguiente) y en sentido horizontal (entre las células vecinas de una misma capa). La detección de los fotones y el procesamiento de toda la información que éstos contienen se combinan de forma muy compleja. Creemos que esta arquitectura es crucial para la formación de imágenes visuales. Las tres capas superiores de la retina (fotorreceptores, células horizontales y células bipolares) son las que mejor se conocen. Se trata, también, de las capas externas que hemos simulado en la retina de silicio. La primera capa consta de conos y bastones, que convierten la luz incidente en señales eléctricas. Las células horizontales —la segunda capa— establecen conexiones con fotorreceptores y células bipolares a través
de la sinapsis triádica. Cada célula horizontal se conecta con sus vecinas a través de las llamadas uniones de intervalo, por las que se difunden los iones. En razón de esa configuración, el potencial de una célula horizontal viene determinado por el valor medio ponderado espacialmente de los potenciales de las células que la rodean. La mayor contribución corresponde a las células inmediatas; las más distantes contribuyen relativamente menos. Cada célula bipolar recibe sendas señales de entrada procedentes de un fotorreceptor y de una célula horizontal y emite una señal que es proporcional a la diferencia entre estas dos. La información procedente de la célula bipolar atraviesa la capa celular amacrina, llega hasta los ganglios celulares y, finalmente, se transmite hasta el nervio óptico. La misión principal que cumplen esas tres capas es la de adaptación. Los fotorreceptores, las células horizontales y las células bipolares reciben una cantidad muy variable de la luz incidente y adaptan su respuesta para producir una señal con un intervalo dinámico mucho más estrecho que, sin embargo, capta toda la información a destacar en un cuadro determinado. La adaptación es necesaria para que el sistema pueda responder con sensibilidad a los pequeños cambios locales de la imagen en relación con un fondo cuya intensidad puede variar en un factor del orden de un millón entre el mediodía y la noche. La retina cubre este enorme inter valo mediant e una seri e de etapas diferentes. La primera de las respuestas biológicas se basa en la utilización de dos tipos de receptores diferentes: los bastones son sensibles a los niveles luminosos de baja intensidad y los conos a los niveles luminosos de intensidad más alta. Por otra parte, los conos están facultados para alterar el intervalo de las intensidades luminosas a las que responden, según el brillo
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medio a largo plazo de la escena percibida. (Estos mecanismos de adaptación explican por qué, cuando una persona pasa de una zona de sol intenso a otra de semioscuridad, ve desaparecer las imágenes como si hubieran sido obtenidas en condiciones de sobreexposición.)
Las células bipolares cuentan con un intervalo dinámico más estrecho que los de conos y bastones. El elemento principal para reforzar su respuesta en relación con los aspectos principales de una imagen es la si napsis triádica. La sinapsis triádica media la retroalimentación entre las células
1. ASI VE UNA RETINA DE SILICIO un gato en movimiento. Quedan con ello patentes las etapas iniciales del procesamiento de imágenes biológico. (Las zonas de la imagen que son más oscuras que sus alrededores aparecen de color azul; las que son más claras, de color rojo.) La retina responde con
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horizontales y los conos. En virtud de ello, las células bipolares no tienen que responder al brillo absoluto de una escena; responden sólo a la diferencia entre la señal procedente del fotorreceptor y la señal media local, tal como viene calculada por la red de células horizontales.
mayor fuerza a las imágenes en movimiento: la cabeza del gato y las patas delanteras sobresalen con un relieve más acusado, mientras que las partes del cuerpo que se encuentran en reposo se confunden con el fondo. (Fotografía de Jessie Simmons.)
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Modelo de estructuras neuronales en silicio
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a retina humana consta de células que conducen las señales nerviosas de una capa a otra y por el interior de cada capa. La retina de silicio reproduce las funciones de las tres capas exteriores de la retina humana: los fotorreceptores (conos y bastones), las células horizontales y las células bipolares. Los conos y bastones transforman la luz en señales eléctricas; las células horizontales responden a la intensidad luminosa media existente en su proximidad; las bipolares transmiten una señal que corresponde a la relación entre las señales de los bastones y las células horizontales a través de las células ganglionares.
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os fotorreceptores de silicio imitan la función de los conos de la retina. Cada uno consta de un fotosensor y un circuito de adaptación que ajusta su respuesta a los niveles luminosos variables. Una red de resistencias variables simula la capa de células horizontales y proporciona una respuesta basada en la cantidad media de energía luminosa que incide sobre los fotorreceptores más próximos. Los circuitos de las células bipolares amplifican la diferencia existente entre la señal procedente del fotorreceptor y el valor medio local. Todos los circuitos que se integran en la pastilla se disponen en bloques superpuestos. Las zonas de silicio contaminado con impurezas ( verde ) son las bases de los transistores y de los fotosensores; el polisilicio (rojo ) constituye los cables y los resistores; las líneas metálicas (azul ) actúan como conductores de baja resistencia. El diagrama (izquierda ) muestra la disposición del circuito del receptor y la red hexagonal de resistores variables que forma la red de células horizontales.
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Las señales emitidas por fotorreceptores y células horizontales son de tipo logarítmico; por tanto, la señal de salida de las células bipolares —diferencia entre ambas—corresponderá al cociente entre la intensidad de luz local y la intensidad del fondo, cualquiera que sea el valor absoluto del nivel luminoso. El procesamiento posterior de esa información en función del cociente entre intensidades permite que la retina perciba con detalle lo mismo las zonas claras que las oscuras encerradas en una misma escena. La adaptación local no se limita a asegurar la obtención de señales adecuadas para cambios pequeños del brillo de las imágenes; suprime también los elementos irrelevantes y refuerza los pertinentes. Las zonas grandes y uniformes producen sólo señales visuales débiles, porque los impulsos procedentes de un determinado fotoreceptor quedan cancelados por la señal promediada espacialmente que procede de la red de células horizontales. El perfil de los objetos produce señales intensas porque los receptores situados a ambos lados del perfil reciben niveles de luz que difieren notablemente del promedio local. La respuesta temporal, relativamente lenta, de la red de células horizontales refuerza la respuesta del sistema óptico a las imágenes en mo vimiento. Las señales de las imágenes de los objetos en movimiento que producen los fotorreceptores se obtienen en un tiempo en que las señales producidas por las células horizontales (con las que tienen que compararse) corresponden todavía a un nivel de intensidad anterior. Al contrario de lo que sucede en una cámara fotográfica, que produce una sola instantánea de una imagen, buena parte del trabajo de la retina se dedica a registrar cambios.
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mediados de la década de los ochenta, los neurocientíficos sabían ya lo suficiente sobre el modo de operar de las neurona: su funcionamiento no encerraba ningún misterio. Desde el punto de vista de un diseñador de sistemas, no había ninguna misión cumplida por un elemento neuronal que no pudiera repetirse con dispositivos electrónicos. Nuestro objetivo al construir una retina de silicio no planteaba en absoluto una reproducción biológica de este órgano en sus últimos detalles, sino la creación de una versión simplificada del mismo que contuviera la estructura mínima necesaria para remedar el funcionamiento biológico. Cada píxel de nuestro modelo de retina consta de tres partes: un fotorreceptor, una serie de conexiones de
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células horizontales y una célula bipolar. El fotorreceptor comprende un elemento fotosensible y un bucle de retroalimentación que imita el mecanismo lento de adaptación de los conos en la retina biológica. El fotosensor consiste en un transistor bipolar que produce una corriente proporcional al número de fotones que absorbe. El bucle de retroalimentación amplía la diferencia existente entre la fotocorriente instantánea y su nivel medio a largo plazo. El voltaje de salida de este circuito es proporcional al logaritmo de la intensidad luminosa. En el clímax de su sensibilidad, el fotorreceptor puede formar imágenes con flujos luminosos del orden de 100.000 fotones por segundo, un valor que correspondería a la intensidad de la luz existente en un paisaje bañado por la luz de la luna, enfocada sobre el microcircuito con la ayuda de la lente de una cámara fotográfica ordinaria. (Este valor se halla también próximo al límite operativo de los conos de la retina en los vertebrados.) Los cambios de intensidad elevados saturan la respuesta del fotorreceptor hasta que éste se adapta al nuevo nivel luminoso. Para imitar las células horizontales construimos una red hexagonal sencilla de resistencias y condensadores. Cada vértice de la red se conecta a un determinado fotorreceptor y, a través de resistencias idénticas variables, a los seis vértices más próximos. Los condensadores corresponden a la capacidad de almacenamiento de cargas de las membranas celulares horizontales, cuyas finas ramificaciones presentan una gran superficie para almacenar las cargas iónicas procedentes del fluido extracelular. Por su parte, las resistencias constituyen una réplica de las uniones de intervalo que emparejan células horizontales adyacentes en la retina de los vertebrados. El voltaje, en cada vértice de la red celular horizontal, presenta, pues, un valor medio espacialmente ponderado de las señales de entrada de los foto2. RETRATO DE LINCOLN ( arriba) y su difuminación gradual conforme la retina de silicio se va adaptando a una imagen inmóvil. Cuando la retina se ha adaptado a esta imagen evanescente, la sustitución de una hoja de papel en blanco produce una imagen residual en negativo, de f orma análoga a lo que sucede cuando el sistema visual humano percibe estas imágenes residuales al dejar de mirar una escena con objetos muy brillantes. La banda luminosa que recorta la cabeza de Lincoln en la primera imagen se produce como consecuencia de que la retina de silicio refuerza el contraste de los limites entre zonas claras y oscuras.
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3. IMAGENES DE UN BALON EN MOVIMIENTO para mostrar de qué modo la respuesta retardada de la red celular horizontal afecta a la percepción de la retina del hombre. El balón deja tras de sí
receptores a la red. Variando los valores de estas resistencias, podemos modular la superficie efectiva sobre la que se promedian tales señales: a mayor resistencia, se necesitará menos superficie sobre la que se distribuyan las señales. Las células horizontales sirven también para alimentar a los fotorreceptores y reducir su respuesta en zonas de intensidad uniforme.
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a señal de salida final de cada píxel de la retina de silicio procede de un amplificador que detecta la diferencia de potencial que existe entre la salida de una unidad de fotorreceptor y el vértice correspondiente de la red de células horizontales. El amplificador se asemeja, en su comportamiento, a las células bipolares de los vertebrados. El resultado es una pastilla de sem iconductor (“chip”) que contiene unos 2500 píxeles (los fotorreceptores y los circuitos de procesado de imágenes asociados con ellos), dispuestos en forma de una matriz de 50 por 50. Esta pastilla retiniana incorpora, además, todas las conexiones por cable y circuitos amplificadores que nos permiten estudiar las señales de salida de cada píxel o proceder a un barrido de las salidas de todos los píxeles y llevarlas hasta un monitor de televisión, que muestra así globalmente la imagen procesada por todo el sistema. (El proceso de diseño y construcción de esta retina de silicio ha requerido 20 ensayos diferentes, cada uno de los cuales ha costado varios meses de trabajo. La investigación continúa para crear nue vos diseños, específicos para determinadas tareas, y comprobar las hipótesis relacionadas con el proceso de formación de imágenes.) El comportamiento de esta retina artificial adaptativa muestra un estrecho parecido con el de los sistemas
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una cola o estela de excitación, con zonas brillantes en los lugares por los que han pasado las partes oscuras del mismo y con zonas oscuras en los lugares por los que han pasado las partes claras.
biológicos. Comenzamos por examinar humanos. Recordemos una de las más la forma en que las señales de salida conocidas, la del contraste simultáneo: de los píxeles responden a los cambios un cuadrado gris parece ser más oscuro de la intensidad luminosa cuando las cuando se coloca sobre un fondo blanco células que los rodean se encuentran que cuando se coloca sobre un fondo sometidas a una iluminación de fondo negro. Otras ilusiones ópticas se refieconstante. La forma de la curva de ren a las bandas de Mach (bandas aparespuesta es similar a la de las células rentes claras y oscuras adyacentes a bipolares de la retina de los vertebra- transiciones de la oscuridad a la luz) y dos. Los cambios de la iluminación de a la red de Herring, en la que aparecen fondo modifican el potencial de la red unos puntos grises en la intersección de células horizontales; y así, la curva de una red de líneas blancas. de respuesta de la retina de silicio se desplaza de la misma manera en que odas estas ilusiones ópticas aporlo hacen las retinas biológicas. tan datos de interés sobre el papel La respuesta temporal de la retina de la retina biológica en la reducción de silicio se parece también mucho a de la anchura de banda de la informala de las células bipolares. Cuando la ción visual para extraer los rasgos intensidad de la luz aumenta de esenciales de una imagen determirepente, existe un gran salto en el vol- nada. Las ilusiones se producen en taje de salida, igual a la diferencia que virtud de la codificación selectiva, por se aprecia entre la nueva señal de parte de la retina, de la información entrada y el voltaje medio almacenado visu al que recibe. El hecho de que previamente en la red de resistencias. nuestro modelo de retina proporcione La respuesta disminuye hasta alcan- en ocasiones ilusiones ópticas nos conzar un valor estable, para el que la red firma en nuestra interpretación de los calcula un nuevo voltaje medio. principios según los cuales opera la Cuando la luz disminuye bruscamente retina biológica. hasta alcanzar su intensidad original, El comportamiento de la retina artiel volta je de salida adquiere un valor ficial demuestra el poderío del parainferior al original, dado que la red digma de cálculo analógico en que se posee ahora un potencial medio mayor basan los circuitos nerviosos. El paraque el que tenía. Cuando la red vuelve digma digital que domina la computaa recuperar el valor medio original, la ción supone que la información debe salida torna también a su estado del digitalizarse para reducir al máximo principio. En una retina biológica, la el nivel de ruido y la degradación. En respuesta lenta de las células horizon- un dispositivo digital, los voltajes tales asegura que los cambios bruscos situados dentro de cierto intervalo se de la intensidad —que podrían corres- transforman en bits con un valor de ponder, por ejemplo, a la sombra de un uno, por ejemplo, mientras que los volpredador pasando sobre un animal— tajes situados en un intervalo difeatraviesen las células bipolares sin rente se convierten en ceros. Todos los dispositivos que están situados a lo sufrir ninguna atenuación. En las pruebas subsiguientes, encon- largo del camino de cálculo recuperan tramos que nuestra retina de silicio los valores de sus voltajes, retornando estaba sujeta a muchas de las mismas a sus valores correctos. La digitaliilusiones ópticas que perciben los zación impone precisión sobre sis-
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Ilusiones ópticas y retina de silicio
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i el comportamiento de la retina de silicio sufre percepciones erróneas propias del sistema visual, es legítimo pensar que domina principios biológicos esenciales. La parrilla de Herring es una ilusión óptica que se caracteriza por la aparición de manchas grises en las intersecciones de un reticulado de cua drados negros sobre un fondo blanco. Estas manchas se producen como consecuencia de que la res-
puesta de la retina en un punto dado del campo visual depende de la intensidad de la luz en los puntos próximos. Porque las zonas de las intersecciones contienen más espacio blanco, se reduce el brillo aparente de la propia intersección. Ocurre así en la ilusión óptica de contraste simultáneo ( abajo ), en la que un cuadrado gris aparece más oscuro o más claro según el brillo del fondo sobre el que destaca.
La ampliación de la red o parrilla pone de manifiesto que no se produce ningún cambio ilusorio en el brillo: tanto el centro como los alrededores del campo de recepción son menores que el espacio existente entre los cuadrados.
Cuando el tamaño del centro de recepción es comparable al espacio existente entre los cuadrados, se produce la ilusión óptica.
La ilusión desaparece de nuevo cuando el reticulado se ve desde cierta distancia: la intensidad media correspondiente a los alrededores es casi la misma en todas las zonas.
Los cuadrados pequeños que existen en estas dos figuras tienen la misma tonalidad de gris. Sin embargo, dado que la retina percibe el brillo de un objeto relacionándolo con el fondo en que se encuentra dicho objeto, el cuadrado de la derecha nos parece más claro.
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4. UN CUADRADO EN ROTACION produce una cola de píxeles oscuros (color azul) a medida que va girando. Este efecto síguese de la disminución lenta del voltaje en la red de células horizontales de la retina; el cuadrado brillante aumenta el potencial de esta red de células y provoca que los píxeles del f ondo aparezcan más oscuros en términos relativos. Entretanto, la zona circular del centro del cuadrado se muestra del mismo color que el fondo, dado que su intensidad no cambia con el tiempo y, por consiguiente, la retina se adapta a ella.
temas físicos que, por naturaleza, son imprecisos. Por el contrario, las neuronas son dispositivos analógicos: sus cálculos están basados en corrientes de iones variables de forma continua y no en bits que representan valores discretos de ceros y unos. A pesar de ello, los sistemas neuronales son procesadores de información altamente eficientes. Ello se explica por el trabajo de los sistemas nerviosos, que se basan en la física fundamental y no intentan oponerse a ella. Aunque la naturaleza no sabe nada de bits, del álgebra de Boole o de la teoría de sistemas lineales, muchos fenómenos físicos cumplen importantes funciones matemáticas. Por ejemplo, el principio de conservación de la carga determina que las corrientes eléctricas se sumen o resten. Las propiedades termodinámicas de los iones dan lugar a que las corrientes que fluyen hacia el interior de una célula sean una función exponencial de la diferencia de potencial que existe a ambos lados de su membrana.
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raciones de calibrado muy precisas. El contexto para una señal neurológica puede ser la intensidad luminosa media local, como sucede cuando la señal del fotorreceptor se compara con la señal procedente de una red de células horizontales en la sinapsis triádica. Puede tratarse también del comportamiento previo del propio circuito neuronal, como ocurre en el proceso de adaptación a largo plazo de un fotorreceptor ante los cambios de nivel luminoso. El contexto de una señal puede estar formado también por un conjunto algo más complejo de pautas nerviosas, incluidas todas las que constituyen los procesos de aprendizaje. La interrelación existente entre el contexto y la adaptación es un principio fundamental del paradigma neuronal. Este principio condiciona los circuitos inspirados en la neurología. Dado que la información se basa siempre en cambios y diferencias, los cambios constantes son una necesidad para los sistemas neuronales y no una fuente de dificultades, como sucede en los sistemas digitales. Por ejemplo, cuando se muestra una imagen a una retina digital, es necesario que la mantengamos siempre en movimiento; en caso contrario, la retina se adaptará a ella y dejará de percibirla. Esta exigencia de cambios sitúa firmemente a los circuitos neuronales en el mundo que observan, en contraste con los circuitos digitales, cuyo diseño parte de la separación entre el sistema y el mundo exterior.
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emos andado ya los primeros pasos en la simulación de los La física ayuda a explicar por qué los circuitos integrados digitales más cálculos que realiza el cerebro para eficientes que se puedan imaginar con- procesar una imagen visual. ¿Cómo sumirán del orden de 10 –9 joules por generalizar esa misma estrategia a cada operación, mientras las neuronas otros tipos de cálculos cerebrales? A sólo consumen 10–16 joules. En los sis- primera vista, puede parecer que la temas digitales, las operaciones con naturaleza básicamente bidimensiodatos y los cálculos deben llevarse a nal de los circuitos integrados actuales cabo convirtiéndolos en un código constituya un freno limitante de nuesbinario, un proceso que requiere unos tro esfuerzo por modelizar el tejido 10.000 cambios de voltaje digitales por nervioso. Ahora bien, muchas partes cada operación. Los dispositivos ana- del sistema nervioso central están lógicos ejecutan esta misma operación constituidas por láminas delgadas que en un solo paso y, por tanto, disminu- soportan representaciones bidimenyen el consumo de potencia de los cir- sionales de toda la información relecuitos de silicio en un factor del orden vante a efectos de los cálc ulos . La de 10.000. retina es sencillamente el ejemplo más De mayor trascendencia resulta que obvio de esta disposición. Y, lo mismo la capacidad de los circuitos neurales en el sistema nervioso que en el de analógicos para trabajar en medios silicio, los dispositivos activos —sean impredecibles dependa de su habilidad sinapsis o transistores— ocupan no para representar la información en su más allá del 1 o 2 por ciento del espaconjunto. Estos circuitos responden a cio; los “cables” de conexión ocupan la las diferencias existentes en la ampli- superficie restante. En consecuencia, tud de las señales, y no a sus valores podemos asegurar que la limitación absolutos; eliminan así, en buena que representan las conexiones ha forparte, la necesidad de proceder a ope- zado el diseño de muchas de las partes
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del cerebro hasta proporcionarle una comprensión del cerebro. Durante configuración peculiar. años, los biólogos han dado por Las formas de conexión especializa- supuesto que el funcionamiento del das constituyen una adaptación evi- cerebro se entendería del todo cuando dente a las situaciones en que el se supiera de qué modo operan todas número de elementos de procesa- las moléculas integrantes de una miento viene limitado por la cantidad membrana nerviosa. Pero el modelo total de cable de conexión que se nece- del cálculo digital y el del cálculo anasita para acometer una operación de lógico han demostrado la falsedad de cálculo. Por ejemplo, las conexiones esa suposición. Después de todo, los cerebrales se disponen de forma tal ordenadores se construyen partiendo que permitan asegurar que toda la de un sistema de dispositivos perfecinformación que está estrechamente tamente establecido cuyo funcionarelacionada se almacena en grupos de miento se conoce en sus más mínimos neuronas que se encuentran muy detalles. Lo que no empece que, próximas entre sí. En particular, las mu chísimas veces, sea imposible zonas corticales que llevan a cabo las demostrar que un simple programa de primeras fases del procesamiento de ordenador calculará cierto resultado o las informaciones visuales mantienen incluso si el correspondiente cálculo constantes las relaciones espaciales de llegará a su fin. la imagen. Esta forma cartográfica de organización de la corteza cerebral ejando al margen la perfección que posibilita que la mayoría de las conexiose alcance en la reproducción de nes del cerebro sean de corta longitud esa arquitectura del cerebro, este y muy ramificadas. Siguiendo esta diseño, por sí solo, no nos proporciomisma disposición, en nuestra retina nará una visión global de los principios de silicio las resistencias de la red celu- y representaciones que rigen la orgalar horizontal realizaban los cálculos nización del sistema nervioso. Las para todo el circuito y no sólo los interacciones entre los cálculos correscorrespondientes a las células adya- pondientes son demasiado complejas. centes más inmediatas. No obstante, si los investigadores son El desarrollo futuro de la retina de capaces de fabricar sistemas de silicio silicio y otros microcircuitos, similares que reproduzcan adecuadamente un a éste e inspirados también en las sistema biológico, pueden contribuir a neuronas, discurrirá por dos caminos hacer progresar nuestros conocimienpotencialmente divergentes. Consiste tos actuales del sistema nervioso. el primero en la creación de una El éxito de esta aventura puede tenmáquina de visión mejorada. Al fin y der un puente entre la neurobiología y al cabo, una pastilla (“chip”) que aloje las ciencias de la información, amén un conjunto de circuitos analógicos, de permitir un conocimiento más más o menos sencillos, puede realizar hondo del cálculo como proceso físico. las mismas funciones que un sistema Todos estos planteamientos fructificade muchas pastillas que contenga un rán en una visión totalmente nueva sensor de imágenes, muchos micro- del procesamiento de la información procesadores potentes y pastillas con que canalice la potencia de los sistegran capacidad de memoria. Algo se mas analógicos colectivos para resolha hecho en este sentido; me refiero al ver problemas que son inabordables diseño de circuitos binoculares, forma- con los métodos digitales al uso. dos por la asociación de dos retinas de silicio, con el fin de determinar la distancia entre dos objeto s de una misma escena. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA La visión real (o algo que se le THE RETINA: A N A PPROACHABLE PART OF aproxime) exigirá probablemente la THE BRAIN. John E. Dowling. Belknap utilización de microcircuitos de retina Press of Harvard University Press, 1987. que centupliquen el número de píxeles ADAPTIVE RETINA. Carver Mead y Mohamde los actuales, amén de otros circuitos med Ismail. Kluwer Academic Publiscapacitados para reproducir, de la hers, 1989. mejor manera posible, el trabajo de las AN ELECTRONIC PHOTORECEPTOR SENSI funciones que son sensibles al moviTIVE TO SMALL CHANGES IN INTENSITY . T. Delbruck y C. A. Mead en Advances in miento y que refuerzan los perfiles de Neural Information Processing Systems las imágenes. En última instancia, I. Dirigido por David Touretzky. Morgan estos sistemas deberán incorporar Kaufmann Publishers, 1989. también ciertos circuitos nerviosos Silicon Retina. M. A. Mahowald y Carver que reconozcan las imágenes produciMead en Analog VLSI and Neural Sysdas por la retina. tems. Dirigido por Carver Mead. AddiEl otro camino conducirá hacia un son-Wesley, 1989. objetivo todavía más ambicioso: la
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Cuestión de peso Deborah Erickson
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as tarjetas de memoria constituyen el nervio de los ordenadores portátiles. Pero, ¿por qué tienen éstos que pesar tres kilos? Se responderá que la mitad del peso se lo llevan las baterías que alimentan la operación del control mecánico del disco que permite almacenar datos. Cabe, sin embargo, otra vía alternativa. Los fabricantes de circuitos integrados y de ordenadores están empeñados en crear una forma de memoria permanente, libre de los inconvenientes que presentan los soportes de registro magnético. La solución podría venir de las tarjetas de memoria, que son paquetes de microcircuitos de silicio. Del tamaño de una tarjeta de crédito, aunque algo más gruesas, las tarjetas de memoria almacenan programas y datos. Son menores, más rápidas y más ligeras que los controles mecánicos de disco empleados por los ordenadores portátiles y de sobremesa. Los datos almacenados en los microcircuitos se pueden recuperar rápidamente con muy poco consumo de energía. Con las nuevas normas de diseño de equipos y programas, las tarjetas de memoria compatibles transformarán radicalmente el significado de “portátil”. Conforme las tarjetas vayan almacenando y procesando mayor información, ensancharán el radio de aplicación de los ordenadores personales. Aparte de las hojas de cálculo y los programas de tratamiento de textos, los ingenieros sueñan con módulos conectables que ofrezcan mapas de carreteras, listas de restaurantes y hasta periódicos. Las tarjetas de memoria a medida han hallado ya aplicaciones industriales en vuelos de pruebas de aviones y control de inventarios. No hace muchos años se introdujeron en sintetizadores de música, cartuchos de videojuegos, aprendizaje de pronunciación y agendas. El primer escollo grave que ha habido que superar ha sido el de la normalización, estándar que se resume en el acrónimo PCMCIA, que en inglés designa la asociación internacional de ordenadores personales con tarjeta de memoria. Cada uno iba al comienzo por libre, pero ya se ha logrado la estandarización. Bajo la norma de PCMCIA, los conectores en las tarjetas de memoria tendrán todos 68 agujas; cada una corresponde a una señal discreta de almacenamiento de datos. Se reserva alguna para futuros usos, tales como funciones periféricas, como los módems. No es casualidad que la norma de distribución de agujas coincida con la propuesta por la
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Asociación de Desarrollo de la Industria Electrónica del Japón (JEIDA) en 1985. Los fabricantes occidentales querían un acuerdo y lograr que cualquier máquina que emplease el sistema operativo corriente MS-DOS (por ejemplo, los PC de IBM) pudiera usar cualquier tarjeta. De la misma manera que se están desarrollando diferentes funciones para las tarjetas de memoria y de entrada y salida, los fabricantes de semiconductores están ensayando diversos métodos de almacenamiento de datos. Los circuitos integrados de memoria usados en la mayoría de los ordenadores, conocidos como DRAM (“Dynamic Random Access Memory”, o memoria de acceso aleatorio dinámico), no son apropiados para almacenamiento permanente porque no retienen los datos cuando se desconecta el ordenador. La estrella ascendente entre los sistemas de almacenamiento de datos es la memoria relámpago, o Flash; muchos lo consideran el mejor sistema para las tarjetas de memoria. No necesita batería para mantenerla y se puede reprogramar eléctricamente. El inconveniente de Flash es que hay que borrarlo por sectores. En lugar de variar un mensaje de “Hola Sara, ¿cómo estás?” a “Hola, Sito...” simplemente cambiando el nombre, Flash guardará un documento entero, consumiendo valioso espacio. Algunas compañías se esfuerzan en salvar esa limitación borrando bloques cada vez menores; otras fían en los programas para que se cuiden de borrar lo sobrante cuando el usuario está trabajando en otra zona de la tarjeta. Cada clase de pastilla requiere su propio modo de almacenamiento de datos. A fin de superar este obstáculo para la intercambiabilidad, PCMCIA y JEIDA se pusieron de acuerdo en normalizar un “Metaformato”, o indicador lógico que describe, para cualquier máquina adaptada al mismo, el contenido del disco y su organización interna. El problema estriba, sobre todo, en la compatibilidad de medios entre las versiones antiguas y las más modernas de MS-DOS. Todavía hay dificultades que allanar, pero es seguro que el campo avanzará con el perfeccionamiento de las tarjetas de memoria. Las empresas agresivas y rápidas ganarán dinero a corto plazo, hasta que los costes de fabricación inevitablemente se conviertan en el más exigente criterio de supervivencia.
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Semiconductores de arseniuro de galio Marc H. Brodsky No se trata de que sustituyan a los de silicio. Su velocidad y sus propiedades ópticas permiten muchas aplicaciones en el campo de los ordenadores y de las comunicaciones optoelectrónicas
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a era de la electrónica se asienta sobre la explotación de circuitos microscópicos grabados sobre láminas de silicio. El éxito actual y las perspectivas futuras del silicio en los sistemas electrónicos domésticos, comerciales, industriales y militares explica la actitud crítica de quienes trabajan con él ante la aparición de otro semiconductor prometedor, el arseniuro de galio. “El arseniuro de galio”, dicen con sorna, “es la técnica del futuro, siempre lo ha sido y siempre lo será”. Al cabo de casi treinta años de ser la técnica del futuro, el arseniuro de galio ha empezado a abrirse su propio camino, no para desbancar al silicio, sino para servirle de complemento en nuevas aplicaciones. Sus ventajas específicas se centran en la velocidad con que los electrones se mueven a su través, en las operaciones con señales débiles y en la generación y detección de la luz. Estas ventajas revisten especial interés en muchas aplicaciones relacionadas con los ordenadores, con la recepción de señales de televisión y con la transmisión optoelectrónica de datos a través de redes de fibras ópticas (la fotónica, como se denomina esta técnica). Los láseres y diodos emisores
MARC H. BRODSKY ha dirigido muchos trabajos de investigación sobre las propiedades fundamentales y las aplicaciones de los semiconductores, en el Centro de Investigación Thomas J. Watson de la empresa IBM en Yorktown Heights. Estuvo al frente del laboratorio de tecnología avanzada de arseniuro de galio hasta su nombramiento como director de planificación técnica en la división de investigación de esta empresa. Brodsky cursó todos sus estudios de física en la Universidad de Pennsyl vania.
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de luz de arseniuro de galio, que se utilizan en los equipos de reproducción de discos de audio y en las técnicas de producción de imágenes visuales, alcanzan una importante cifra de ventas. Cada año se venden cientos de miles de antenas receptoras de las señales procedentes de satélites en las que se utilizan detectores de arseniuro de galio. Se prevé que el empleo de circuitos de gran velocidad que utilicen transistores de arseniuro de galio alcanzará una difusión similar dentro de muy pocos años. En una economía y una sociedad que dependen del intercambio rápido de información y de su procesado subsiguiente, se exigirá que muchos de los dispositivos basados en el silicio incorporen una proporción considerable de componentes de arseniuro de galio para realizar adecuadamente su trabajo.
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a tecnología del arseniuro de galio ha seguido las huellas del curso de desarrollo que los científicos trazaron en su día para el silicio. Desde la invención del transistor, en 1948, por John Bardeen, Walter H. Brattain y William B. Shockley, de la compañía Bell Telephone, los investigadores han intentado mejorar los semiconductores siguiendo dos caminos diferentes. En primer lugar, los físicos e ingenieros electrónicos buscan materiales que sean capaces de conectar y desconectar un circuito con la mayor rapidez posible, y que lleven a cabo además otras operaciones, tales como la detección y producción de luz. La verdad es que la preparación del arseniuro de galio —un material que no existe en la naturaleza— se llevó a cabo, en los años cincuenta, gracias a Heinrich Welker, de los Laboratorios Siemens, con la intención de cubrir estos objeti vos. Welker inve stigó, con idéntico pormenor, otros semiconductores rela-
cionados con este material, derivados de elementos situados en las columnas del sistema periódico adyacentes a la del silicio y germanio, que fueron los elementos constituyentes de los primeros transistores. En segundo lugar, los ingenieros se han preocupado por mejorar las técnicas de fabricación de los semiconductores. Este trabajo exige que las propiedades físicas y químicas de los semiconductores estén bien definidas y que se desarrollen los procesos y los materiales auxiliares compatibles con ellos, para fabricar los aislantes, conductores, conexiones externas y otros componentes esenciales de los correspondientes circuitos. Los materiales semiconductores han de purificarse con sumo cuidado, combinarse con otras sustancias en proporciones precisas y producirse en forma de cristales perfectos; las imperfecciones originadas durante el proceso de fabricación de los transistores y circuitos deben eliminarse sin comprometer las propiedades electrónicas deseadas. Ni siquiera hoy es fácil el cumplimiento de ninguno de estos requisitos; mucho menos lo fue en un principio, cuando tuvo que crearse una nueva ciencia de los materiales conjugando una serie de estudios fundamentales de física, química, metalurgia y otras disciplinas. Intentaré guiar al lector a través de estos campos atractivos, e interrelacionados, de la física, la ingeniería, los materiales y la electrónica, para demostrar por qué el arseniuro de galio es un material cuya comercialización constituye un reto y se nos ofrece, a la vez, tan prometedora. La propiedad más interesante del arseniuro de galio es la gran facilidad con que los electrones se mueven en su seno: a igualdad de condiciones, los circuitos de arseniuro de galio son más rápidos que los circuitos de silicio para
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potencias iguales o incluso inferiores. Como el arseniuro de galio consume menos energía, el calor que ha de extraerse del circuito resulta menor. Esta propiedad adquiere toda su importancia si se tiene en cuenta la relación que existe entre la velocidad de un semiconductor y la energía que consume. Un ingeniero tiene que prestar atención al problema de la velocidad en el contexto de un dispositivo concreto y no en un cristal puro de un determinado elemento o compuesto. En la actualidad se utilizan diferentes tipos de transistores como elementos de conexión y desconexión en circuitería electrónica ( véanse las figuras 2 y 3). La realización de cálculos o el procesamiento de datos se llevan a cabo efectuando ciertos cambios en estos dispositivos. Estos cambios no pueden ser más rápidos que la velocidad de conexión o desconexión, es decir, el tiempo que un electrón invierte en atravesar la región del semiconductor gobernada por las señales eléctricas procedentes de otra parte del circuito.
La velocidad de conexión o desconexión de un semiconductor depende de la velocidad media con que los electrones se mueven en su seno; esta velocidad es del orden de un millón o más de centímetros por segundo. Los electrones encuentran muchos obstáculos en su movimiento a través de un transistor; como consecuencia de las muchas colisiones que tienen con los átomos, los iones o con otros electrones, los electrones en cuestión adquieren una distribución de velocidades característica, cuya forma viene determinada por el campo eléctrico bajo el que se mueven y por la manera en que resultan difundidos por los átomos que constituyen el semiconductor y las impurezas existentes en el mismo. Los electrones se mueven en todas direcciones y pierden, a menudo, una parte de su energía, disminuyendo su flujo neto en la dirección del campo eléctrico aplicado. Una analogía mecánica nos ayudará a explicar de qué modo influyen las propiedades físicas sobre el movimiento de un electrón en un semiconductor. Podemos representar dos
1. DISPOSICION ANIDADA de los átomos de arsénico (naran ja) y de galio (verde) que constituyen el arseniuro de galio, en
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materiales semiconductores diferentes mediante sendos tubos, recubiertos de obstáculos, vibrantes y estacionarios, e igualmente inclinados respecto a la horizontal. Los obstáculos simbolizan el mecanismo de difusión, mientras que la inclinación proporciona un campo gravitatorio correspondiente al campo eléctrico; unas bolitas que caen por el interior de los tubos representan a los electrones. En este símil la velocidad de conexión es el tiempo que tardan las bolas en alcanzar el extremo inferior de los tubos, mientras que la movilidad de los electrones está representada por la facilidad con que salvan los obs táculos. También podemos considerar esta cualidad como una consecuencia del tamaño de las bolas: cuanto menores sean, menos chocarán e irán más rápidas. Los electrones de los semiconductores se mueven a través de un conjunto de átomos constituyentes que se disponen en una red cristalina determinada. Como los electrones de conducción se comparten entre todos los átomos presentes, dicha red tiene el carácter electrónico de un simple tubo
una microfotografía obtenida por Randall M. Feenstra y Joseph A. Stroscio, de la compañía IBM.
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respecto al paso de los mismos. Las La analogía de las esferas y los tubos El otro motivo principal de la supeestructuras formadas por átomos de con las colisiones de los electrones sólo rioridad del arseniuro de galio sobre galio y de arsénico que se pueden puede aplicarse a las aceleraciones el silicio estriba en la enorme facilidad observar en la imagen de microscopía resultantes de la acción de campos con que pueden modificarse las sepaelectrónica que reproducimos en la eléctricos inferiores a 10.000 volt por raciones entre sus bandas electrónicas figura 1 atraen a los electrones móviles centímetro. La aplicación de campos o niveles de energía. Esta “ingeniería con menor intensidad de lo que lo superiores origina efectos físicos adi- del intervalo entre bandas” puede orihacen las de los átomos de silicio. Por cionales que producen saturación, ginar ciertas propiedades optoelectróesta razón los físicos consideran que la situación en la que los electrones se nicas muy versátiles y permite disemasa efectiva de los electrones resulta hacen realmente más pesados; en tal ñar transistores más flexibles. Una menor en el arseniuro de galio que en caso la ventaja del arseniuro de galio banda electrónica define el intervalo el silicio. Hay factores adicionales que sobre el silicio se reduce y puede llegar de energías que posee un electrón y contribuyen a proporcionar mayor a invertirse. Los voltajes óptimos de representa una forma ensanchada del movilidad, de modo que los electrones trabajo del arseniuro de galio son de estado energético de un electrón en un alcanzan mayores velocidades en el hecho inferiores a los del silicio, cir- átomo. En un semiconductor puro la primero; la distancia recorrida entre cunstancia que dificulta la interco- banda de valencia (que contiene a los dos colisiones consecutivas resulta ser nexión de circuitos de uno y otro tipo. electrones responsables del enlace también mayor. La coexistencia de ambos semiconduc- químico) está fundamentalmente Se puede evitar por completo la tores impone adoptar voltajes de com- llena o completa; el nivel de energía difusión haciendo que los recorridos promiso. mayor inmediatamente siguiente, la críticos sean más cortos que la distanbanda de conducción, está fundamencia media entre las colisiones sucesia movilidad tiene también impor- talmente vacía. Mediante un proceso vas de los electrones. Se aseguraría así tancia en las operaciones a alta de contaminación se crean algunas que la mayoría de los electrones frecuencia y con bajo nivel de ruido. cargas móviles en las bandas; este atravesasen la zona crítica realizando Puede reducirse el ruido (es decir, las proceso consiste en una adición cuidarecorridos balísticos ( véase “Elec trones fluctuaciones aleatorias del voltaje dosa de trazas de impurezas en el balísticos en semiconductores”, por que determinan el valor mínimo utili- semiconductor de base. Las regiones Mordehai Heiblum y Lester F. zable de la señal), para frecuencias que poseen electrones en la banda de Eastman, INVESTIGACIÓN Y CIENCIA , elevadas, aumentando todo lo posible conducción reciben el nombre de semiabril de 1987). Sin embargo no se la movilidad de los electrones, tanto en conductores de tipo n; se preparan piensa que este principio pueda tener el propio transistor como en sus contaminando el material básico con aplicación práctica hasta que hayan conexiones al resto del circuito. La átomos que se comportan como donantranscurrido algunos años desde que utilización de circuitos de arseniuro de tes de electrones; las regiones de tipo los transistores de arseniuro de galio galio de bajo nivel de ruido es muy p se forman añadiendo agujeros carordinarios encuentren su lugar ade- ventajosa para la detección de señales gados positivamente (cada uno de cuado en el menú tecnológico. de televisión y de microondas. estos agujeros consiste, en realidad, en la ausencia de un electrón en la banda de valencia). La diferencia de energías entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción se denomina intervalo o separación entre las bandas. Este inter valo es mayor en el arseniuro de galio que en el silicio, pero su anchura puede aumentarse o reducirse sustituyendo los átomos que lo constituyen por otros diferentes (aleación). Por ejemplo, si el galio se sustituye por aluminio, para dar lugar al arseniuro de aluminio, la anchura del intervalo entre las bandas resulta mucho mayor. Las sustituciones parciales de átomos producen intervalos de bandas cuya anchura guarda proporción directa con la cuantía de aluminio en la aleación. Se pueden crear otras aleaciones útiles sustituyendo algunos átomos de galio por indio, de arsénico por fósforo o recurriendo a ambas 2. ESTE TRANSISTOR BIPOLAR sirve para abrir y cerrar un circuito que se conecte entre su emisor y su colector, dos regiones en las que existen electrones suminissustituciones a la vez. trados por donantes (contaminación de tipo n). Estas zonas están separadas por una Los espaciados interatómicos de las región controlada, la base, que contiene algunos agujeros (contaminación de tipo p). aleaciones de arseniuro de galio y aluCuando a esta base se aplica una corriente, los electrones inyectados por el emisor minio se ajustan tan bien a los del atraviesan el transistor y llegan hasta el colector, cerrando el circuito. Estos dispoarseniuro de galio puro que pueden sitivos se fabrican sobre obleas de silicio utilizando procedimientos fotolitográficos unirse átomo a átomo ambos materiay otros métodos de crecimiento y elaboración. El arseniuro de galio que se utiliza les sin que aparezcan defectos. Esto en dispositivos bipolares se deposita formando tres capas diferenciadas; una o varias de estas capas pueden contener cantidades variables de aluminio. permite utilizar capas muy delgadas
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de dos o más aleaciones alternadas para crear heterouniones, es decir, estructuras cuyos intervalos entre bandas varían de una capa a otra. Un ejemplo de esta posibilidad es la superred de semiconductor, inventada por Leo Esaki y sus colaboradores en la empresa IBM. Esta estructura singular consiste en un depósito de una serie de capas sucesivas y alternas de arseniuro de galio y aluminio y de arseniuro de galio, depositadas sobre un sustrato de este último. Los electrones que se mueven paralelamente a los planos de las capas que constituyen esta especie de “bocadillo” resultarán confinados normalmente en el intervalo de bandas más bajo de las capas de arseniuro de galio. Para que se muevan en sentido perpendicular deben penetrar y atravesar las barreras de los intervalos de bandas del arseniuro de galio y aluminio. Variando el número, la anchura y la composición de dichas capas se pueden manipular las propiedades físicas y electrónicas de las heterouniones semiconductoras.
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l crecimiento de cristales perfectos constituye un requisito esencial para aprovechar las ventajas que representa la variabilidad del inter valo de bandas del arseniuro de galio. Por desgracia los espaciados atómicos de muchas aleaciones que poseen las propiedades electrónicas adecuadas resultan inapropiados; sus redes cristalinas no se entremezclan, ni tampoco lo hacen con las del arseniuro de galio. Si se procede a laminar dos cristales mal ajustados, algunas filas de átomos saltarán a través de las caras adyacentes, creando defectos que pueden propagarse a lo largo de la capa correspondiente y arruinar su aprove- 3. LOS TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO regulan el paso de electrones a chamiento electrónico. Este efecto través de un canal situado bajo un electrodo: la puerta. Cuando se aplica una carga limita la lista de sustancias que pue- positiva a ésta, atrae a los electrones hacia la parte superior del sustrato, creando den unirse. Se puede aceptar cierto un canal conductor con contaminación de tipo n. Este canal conduce a los electrones desajuste entre las redes siempre que desde una región de tipo n, la fuente, hasta otra región de tipo n conocida como una de las capas cristalinas sea muy sumidero o drenador, cerrando el circuito al que estos terminales están conectados. En la versión de silicio ( parte inferior ) se utiliza el óxido natural de este elemento delgada, pero así se restringen tam- como capa aislante entre la puerta y el sustrato. Por contra, el diseño normal con bién las posibilidades del diseño. arseniuro de galio tiene ambos conectados ( parte superior ). En algunos casos se consiguen modificaciones importantes de la anchura del intervalo entre bandas utilizando un sustrato diferente. Por ejemplo, en ñadas al efecto. Estos materiales redes ha permitido mejorar bastante los láseres de fosfuro y arseniuro de amortiguadores están constituidos por las cualidades de ciertos láseres y galio e indio se utilizan sustratos de va rias alea cion es cuyo s crista le s transistores. fosfuro de indio; esta clase de láseres poseen espaciados atómicos intermeRaymond Dingle y sus colaboraresulta muy indicada en las comu- dios a los de las capas activas, siendo dores, de los Laboratorios Bell, pusienicaciones a grandes distancias capaces de absorber de forma gradual ron a punto en 1979 un nuevo diseño mediante fibras ópticas. las tensiones mecánicas generadas en para transistores de efecto de campo A veces se evi tan los desaju stes ellas. Los materiales amortiguadores heterounión, basado en la colocación directos entre dos capas cristalinas permiten también aislar los circuitos de un canal de arseniuro de galio bajo que posean las propiedades electróni- de cualquier defecto residual que esté una capa de arseniuro de galio y alucas requeridas separándolas mediante presente en el sustrato de arseniuro minio. Estos autores descubrieron unas superredes amortiguadoras dise- de galio. La utilización de estas super- que, cuando un átomo contaminante
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situado en una capa de arseniuro de Además de la movilidad de los elec- uniones p/n de arseniuro de galio en galio cede un electrón a la banda de trones y de la flexibilidad del intervalo sendos ensayos llevados a cabo de conducción, se convierte en un ion entre bandas, la tercera y más impor- manera independiente por las emprepositivo que produce la dispersión de tante ventaja del arseniuro de galio sas IBM y General Electric en 1962. otros electrones. En consecuencia pro- sobre el silicio es su capacidad de emi- Los diseños modernos, basados en el cedieron a separar los átomos donan- tir y detectar radiación en el infrarrojo intervalo entre bandas, dependen de tes de electrones presentes en el arse- próximo. La energía potencial de un estructuras que contienen capas de niuro de galio introduciendo ciertos electrón que se mueva desde la banda composiciones diferentes. Por ejemplo, contaminantes en una capa adyacente de conducción hasta la de valencia en los láseres de arseniuro de galio emide arseniuro de galio y aluminio. Los el arseniuro de galio puede emitirse en ten radiación de longitud de onda electrones que proporcionan los áto- forma de un cuanto de radiación elec- situada en el infrarrojo próximo, mos contaminantes se mueven hacia tromagnética o fotón. En el caso del debido a que el intervalo entre bandas la banda de conducción más baja de silicio esta misma reacción suele de- del arseniuro de galio corresponde a la capa de arseniuro de galio más sarrollarse mediante un proceso no una energía situada por debajo mismo próxima y, por tanto, se mueven más radiante, una colisión por ejemplo, de los fotones visibles. Si se mezcla el deprisa de lo que lo harían si los áto- para conservar el momento. Esta dife- arseniuro de galio con otros elementos mos donantes ionizados permanecie- rencia en las propiedades del intervalo (aluminio, indio, fósforo) varía la ran en el canal, bloqueando su camino. entre bandas explica por qué el arse- anchura de dicho intervalo aumenEsta técnica de contaminación modu- niuro de galio puede realizar funciones tando o disminuyendo, lo cual produce lada no tardó en incorporarse en los optoelectrónicas y el silicio no. una salida que, según los casos, se transistores de efecto de campo de sitúa en el infrarrojo más lejano o en arseniuro de galio fabricados por las na fuente de radiación de arse- la región visible. firmas Fujitsu y Thomson-CSF. niuro de galio consiste en un La capacidad del arseniuro de galio Gracias a ella se aumenta la movilidad diodo en el que existen dos regiones y de sus aleaciones para detectar la de los electrones en un veinte por con contaminaciones opuestas; en la luz, invirtiendo la reacción en que se ciento a temperatura ambiente. región de tipo p existen muchos aguje- basa el funcionamiento de los LED y de Cuando se enfrían a temperaturas de ros (en la banda de valencia) y en la los diodos láser, reviste también inte77 grados Kelvin (es decir, 77 grados región de tipo n existen muchos elec- rés. Los fotodetectores resultantes se centígrados por encima del cero abso- trones (en la banda de conducción). La pueden ajustar a una determinada luto), los transistores de este tipo tra- aplicación de un voltaje a este diodo longitud de onda por medio de las misbajan con una movilidad tres veces p/n produce una inyección de agujeros mas técnicas basadas en el intervalo mayor que la de los dispositivos con- y electrones en la zona que separa las entre bandas que se utilizan para ajustaminados según las técnicas habi- dos regiones, creando un exceso de tar los diodos láser. Por su gran rendituales. ambos. La combinación de un electrón miento, la respuesta de los fotodetecy un agujero origina su aniquilación; tores de arseniuro de galio es mucho tro aspecto material del arseniuro la energía correspondiente al intervalo más rápida que la de los de silicio. Y de galio que podría acelerar la de bandas de los electrones se emite presentan otra ventaja adicional: su velocidad de los circuitos es que sus en forma de un fotón. fácil integración en los circuitos de alta obleas pueden actuar como semiaisEsta recombinación electrón-agu- velocidad de arseniuro de galio. lantes. Dichas obleas sirven de sus- jero es de una gran eficienci a (e n trato sobre el que se construyen los ciertas condiciones puede convertir a posibilidad de integración consdispositivos y circuitos. Los sustratos la mayor parte de la energía eléctrica tituye un factor fundamental por de silicio presentan siempre cierta con- en energía luminosa) y puede utili- razones económicas y funcionales. En ductividad eléctrica, debido a que su zarse muy fácilmente para producir primer lugar, como en todos los proceintervalo entre bandas es menor y a un componente electrónico familiar: sos basados en la miniaturización, la que las cantidades de contaminantes el diodo emisor de luz (conocido por integración abarata los costes unitaresiduales activos (no deseados) es las iniciales de estas palabras en rios de estos dispositivos, pues con una mayor; en consecuencia su utilización inglés, LED ). Los LED de arseniuro de simple oblea se fabrican un gran introduce cierta capacitancia en los galio y fósforo o de arseniuro de galio número de pastillas y cada pastilla correspondientes circuitos, reduciendo y aluminio se encuentran en la mayo- contiene, a su vez, miles de circuitos. la velocidad con que los electrones los ría de los aparatos electrónicos, en En segundo lugar, si se coloca un fotoatraviesan. La mayor anchura del forma de lucecitas de color amarillo detector muy cerca del circuito que intervalo de bandas del arseniuro de o rojo, respectivamente, fabricándose primero ha de amplificar su señal, se galio permite prepararlo en forma anualmente decenas de millones de puede diseñar la conexión entre ambos semiaislante, bien manteniendo los ellos. de forma tal que se reduzca al mínimo sustratos completamente libres de Los diodos de láser producen radia- la captación de señales no deseadas contaminantes activos, bien incorpo- ción más concentrada. Las caras del procedentes de los circuitos próximos; rando ciertos contaminantes especia- cristal que forma estos dispositivos son este fenómeno, llamado intermodulales autocompensantes para cancelar, perfectamente paralelas y se compor- ción, constituye un problema serio en casi del todo, el efecto de los residuales. tan como espejos semitransparentes. los circuitos que usan detectores no Estas ventajas sobre el silicio desapa- La luz que se refleja en ellas a traviesa integrados conectados mediante conrecen cuando los niveles de integración una y otra vez la región de recombina- ductores normales. Otra posibilidad superan algunos miles de circuitos por ción, donde estimula la emisión de más especulativa es la de fabricar paspastilla, en cuyo caso es la capacitan- radiación de la misma longitud de tillas en las que una señal óptica cia entre las numerosas conexiones, onda y dirección. El haz resultante module directamente a otra. Se han muy poco separadas, la que determina presenta una gran coherencia. Los propuesto muchos dispositivos de este el límite crítico de la velocidad de la láseres de diodo semiconductor se tipo, pero todavía se está lejos de señal. fabricaron por vez primera a partir de hacerlos realidad.
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Además de poder producir y detectar luz, el arseniuro de galio posee otras muchas cualidades que pueden tener interés en determinadas aplicaciones. Por ejemplo, su amplio inter valo de temperaturas de trabajo y su gran resistencia a la radiación de alta energía le hacen idóneo para la automoción y la industria militar, respectivamente. No basta con determinar las propiedades del arseniuro de galio ni con desarrollar las formas de utilizarlas; es necesario, además, poder fabricar los productos pertinentes y hacerlo con mucha calidad y bajo coste. El problema de las técnicas de producción, de las que nos vamos a o cupar a continuación, es, en muchos sentidos, el más difícil de todos. Como sucede en el caso del silicio, el arseniuro de galio forma elementos electrónicos de acuerdo con ciertas condiciones impuestas por sus peculiares características físicas y químicas. Estas condiciones se complican por el hecho de que e n los circuitos integrados se requieren muchos componentes que no son semiconductores. Cabe citar entre ellos a los conductores metálicos de interconexión, a los aislantes, a las resistencias y condensadores que controlan el flujo de la corriente y a los contaminantes que proporcionan los electrones y los huecos. Uno de los principales inconvenientes del arseniuro de galio y de las aleaciones con él relacionadas es la inexistencia de un óxido natural útil, como el que forma el silicio cuando se calienta en el aire. El óxido de silicio forma un recubrimiento electrónico y mecánico que tiene muchas aplicaciones. El óxido de silicio proporciona el aislamiento necesario entre la puerta y el 4. PASTILLA OPTOELECTRONICA de arseniuro de galio: recibe luz infrarroja sobre su fotodetector (detalle) a razón de mil millones de bits por segundo y la convierte en una señal eléctrica débil. El fotodetector y los circuitos de amplificación y procesado electrónico están montados en la misma pastilla. Un conductor cuya longitud resulta demasiado corta para recoger las señales espurias procedentes de los circuitos próximos conecta el detector con el primero de una serie de amplificadores. Un conjunto de circuitos adicionales que contienen miles de transistores distribuyen los datos en paquetes de ocho bits (bytes) y los introducen a continuación en los ordenadores digitales. Esta pastilla forma parte de un grupo de tres, que pueden recibir y transmitir datos mediante funciones optoelectrónicas; este dispositivo ha sido fabricado en la unidad de investigación del arseniuro de galio de IBM.
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canal de los transistores de efecto de tal recocido, ni aunque la temperatura también puede ampliar las débiles campo (véase la figura 3 ). En los cir- no supere los 800 grados. Las precau- señales eléctricas iniciales sin introcuitos que usan transistores bipolares ciones especiales adoptadas para rete- ducir apenas ruido. Los amplificadores aporta el aislamiento entre transisto- ner el arsénico y los contaminantes no de silicio sólo pueden llevar a cabo esta res adyacentes. Se emplea también han logrado más que un éxito parcial: tarea mediante disposiciones de tranpara la fabricación de transistores y sólo entre el 90 y el 95 por ciento de los sistores que introducen el ruido sufimicrocircuitos, pues crea una capa contaminantes originalmente implan- ciente para ahogar las débiles señales protectora en la que se pueden practi- tados resultan activos. recibidas. Los avances experimentacar ventanas con diversas finalidades: Se están ensayando otras técnicas, dos en el proceso de integración debepara permitir que actúen los reactivos basadas en ciclos de templado muy rían permitir la utilización futura de químicos y graben pautas, para depo- breves (que duran segundos) y en estos dispositivos en sintonizadores de sitar metales y producir láminas con- capas de recubrimiento especiales televisión y otros productos comerciaductoras o para añadir contaminantes (que forman una estructura hermé- les; la viabilidad económica de esta y activar determinadas regiones del tica); mas, por ahora, no existe una posibilidad se ha demostrardo por difematerial. solución viable para ejecutar un tem- rentes empresas japonesas y europeas. En el caso del arseniuro de galio, en plado completo del arseniuro de galio. Se espera que estos sintonizadores cambio, los técnicos tienen que produ- Por cuya razón las propiedades de proporcionen imágenes más claras en cir los aislantes y las estructuras de estos dispositivos tienden a no ser uni- zonas donde la recepción de las señales apantallamiento mediante otros formes dentro de una pastilla, lo que, plantea dificultades. medios, medios, que, con frecuencia, resultan junto con otros factores, impone ciertos menos menos adecuados. Un diseño frecuente límites prácticos sobre el nivel de intea aplicación más importante y proen los transistores de efecto de campo gración alcanzable. En tanto que un metedora del arseniuro de galio consiste consiste en colocar una puerta metálica microcircuito de silicio de un centíme- pertenece al dominio de la transmisión en contacto directo con el arseniuro arseniuro de tro cuadrado puede albergar más de fotónica de información. La propagagalio, lo cual origina un canal con- un millón de transistores, las pastillas ción de la luz a través de fibras ópticas trolable gracias a un efecto conocido de arseniuro de galio sólo admiten puede transportar mucha más inforcomo formación de una barrera de algunas decenas de miles de compo- mación y llevarla mucho más le jos que Schottky (véase la figura 3 ). Otros nentes, en el mejor de los casos. Pue sto lo que permiten las señales eléctricas enfoques enfoques se basan en la utilización de que el coste de fabricación de una oblea en los conductores metálicos ordinacapas cristalinas delgadas de arseniuro de arseniuro de galio es igual o mayor rios. La interconexión de sistemas de galio y aluminio como barreras ais- que el de una de silicio (cada una de digitales y de otro tipo mediante fibras lantes. El arseniuro de galio y aluminio las cuales contiene muchas pastillas), ópticas avanza con gran rapidez. Se presenta una gran flexibilidad para la este bajo nivel de integración consti- utilizan ya estas fibras en comunicacontaminación modulada, como hemos tuye una seria desventaja. Otra difi- ciones transcontinentales y transoceáexplicado anteriormente, pero ni esta cultad adicional desde el punto de nicas; su uso está llegando también a técnica ni la de las barreras de Schottky vista económico es que el tamaño de los sistemas telefónicos y de televisión permiten alcanzar los valores de volta- las obleas de arseniuro de galio que se por cable de nuestros hogares y ofici jes operativos que proporcionan proporcionan los ais- pueden fabricar en la actualidad es nas. Y a las fibras ópticas se recurre lantes de óxido de silicio. relativamente menor: suelen tener un para extender la distancia y velocidad diámetro de entre siete y diez centíme- de las conexiones entre ordenadores. tra desventaja importante del tros, mientras que las de silicio tienen Estas conexiones se convertirán pauarseniuro de galio y de sus pro- diámetros comprendidos entre doce y latinamente en una parte del propio ductos derivados se refiere al carácter veinte centímetros. sistema de procesamiento digital. compuesto de todos ellos. Mientras Las aplicaciones actuales del arse- Algunos analistas creen que la imporque los defectos del silicio puro pueden niuro de galio se concentran en los tancia de la optoelectrónica para la eliminarse con sólo templarlo, para dispositivos que permiten asumir su sociedad del futuro será similar a la agitar sus átomos y obligarlos a que se mayor coste unitario por sus funciones que poseen los actuales sistemas de alineen, en el caso del arseniuro de únicas. Se utiliza mucho en las prime- cálculo digital. galio este proceso entra en competen- ras etapas de los receptores que requieLos láseres de diodo representan cia con la vaporización selectiva del ren una respuesta rápida y un bajo frente a los láseres de gases lo que son arsénico. Los defectos se producen en nivel de ruido, así como en el campo cam po de los transistores respecto a las válvulas muchas de las fases de fabricación de la generación óptica, pues no existe un de vacío; la misma analogía se puede los circuitos integrados. Por poner un material sustitutivo. Se están abriendo hacer extensiva cuando comparamos caso concreto, los contaminantes sue- paso las aplicaciones a los circuitos los LED con las bombillas incandescenlen incorporarse acelerando los iones digitales instalados en los ordenado- tes. En cada uno de estos casos, los correspondientes para implantarlos res, pensándose en usarlo en los micro- semiconductores son mucho más en el semiconductor. En el caso del procesadores futuros. pequeños, más eficientes y más econósilicio, el daño que produce este proQuizá su aplicación más conocida micos de fabricar y operar que sus ceso se puede reparar y situar todos sea la fabricación de los detectores contrapartidas. Las ventajas que prelos contaminantes incorporados en los situados en los focos de las antenas sentan no se miden en términos de lugares adecuados del cristal, calen- parabólicas. Los satélites de comuni- algunos puntos porcentuales, sino en tándolo a temperaturas de unos 1000 cación utilizan microondas con fre- órdenes de magnitud. Estas diferengrados Celsius durante algunos minu- cuencias de hasta 12 gigahertz, una cias hacen posible aplicaciones tan tos. (El recubrimiento de óxido de sili- región espectral en la que la velocidad nuevas como el reproductor de discos cio impide que los contaminantes esca- del arseniuro de galio no tiene rival. compactos. Este producto tan familiar pen del material durante esta El arseniuro de galio no sólo es capaz para los consumidores utiliza un láser operación.) En cambio el arseniuro de de convertir estas longitudes de onda de arseniuro de galio y aluminio en la galio con iones implantados no admite en señales electrónicas claras, sino que lectura de los datos codificados en
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forma de marcas grabadas sobre un disco en rotación. Un láser idéntico, pero de mayor potencia, es el componente esencial de otro dispositivo parecido, la unidad de almacenamiento de datos informáticos por medio de un disco óptico. Los láseres de estado sólido son los candidatos más apropiados para la ingeniería basada en el intervalo entre bandas. Esta técnica garantiza el control preciso de la longitud de onda que emite un láser. Los láseres obtenidos a partir de capas de fosfuro de indio, galio y aluminio depositadas en sustratos de arseniuro de galio emiten luz visib vi sib le con una longi lo ngi tud de onda on da situada en la región del rojo. Estos dispositivos dispositivos han reemplazado a los láseres gaseosos, mucho más complicados, en lectores de los códigos de barras, que se usan para registrar los productos en las cajas de algunos comercios o las piezas componentes en las líneas de montaje de las fábricas. Los láseres de fosfuro y arseniuro de indio y galio hallan generalizada aplicación en las comunicaciones a grandes distancias, porque puede ajustarse su salida a las longitudes de onda infrarrojas de 1,3 o 1,55 micrometros, que son las menos absorbidas por las fibras ópticas.
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5. LOS DIODOS DE LASER inyectan los agujeros procedentes de una capa de tipo p de arseniuro de galio y aluminio en una capa activa de arseniuro de galio. Los electrones proceden de una capa de arseniuro de galio y aluminio de tipo n situada debajo. Los agujeros y los electrones se aniquilan entre sí; la diferencia de energía entre la banda de conducción de los electrones y la banda de valencia de los agujeros se libera en forma de un cuanto de luz. Los cuantos que se mueven en una di rección paralela a las caras verticales reflectantes son reenviados a la capa activa, donde estimulan la emisión de otros cuantos cuyas longitud de onda y orientación son iguales que las suyas.
asta ahora la mayoría de las investigaciones optoelectrónicas se han centrado en mejorar el funcionamiento de dispositivos específicos y vos de arseniuro a rseniuro de ga lio de efecto e fecto de no en integrarlos en pastillas. Este campo porque disipan menos energía planteamiento es consecuencia, en y porque en el futuro podrían alcanzar parte, del papel hegemónico desempe- velocidades de operación to davía más ñado por las compañías telefónicas, elevadas. que necesitan disponer de los enlaces Amnon Yariv y sus colaboradores colabo radores ópticos adecuados en aplicaciones en del Instituto de Tecnología de CaliCa lilas que el coste unitario es un factor fornia fabricaron en 1979 el primer de importancia secundaria, dado que transistor y láser interconectados utisu repercusión se reparte entre muchas lizando un microcircuito de arseniuro conversaciones telefónicas. En conse- de galio. La empresa Matsushita y los cuencia, láseres, detectores y transis- Laboratorios Centrales de Investores de los dispositivos comerciales tigación NEC, en Japón, han desarroutilizan pastillas separadas. llado unos dispositivos similares basaLa conexión progresiva de ordena- dos en el fosfuro de indio; en muchos dores mediante fibras ópticas exigirá otros laboratorios se están realizando grandes cantidades de dispositivos nuevas investigaciones con diferentes optoelectrónicos mucho menos caros. compuestos. El reto mayor consiste en No se los puede fabricar a unos precios superar los problemas que plantea la unitarios razonables más que si se fabricación de las versiones óptimas utilizan técnicas de integración a gran de transistores y láseres en una sola escala. Los enlaces optoelectrónicos pastilla. acabarán por transmitir datos a razón En los laboratorios americanos y de mil millones de bits por segundo o europeos IBM se construyó un trío de más, velocidades que pueden conse- microcircuitos con capacidad para guirse, en principio, mediante me diante transis- transmitir mil millones de bits por tores de arseniuro de galio bipolares o segundo. segundo. De esta velocidad no se perde efecto de campo. Los modernos derá nada: la velocidad de las conexiotransistores de silicio bipolares tam- nes de transmisión ha de decuplicar la bién podrían cubrir este objetivo. Se de los ordenadores que conectan, prefieren, sin embargo, los dispositi- debido a que los datos se transmiten
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en serie, en tanto que los ordenadores los procesan en bloques de ocho bits, o bytes, (más los dos bits añadidos para comprobar la presencia de errores en la transmisión). Los ordenadores más rápidos producen ya un flujo de datos tal que excede, en mucho, la capacidad de transporte de los conductores de cobre para distancias superiores a los 200 metros (a la que las señales eléctricas poco espaciadas entre sí comienzan a mezclarse). Los sistemas optoelectrónicos, con su anchura de banda considerablemente considerablemente mayor, están reemplazando a los cables para distancias cada vez más cortas; andando el tiempo, estos mismos sistemas transportarán información en el interior de los propios ordenadores. Este circuito está formado por tres pastillas y por las fibras ópticas de conexión. co nexión. La primera pastilla, un transmisor de arseniuro de galio, serializa los bytes que le llegan a razón de 100 millones por segundo, enviándolos hacia la segunda pastilla, constituida por un conjunto de láseres de arseniuro de galio y aluminio. Uno de sus cuatro láseres envía la señal a una fibra óptica, con una velocidad de mil millones de bits por
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nes realizadas. Siempre se concede preferencia al silicio, salvo que su funcionamiento sea mucho peor que el de l arseniuro de galio. Por otra parte, la mayoría de los fondos dedicados a la investigación de semiconductores todavía van a parar al silicio, que sigue demostrando gran vitalidad. Las ventajas del arseniuro de galio en velocidad, bajo nivel de ruido y optoelectrónica deben ser valoradas en sus justos términos para que se pueda afrontar el reto de producirlo con un coste bajo y vencer así al silicio.
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os progresos técnicos que pudieran permitir que el arseniuro de galio dominara algún día el campo del cálculo cálculo digital pueden ejemplificarse en el sistema de cálculo con instrucciones reducidas (conocido por las siglas RISC), una técnica que incrementa las velocidades de cálculo de las pastillas utilizando un número reducido de elementos para llevar a cabo ciertas fun6. VELOCIDADES MEDIAS DE LOS ELECTRONES del arseniuro de galio. Quintuciones especializadas. Diversas complican de lejos las del silicio bajo la acción de campos eléctricos cuya intensidad sea pañías han proyectado sistemas RISC inferior a 1000 volt por centímetro. de unas velocidades que sólo permite el arseniuro de galio. Las pastillas de segundo. segundo. Esta señal llega a la tercera especiales de redes de ordenadores y los sistemas RISC existentes utilizan pastilla, un receptor de arseniuro de superordenadores, es decir, en siste- transistores de silicio que procesan galio, uno de cuyos cuatro fotodetecto- mas en los que interesan más las pres- unos 35 millones de instrucciones por res la convierte en un impulso electró- taciones que el coste. Por otra parte, segundo. La tecnología del silicio puede nico. Los impulsos alimentan directa- estas aplicaciones especializadas no ya aceptar hasta tres veces este valor. mente una serie de transistores de resultan tan sensibles a los requisitos Las velocidades superiores a 100 milloarseniuro de galio, que la amplifican de miniaturización del silicio, dado nes de instrucciones por segundo sólo ( véanse los detalles en la figura 4 ). que los transistores de silicio más se alcanzan con transistores de arseOtros circuitos de la pastilla receptora potentes generan mucho calor y su niuro de galio. Por razones de tipo deserializan la señal en bytes. En cada densidad debe limitarse con gran cui- económico es necesario montar al uno de los dos extremos del puente dado. En consecuencia, los circuitos menos 40.000 transistores en cada optoelectrónico, las pastillas del trans- deben disponerse sobre una serie de pastilla, un nivel de integración que misor y del receptor, constituidas por pastillas diferentes, exigencia que crea ya ha sido alcanzado por diferentes arseniuro de galio, conectan este dis- un nuevo cuello de botella en fo rma de compañías en la californiana “Quebrada positivo con el circuito de silicio, que retrasos en la transmisión entre dichas del Galio”, por lo que no debería tares el que procesa realmente los bytes pastillas. Los especialistas en ingenie- darse mucho en disponer comercialcomo parte de un ordenador. Sin ría informática intentan reducirlos al mente de los correspondientes circuiembargo, a medida que las velocida- mínimo montando lo más cerca posible tos plenamente comprobados. Quizás des del procesamiento de datos se unas de otras todas las pastillas rela- en ese momento, cuando los ordenadoincrementen, cabe esperar que el uso cionadas. res, los enlaces entre ordenadores, los del arseniuro de galio se vaya extenEl silicio seguirá siendo el compo- televisores y los discos compactos condiendo también a los circuitos digita- nente primordial de los ordenadores tengan todos ellos arseniuro de galio, les de los diferentes sistemas que digitales hasta que se logren mayores podremos decir, al fin, que la técnica están interconectados entre sí. niveles de integración y de compatibi- del futuro se ha convertido ya en realidad de empaquetamiento en los pro- lidad. sa circuitería constituye el cora- ductos hechos con arseniuro de galio. zón de los ordenadores digitales, También habrá que mejorar las demoun campo de extraordinaria importan- ras entre las diferentes pastillas, para cia en el que el arseniuro de galio ha que las ventajas conseguidas en cada BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA encontrado pocas aplicaciones hasta la una de ellas no se pierdan al pasar al fecha. Las aplicaciones digitales más sistema entero. M OLECULAR B EAM E PITAXY AND H E comunes exigen la utilización de cirNo todas las desventajas competitiTEROSTRUCTURES. Dirigido por Leroy L. Chang y Klaus Ploog. Kluwer, 1985. cuitos con niveles de integración más vas del arseniuro de galio son de tipo EMICONDUCTOR S DEVICES, PHYSICS AND elevados (y, por tanto, con costes por técnico. Aunque la tecnología del arseTECHNOLOGY . S. M. Sze. John Wiley unidad de circuito más bajos) que lo niuro de galio ha utilizado muchos de & Sons, Inc., 1985. que permite el arseniuro de galio. La los métodos que se desarrollaron, en IEEE G AAS IC [GALLIUM A RSENIDE IN ventaja ventaj a que represen ta la velocidad velocida d un principio, para el silicio, tales como TEGRATED CIRCUITS] SYMPOSIUM. IEEE, del arseniuro de galio sólo se ha explo- la fotolitografía, esta ventaja ha sido 6-9 de noviembre de 1988. tado en ciertas aplicaciones digitales compensada por las enormes inversio-
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Electrónica de silicio-germanio ultrarrápida Bernard S. Meyerson Estos nuevos dispositivos electrónicos aventajan a los tradicionales de silicio sin requerir métodos de fabricación distintos de los ya normalizados
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os microprocesadores realizados rápido. Hemos demostrado que, paren pastillas de silicio se tiendo de una aleación de silicio y gerhan asentado en la vida manio, dos elementos semiconductomoderna hasta tal punto que ya nadie res harto conocidos, pueden obtenerse se asombra de que las muñecas hablen, transistores de altísima velocidad. las tarjetas de felicitación canten y Como es bien sabido, el transistor es otras mil lindezas por el estilo. Pese a un sencillo conmutador sobre el que se su gran difusión, hay voces que llevan construye la electrónica moderna. años afirmando que la técnica del siliLos dispositivos recientemente decio se acerca a sus límites físicos; no es sarrollados pueden fabricarse además posible, afirman, alcanzar mayores en las actuales líneas de producción de velocidades sino a costa de achicar las micropastillas, rentabilizando así las dimensiones hasta extremos que impe- enormes inversiones que tales medios dirán el funcionamiento de los dispo- fabriles representan. Esperamos, sitivos. Si esto es así, para que el pro- pues, que la técnica del silicio continúe greso continúe habrá que encontrar dominando el diseño electrónico y nos una alternativa al silicio y, cuando atrevemos a predecir que volverá a llegue el momento, la industria elec- reclamar para sí funciones que habían trónica se enfrentará a un período de sido cedidas a otros materiales más transición durísimo. Pero, ¿será ver- exóticos. dad que la era del silicio está llegando En colaboración con un grupo de a su ocaso? diseñadores de Analog Devices, IBM En colaboración con un equipo de puso en el mercado los primeros proinvestigación y fabricación de IBM, el ductos comerciales que incorporaban autor ha explorado modos de conse- transistores de silicio-germanio de eleguir prestaciones superiores a las que vadas prestaciones. En unos poco s ofrece la técnica del silicio, modifi- años, estos transistores y otros dispocando la composición de las pastillas. sitivos de silicio-germanio hallarán Las mejoras de velocidad y de versati- probable aplicación en una amplia lidad del pasado se debieron a la gama de productos, entre ellos los apaminiaturización de los circuitos. En ratos de comunicaciones personales y vez de seg uir ese camino , nue stro los conversores electrónicos de señagrupo se concentró en el uso de mate- les, los cuales extraen datos digitales riales en los que los electrones se des- de la red de cables de fibra óptica. plazan a velocidades mucho mayores, Un factor esencial y determinante logrando así un funcionamiento más de la capacidad de los ordenadores y de otros equipos electrónicos es la velocidad de operación de los componentes; su espectacular aumento en los BERNARD S. MEYERSON ha ideado últimos tiempos se ha logrado merced la técnica de deposición química de vaa la miniaturización. El elemento por en vacío ultraelevado, que permitió fabricar los transistores ultrarrápidos básico de los circuitos electrónicos de silicio-germanio. Tras doctorarse por modernos es el transistor, cuya actuala Universidad Metropolitana de Nueva ción se reduce a una sencilla conmu York en 1981, ingresó en el Centro de tación todo-nada en la que reside el Investigación Thomas J. Watson de fundamento de los ordenadores digitaIBM, donde dirige el grupo de materiales. Mirándolo más de cerca se puede les electrónicos. entender cómo funciona y por qué al
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achicar su tamaño se consigue mejorar sus prestaciones. Además se descubre la razón de que ese proceso de reducción no pueda prolongarse indefinidamente. En la electrónica del silicio intervienen dos tipos principales de transistores: el bipolar y el de efecto de campo. En los transistores de efecto de campo, la corriente eléctrica entra por un electrodo (fuente) y sale por otro (drenador). La región del dispositivo atravesada por la corriente recibe el nombre de canal. Otro electrodo del transistor, la puerta, regula el flujo de corriente a través de dicho canal. Compete a la puerta crear un campo eléctrico capaz de llenar o de vaciar de cargas eléctricas el canal, con lo cual inicia o detiene la circulación de corriente, respectivamente. Cuando pasa corriente por el canal, el transistor está activado, y desactivado cuando no pasa.
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l transistor de efecto de campo presenta una ventaja significativa: su moderado consumo de energía. Para hacerlo funcionar basta con cargar el electrodo de puerta a cierta tensión crítica. Una vez que la puerta adquiere la carga adecuada, no se necesita corriente adicional para mantenerlo activado o desactivado. Así, a no ser durante la misma conmutación, el transistor de efecto de campo no consume potencia. Son, por tanto, ideales para aplicaciones en las que el consumo de potencia ha de ser bajo, como los ordenadores portátiles, por ejemplo. 1. TRANSISTOR DE NUEVO TIPO, constituido por una mezcla de silicio y aleación de silicio-germanio. Este ingenio demostró hace pocos años una nueva técnica que superaba, de lejos, la velocidad de los dispositivos electrónicos de silicio tradicionales.
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Los ordenadores de grandes prestaciones prefieren los transistores bipolares, que pueden trabajar a mayores velocidades pero consumen bastante más energía. En la clase común de transistor bipolar, el NPN (negativo-positivo-negativo), los electrones van desde la zona del emisor hacia la del colector. El transistor se activa inyectando una pequeña corriente en la zona llamada base, corriente que rebaja una barrera energética inherente al material y que normalmente bloquea el paso de electrones. Cuando esta barrera cae, empieza a circular corriente por el transistor, que se conmuta entonces al estado activo. La intensidad de esta corriente es proporcional a la de la corriente inyectada en la base, aunque de valor muy superior. La base de un transistor bipolar debe contener una carga eléctrica constante de valor suficiente para mantener elevada la barrera energética, de forma que el transistor permanezca desactivado cuando no se aplica corriente a la base. Se crean estas cargas introduciendo en el silicio átomos
de impurezas específicas (dopantes) tor limitante de la velocidad. Toda durante el proceso de fabricación. reducción del espesor de la base dismiDependiendo de la naturaleza de estos nuirá el trayecto que han de recorrer átomos, la carga será positiva o nega- los electrones, aumentando así la velotiva. Así el silicio impurificado será de cidad a la que el transistor puede actitipo n cuando predominen las cargas varse y desactivarse. Además, si la negativas y de tipo p cuando sean las base es más fina, podrá achicarse el positivas las que lo hagan. área superficial del transistor entero, lo que a su vez permitirá un empaquea función de un transistor bipolar tamiento más denso. Con ello me jorará depende de las propiedades eléc- el comportamiento de la pastilla, ya tricas de la frontera entre el silicio de que se acortarán las distancias que tipos n y p. Si relaciona dos regiones recorren las señales eléctricas desde del mismo material semiconductor un transistor a otro. La reducción de —silicio, en la mayoría de los casos— tamaño de los transistores de efecto de pero de tipos de impureza opuestos, se campo conduce a similares mejoras de la denomina homounión. En cambio, las prestaciones. se llamará heterounión cuando los Estas razones han alentado el demateriales sean de diferente natura- sarrollo de transistores cada vez más leza. Las homouniones son mucho más diminutos, siguiendo el principio de la fáciles de fabricar y predominan en los reducción de escala: potenciar la fundiseños de circuito actuales. ción de un dispositivo mediante la disEl tamaño de un transistor, ya sea minución de sus dimensiones críticas. de efecto de campo o bipolar, deter- Aunque este enfoque ha hecho progremina su velocidad de operación. El sar la velocidad y la flexibilidad de la tiempo que tardan los electrones en electrónica del silicio durante muchos atravesar la base de un transistor años, la tendencia no puede proseguir bipolar constituye un importante fac- indefinidamente. Y el motivo de tal
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2. TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO ( izquierda); trabaja por modulación de la intensidad d e campo eléctrico en la puerta. Dependiendo del diseño del transistor, ese campo puede permitir, o detener, el paso de corriente a través del canal, de la fuente al drenador. Cuando pasa corriente, el transistor está activado. El transistor bipolar (derecha) se activa cuando
los electrones se desplazan de emisor a colector. Una barrera de energía intrínseca impide tal movimiento, pero cuando se inyecta corriente a la base la barrera cae y los electrones circulan por el transistor. El aquí ilustrado incorpora una capa de silicio-germanio que acelera los electrones y así aumenta la velocidad del dispositivo.
limitación se desprende de la propia confinar las cargas negativas o positi- el silicio subyacente. La capa de átonaturaleza del transistor bipolar. vas en sus dos lados. Si la composición mos de germanio depositada sobre un La reducción de escala conlleva la del material de la unión varía gradual- sustrato grueso de silicio experimenta, disminución del grosor y el volumen de mente, en esa región de transición pues, una tensión enorme, que va en la base del transistor; por tanto, la progresiva podrá establecerse un aumento al acumularse capas supledensidad de impurezas habrá de cre- campo eléctrico intensificado. mentarias. cer para mantener constante la carga Herbert Kroemer propuso luego que Finalmente se forman defectos en el total de la base. En términos sencillos, se utilizase el campo generado en una germanio que alivian la tensión. habrá que apiñar el mismo número heterounión progresiva para hacer que Cuando se produce un defecto, hileras total de átomos dopantes en volúme- los electrones atravesaran rápida- completas de átomos de germanio escanes cada vez menores de la base. Por mente la base de un dispositivo bipolar. pan de la retícula, dejando así sepadesgracia una homounión de silicio con Al obligarles a move rse con mayo r rarse más a los restantes átomos de la grandes concentraciones de impurezas presteza, las heterouniones operarían capa. Para que la estructura alcance a uno y otro lado sufre fugas de mucho más aprisa que las homounio- un estado de relajación total, deben corriente. Si se continúa achicando la nes de tamaño comparable. Kroemer abandonar la retícula cuatro de cada escala del transistor bipolar NPN, la imaginó varias parejas posibles de cien átomos de germanio que hayan concentración de impurezas en la base materiales semiconductores que acele- crecido a lo largo de la juntura germaterminará por alcanzar un grado tal rasen el funcionamiento de los transis- nio-silicio. Pero esta exclusión de átoque seguirá pasando corriente por el tores; la más prometedora era la for- mos de germanio originaría billones de transistor aunque se encuentre desac- mada por silicio a un lado y germanio defectos en la superficie de una sola tivado; esto le hace completamente al otro. La idea parecía acertada, pero pastilla, que son demasiados para que inservible. el problema práctico de construir una pueda funcionar correctamente. Los diseños de pastillas empiezan a heterounión práctica de silicio-germaUna forma de mitigar la tensión del rozar los límites naturales de la reduc- nio resultó tremendamente difícil. cristal consiste en desarrollar sobre el ción de escala. Se buscan soluciones sustrato de silicio una aleación de alternativas para aumentar la velocin los años sesenta se produjo un silicio-germanio, en vez de capas de suceso esperanzador: el desarrollo germanio puro. Esta aleación presenta dad de los dispositivos. De hecho, la limitación física que impone la escala de la técnica epitaxial, que parecía una separación atómica característica, es un argumento fundamental a favor muy adecuada para la delicada fabri- intermedia entre la del silicio y la del de otros materiales semiconductores cación microelectrónica. El proceso germanio. Se requiere, no obstante, un más raros, como el arseniuro de galio. epitaxial consiste en depositar capas gran cuidado al preparar la capa de Pero es el caso que se han invertido de átomos sobre un material cristalino. aleación, ya que incluso con una comsumas ingentes en utensilios e instala- El cristal, o sustrato, sirve de plantilla posición mixta de silicio y germanio ciones para la fabricación de dispositi- para que las capas de acumulación aparecen defectos si la capa es dema vos de silicio; convendría mucho hallar reciente adopten la misma disposición siado gruesa o excesivamente rica en un medio para hacerlo funcionar más atómica que el propio cristal. germanio. aprisa sin tener que abandonarlo. Dado que el silicio y el germanio No había forma de superar el desaGran parte de nuestro esfuerzo se tienen la misma estructura cristalina, juste reticular, o disparidad entre las ha centrado en desarrollar estas técni- puede depositarse una capa de un separaciones atómicas, de los cristales cas nuevas del silicio, dando cuerpo a material sobre el otro, manteniendo de silicio y germanio. En los primeros una antigua idea. Mediados los años un orden atómico coherente. Sin años ochenta, la mayoría de los trabacincuenta hubo quienes señalaron que embargo la separación natural de los jos dedicados a ese objetivo se apoyalas heterouniones ofrecían un camino átomos de un cristal de germanio es ron en la técnica denominada epitaxia para aumentar la velocidad de conmu- un cuatro por ciento mayor que la de de haz molecular, por el que la película tación de un transistor, no por reduc- los átomos de otro de silicio. Por sí cristalina se desarrolla (o crece) dentro ción de su tamaño sino por alteración mismos los átomos de germanio se de una cámara de acero en la que se de sus propiedades electrónicas. Los situarían a su separación normal, ha practicado el vacío hasta una precampos eléctricos generados de un pero, al ser colocados sobre un sustrato sión interior menor de una billonésima modo natural en los dos materiales de silicio mucho más grueso, se quedan (10 –12) de atmósfera. El sustrato de que forman una heterounión pueden enclavados en posiciones forzadas por silicio se monta en la cámara y se
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calienta a 1100 oC por lo menos. Esta cristalinas. Esta vieja técnica es, en utilizado para impurificar el silicio, y achicharrante temperatura evapora muchos aspectos, más sencilla que la lo atrapan en la superficie de éste a los contaminantes del silicio y deja una epitaxia de haz molecular. concentraciones peligrosamente elesuperficie limpia sobre la cual puede Su mayor inconveniente son las eleva- vadas. A temperatura amb iente el formarse la película. das temperaturas requeridas: 1100 oC óxido de silicio crece sobre la superficie Tras esta limpieza, se deja enfriar un para la limpieza inicial y 1000 oC para hasta un espesor de unas diez capas tanto la superficie y luego se deposita el crecimiento de las películas. atómicas; a partir de ahí actúa como una capa tampón de silicio puro sobre Sometidos a un calor tan intenso, unos una barrera que lo protege de nuevas el sustrato, para enterrar cualquier materiales ya fatigados, como los de la reacciones con el aire. contaminación residual. Unas cubetas aleación silicio-germanio, acusan muy de silicio y germanio fundidos, que se pronto defectos. Por otra parte, la adis harto conocido que la inmersión encuentran en la base del aparato, pro- ción de impurezas no puede hacerse de una oblea de silicio en ácido porcionan la fuente de átomos; para con precisión a temperaturas muy ele- fluorhídrico elimina el revestimiento de formar la película deseada se dirigen vadas. Por encima de los 800 oC los óxido, pero el saber tradicional sostenía haces de tales átomos hacia el sustrato átomos de impurezas se difunden por que los óxidos volvían a formarse insde silicio, sobre el cual inciden y se el silicio o el germanio, apartándose de tantáneamente en cuanto se exponía acumulan en capas cristalinas. su posición inicial. La deposición quí- nuevamente la oblea al aire. En consePara reducir al mínimo la tensión mica en fase vapor no permitía obtener cuencia, todos los métodos de epitaxia debida al desajuste reticular, el tra- heterouniones utilizables entre silicio incluían la exposición del silicio a elebajo se centró en construir capas de y germanio mientras exigiera tempe- vadas temperaturas dentro del horno, aleación silicio-germanio con un con- raturas tan altas. aun cuando ya se hubiera eliminado el tenido de germanio menor del treinta Había que encontrar un medio para óxido por medios químicos (ácido fluorpor ciento. Gracias a la epitaxia de haz realizar la deposición química en vapor hídrico). Algo me hizo sospechar que el molecular pudo conseguirse fabricar a temperaturas más bajas. Nosotros saber tradicional se equivocaba. estas heterouniones, sin apenas defec- nos centramos en dos etapas esenciaCuando era alumno de doctorado y tos, aunque sólo valieron como mues- les del proceso que aparentemente practicaba con obleas de silicio, no pude tras de laboratorio. exigían temperaturas altas: la limpieza evitar que alguna se me cayera. Observé de la superficie de silicio antes de cre- que, al enjuagarlas en agua, las obleas n vista de ello algunos investiga- cer la película y el propio desarrollo de no se quedaban mojadas, sino que toda dores abandonaron la epitaxia de una película exenta de defectos. el agua se escurría de su superficie. haz molecular por otra técnica alterLa finalidad primaria de la limpieza Ahora bien, el óxido de silicio atrae el nativa: la deposición química en fase es desalojar los óxidos de silicio que se agua; por tanto, si la oblea no podía vapor. En ella se utilizan moléculas de forman cuando el silicio puro entra en mojarse, tal vez ello indicara la ausencia gas que incorporan los átomos de- contacto con el aire o la humedad. Los de óxido; en muchos casos esto sucedía seados, es decir, silicio y germanio en óxidos de silicio no tienen estructura al cabo de varias horas de haberlas limeste caso. El flujo de gas los transporta cristalina, por lo que perturbarían la piado en un baño de fluorhídrico. Parecía, a la superficie del sustrato, donde se epitaxia de no ser eliminados. Además pues, que el óxido de silicio tardaba basagrupan y forman las nuevas capas absorben el boro del aire, un material tante en volver a formarse.
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3. SEPARACION INTERATOMICA de un cristal de germanio (morado) y de silicio (rojo); es ligeramente mayor en aquél. Este desajuste reticular (izquierda) ha hecho fracasar las tan buscadas uniones entre silicio y germanio, muy deseadas por sus propiedades electrónicas. Los átomos de germanio depositados sobre el silicio siguen inicialmente la disposición at ómi-
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ca de éste, pero en cuanto vuelven a su separación natural dan origen a defectos (marcados con X ) que crean cortocircuitos y desbaratan la unión. El crecimiento de capas de aleación silicio-germanio libres de defectos sobre sustratos de silicio (derecha) ha permitido obtener cristales híbridos, base de un nuevo tipo de dispositivos electrónicos ultrarrápidos.
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entro ya de IBM, me enfrasqué en los primeros trabajos sobre el asunto y descubrí el origen de la idea falsa de la formación instantánea del óxido de silicio. Los investigadores empleaban entonces toscas sondas ópticas y creyeron haber detectado óxido de silicio cuando en realidad habían observado la delgada capa de hidrógeno que se forma después de haber limpiado el silicio en ácido fluorhídrico. El uso de sondas modernas, químicamente selectivas, ha confirmado que el silicio puede mantenerse libre de óxido muchas horas después del baño en fluorhídrico. La capa de hidrógeno adherida al silicio protege del aire la superficie y retrasa la formación de óxido. Esa capa protectora permite suprimir una etapa preparatoria de la epitaxia a temperaturas altas. La limpieza con ácido fluorhídrico no sólo admite las temperaturas bajas sino que las exige, puesto que un calor demasiado intenso eliminaría la capa de hidrógeno. El siguiente desafío fue encontrar el medio de desarrollar una película de gran calidad a baja temperatura. Los primeros trabajos en epitaxia del silicio indicaban que el número de defectos de la película depositada aumentaba espectacularmente al descender la temperatura. Las impurezas presentes durante la deposición química en fase vapor —oxígeno y agua— se incorporan por sí mismas a las películas con facilidad mucho mayor a temperaturas bajas que a temperaturas altas. Dichas impurezas pueden
agruparse en el seno de una capa en de atmósfera, para que la cantidad de crecimiento, produciendo defectos en material extraño introducido por ese el material. conducto sea mínima. Con razón llaPara remediar el problema hay que mamos a nuestro método técnica de reducir al mínimo la concentración de deposición química en vapor al vacío átomos extraños en la cámara donde ultraelevado. se verifica la deposición en vapor. Los Gracias a la suma limpieza del experimentos de laboratorio han indi- ambiente de la cámara obtenida por cado que el crecimiento de películas estos procedimientos, el horno puede sin contaminar a temperaturas infe- trabajar a temperaturas muy inferioriores a 700 oC exigiría un vacío rigu- res a las utilizadas en la epitaxia habirosísimo, aunque todavía menos per- tual. Nuestro grupo de IBM ha descufecto que el requerido para la epitaxia bierto que unas temperaturas de 400 de haz molecular. a 500 oC son suficientes para preparar ¿Cómo podrían eliminarse los posi- películas de silicio y de aleación siliciobles focos de contaminación del inte- germanio de gran calidad. rior de un aparato de crecimiento crisLa posibilidad de fabricar una hetetalino? En IBM logramos suprimirlos rounión a temperaturas moderadas con bombas de vacío especiales y cie- permite crear pastillas refinadas y rres de sellado hermético. Consegui- flexibles. Por ejemplo, puede hacerse mos un vacío ultraelevado dentro de crecer la capa de silicio-germanio sobre un tubo de vidrio, rodeado por un una oblea de silicio ya configurada en horno que suministra el calor reque- todas las regiones químicas adecuadas rido por la epitaxia. Este montaje a los dispositivos electrónicos que garantiza que el aparato no aporte finalmente vaya a llevar la pastilla. impurezas que obstruyan el creci- Merced a tales patrones químicos miento de la película. Una esclusa impresos podrá obtenerse una pastilla neumática especial permite cargar la con una enorme densidad de transiscámara de crecimiento principal sin tores u otros dispositivos. Las tempetener que exponerla a la atmósfera raturas que emplea la epitaxia tradicircundante. Esto es importante por- cional distorsionarían cualquier que los contaminantes del aire se aga- patrón preexistente. rran tenazmente al interior de la cámara y se tarda mucho tiempo en n 1988, tras haber desarrollado desecarlos y bombearlos al exterior. gran parte del proceso de deposición antes referido, empecé a colaborar Los gases que portan silicio y germanio y circulan por el aparato durante con otros especialistas en una tarea la deposición química pueden también más ambiciosa: construir así transisser fuente de contaminación. Por ello tores bipolares manejables y de alta mantenemos muy baja la presión en el velocidad. reactor, del orden de una millonésima Comenzamos por utilizar la epitaxia a baja temperatura para construir homouniones de silicio puro. Estos dispositivos funcionaron: nuestra técnica era correcta. Desde 1989 se fabricaron en IBM los primeros transistores bipolares NPN que materializaban el concepto de Kroemer: la heterounión progresiva entre silicio y silicio-germanio. Aunque la aleación tenía menos del cuatro por ciento de germanio, dichos transistores superaban ya las posibilidades atribuidas a la tecnología del silicio. Su campo eléctrico inherente (unos 30.000 volt por centímetro a tra vés de la base) aceleraba los electrones hasta el punto de que el tiempo invertido en atravesar la base se reducía a la mitad del requerido en los transistores de silicio sin alear. Una medida normal del comportamiento de un transistor bipolar viene dada por la dependencia que muestra su ganancia (relación de la corriente conmutada por el transistor a la 4. VELOCIDADES DE CONMUTACION de los transistores bipolares de silicio; han corriente que se necesita para actiaumentado con los años (izquierda). La técnica del silicio-germanio acelera esa tendencia y alcanza niveles de prestación que con el silicio se creían irrealizables. Un novedo- varlo) con respecto a la frecuencia de so sistema de crecimiento cristalino (derecha) ha convertido esta técnica en realidad. conmutación. En una aplicación típica
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5. TECNICA DE CRECIMIENTO CRISTALINO ideada por el autor. Evita las devastadoras, por elevadas, temperaturas de los métodos anteriores. Las bombas de vacío, válvulas especiales y juntas herméticas impiden la entrada de contaminantes en el horno, en
de un ordenador, el transistor bipolar podría tener una ganancia en torno de 100. A mayores frecuencias de conmutación, la ganancia va cayendo progresivamente. Cuando la ganancia cae a uno, el transistor pierde su razón de ser, porque entrega una corriente igual a la corriente que se le introduce para activarlo, y entonces funciona como un sencillo hilo conductor. La velocidad del transistor puede calibrarse por la rapidez con que puede conmutarse a uno y otro estado, ante s de que su ganancia caiga a uno. Las primeras heterouniones progresivas que construimos en 1989 conmutaban a 75 gigahertz (miles de millones de ciclos por segundo), casi el doble de la velocidad de los dispositivos de silicio más rápidos comparables. Posteriores trabajos en IBM han hecho avanzar las heterouniones hasta velocidades de 110 a 117 gigahertz, un nivel que se consideraba imposible de alcanzar con silicio. En pruebas de revisión mis colegas y yo hemos incorporado esos dispositivos en circuitos completos que funcionaron a velocidades hasta entonces nunca conseguidas; la prueba era decisiva, pues los transistores muy veloces suelen serlo mucho menos en condiciones prácticas, cuando forman parte de circuitos reales. IBM y Analog Devices comercializan ya circuitos de este tipo. Uno de ellos es un conversor digital-analógico, pieza clave de la electrónica de consumo. Este conversor de silicio-germanio transforma datos numéricos en corrientes electrónicas a la velocidad récord de mil millones de conversiones
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el cual se deposita la aleación de silicio-germanio sobre las obleas de silicio. El proceso de deposición se produce en un vacío casi absoluto, con mínimas concentraciones de átomos extraños que puedan alterar la operación electrónica correcta.
por segundo. Con ello iguala la velocidad de los más rápidos conversores fabricados con uniones de arseniuro de galio, pero consumiendo solamente una pequeña parte de la potencia que éstos requieren.
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a aparición de circuitos integrados comerciales de silicio-germanio marca un hito en la búsqueda de medios para mejorar las prestaciones que no se basen en la miniaturización. En Analog Devices se barajaban otras aplicaciones del silicio-germanio; por ejemplo, teléfonos inalámbricos digitales capaces de manejar un flujo de datos de inusitada rapidez. Es conocido el papel esencial de los conversores digital-analógicos en la traducción de datos digitales recibidos por fibra óptica en señales analógicas destinadas al teléfono o la televisión; cuanto antes se disponga de unos conversores muy rápidos, antes llegarán al hogar y a la empresa las redes digitales de datos. También serán indispensables en equipos portátiles de comunicación, de uso cada vez más difundido. La tecnología del silicio-germanio está todavía en pañales. Para aprovechar la velocidad de los nuevos dispositivos han de modificarse multitud de diseños de circuito existentes. Hasta ahora IBM es la única compañía que ha demostrado tener capacidad para integrar en circuitos un número apreciable de transistores bipolares de alta prestación basados en heterounión. Nuestro grupo ha demostrado que los materiales de silicio-germanio pueden mejorar también el comportamiento
de los transistores de efecto de campo, pero no se han integrado esos dispositivos en circuitos más amplios. Andando el tiempo, la técnica deberá abrir paso a la combinación de múltiples funciones (transmisión, conversión de señales, recepción) en una sola pastilla. De esa manera, podrían hacerse realidad muchas fantasías como los televisores interactivos en forma de reloj de pulsera. Leybold-A.G. comenzó a fabricar hace unos años una versión comercial de nuestro aparato de deposición química en vapor al vacío ultraele vado. Una vez que ya se tie ne un equipo estándar con el que trabajar, los ingenieros pueden concentrarse en el desarrollo de circuitos cada vez más complejos y en buscar caminos para ampliar la gama de dispositivos de heterounión silicio-germanio susceptibles de combinarse en una sola pastilla.
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Silicio encantado Elizabeth Corcoran
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as pastillas de silicio que emiten luz en respuesta a un estímulo eléctrico (y no óptico) podrían, en teoría, sellar el matrimonio de la óptica con la electrónica y crear una familia de nuevas generaciones de conmutadores relámpago y otros componentes para telecomunicaciones y ordenadores. No suenan todavía las campanas nupciales, pero se percibe con toda nitidez la llegada del silicio poroso. El silicio emisor de luz salió a la palestra en el congreso de la Sociedad de Investigación de Materiales (MRS) de 1991. Leigh T. Canham y sus colegas, de la Oficina de Investigación de la Defensa en Great Malvern, Inglaterra, sostuvieron allí que las obleas de silicio, reducidas a estructuras afiladas de unas decenas de angstroms de anchura mediante un baño de ácido fluorhídrico y excitadas por la luz, emitían luminiscencia en cierta gama de colores. La comunicación planteó muchas más preguntas que respuestas aportó. Los británicos afirmaron también haber creado obleas capaces de emitir electroluminiscencia (emisoras de luz si se excitaban mediante electricidad), pero suministraron pocas pruebas. Y no pasaron de la especulación cuando se les solicitó la razón de que el silicio fuera capaz de dar luz. El debate ganó fuerza con los meses. En una reunión de la MRS posterior al congreso, el Instituto de Tecnología del Estado Sólido de Munich y la Universidad de Agricultu ra y Tecnología de Tokio presentaron pruebas de electroluminiscencia. Por su parte, las empresas IBM y Spire expusieron la fabricación de diodos de silicio que actuaban como diodos emisores de luz. Pero no es fácil fabricar esos dispositivos: hay que crear emparedados de capas cargadas positiva y negativamente de silicio y silicio poroso y después superponer un contacto eléctrico sin dañar el material.
ENTRE LOS SEMICONDUCTORES insolitos de emisión de luz hemos de citar el germanio, esculpido en forma de “alambres cuánticos” por investigadores del Instituto del Triángulo de Investigación.
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Extrapolando de su trabajo en células fotovoltaicas, los expertos de Spire añadieron una capa cargada negativamente de óxido de indio y zinc (ITO) encima del silicio poroso. El ITO es transparente a la luz visible; por tanto, aplicaron una tensión y percibieron una luz anaranjada que salía de la parte superior del dispositivo. Los expertos de IBM construyeron un diodo más tradicional que emitía luz desde el borde. Rodearon el silicio poroso de capas de silicio convencional cargadas negativa y positivamente, y después grabaron el material. A efectos prácticos, no basta con que el silicio poroso transforme la electricidad en luz; debe hacerlo de manera rentable. Pero nadie quiere pronunciarse sobre los rendimientos que haya logrado. El material de Namavar, por ejemplo, necesita unos 10 volts para producir luz “visible”. Eso dice mientras confía rebajar el voltaje preciso a dos volts mejorando los contactos. Trabajo experimental aparte, no existe una explicación racional del comportamiento insólito del silicio poroso. De acuerdo con la hipótesis que capitanea Canham, el silicio poroso estaría formado por “cables cuánticos”, estructuras que confinan los movimientos de los electrones a una dimensión, con lo que favorecen la recombinación de electrones y cargas positivas. Esas recombinaciones producirían la luz. Por contra, los físicos del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido de Stuttgart atribuyen la fotoluminiscencia al siloxeno, compuesto de silicio, oxígeno e hidrógeno. El siloxeno se caracteriza por las propiedades que asociamos hoy al silicio poroso. Se acaba de demostrar que la superposición de siloxeno sobre silicio cristalino (con una capa intermedia de disiliciuro de calcio) emitía también luminiscencia; y se supone que ese material se dejaría manipular mucho mejor que el quebradizo silicio poroso. El grupo de Rama Venkatasubramanian, del Instituto del Triángulo de Investigación, en Carolina del Norte, decidió abordar la cuestión desde otro frente. “Si el efecto era válido en el silicio, pensaron, debería poder reproducirse en otros semiconductores.” Para someter a prueba esa condición, recurrieron a la fotolitografía, técnica de alta precisión que se emplea para grabar en germanio cables cuánticos. En la Reunión Internacional de Dispositivos Electrónicos, de diciembre de 1991, el grupo del Triángulo hizo público que, excitado con luz, el germanio emitía una luminiscencia rojiza. Pero ni siquiera esos resultados apuntan concluyentemente a un efecto cuántico; queda todavía allí flúor que podría causar la luminiscencia. Tampoco acaba de entenderse la paradoja de que esas técnicas de grabado no hayan producido silicio emisor de luz y sí lo ha hecho el tratamiento con ácido fluorhídrico, menos controlado. Venkatasubramanian ve la explicación en las diferencias entre las estructuras electrónicas (o intervalo de banda) del silicio y el germanio. Confía, sin embargo, en que, si consigue que el germanio emita luminiscencia con electricidad, dé con el método para lograr idéntico resultado con el silicio. Por último, sabido es que el silicio ópticamente excitado emite una gama amplia de colores; la gama del silicio eléctricamente excitado es todavía menor. Canham ha apreciado colores anaranjados y amarillos en sus experimentos de electroluminiscencia, pero no verde.
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Futuro de la industria de los semiconductores G. Dan Hutcheson y Jerry D. Hutcheson Tal vez estén contados los días de desarrollo vertiginoso, pero puede que el resultado sea una mayor variedad
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a capacidad de almacenar y procesar información de mil maneras ha sido esencial para el progreso de la humanidad. Desde las remotas incisiones en arcilla de las tablillas sumerias hasta la imprenta de Gutenberg, el sistema decimal de Dewey y los semiconductores, el almacenamiento de la información ha constituido el catalizador de sistemas legales, políticos y sociales de comple jidad creciente . También la ciencia moderna está estrechamente vinculada al procesamiento de la información, con el cual mantiene cierta simbiosis. Los avances científicos han permitido almacenar, extraer y procesar cada vez más información, gracias a cuyo bagaje se han producido nuevos progresos. La fuerza motriz de este empeño decisivo, la que abrió una nueva era en los últimos decenios, fue la electrónica de semiconductores. Los circuitos integrados originaron no sólo ordenadores personales que han transformado el mundo empresarial, sino también sistemas de control para el mejor funcionamiento de las máquinas y sistemas de ayuda médica que salvan vidas humanas. De paso han hecho brotar industrias que cifran sus ingresos en billones de pesetas y dan trabajo a millones de personas. Estas y otras
G. DAN HUTCHESON y JERRY D. HUTCHESON han consagrado su vida profesional al progreso de la fabricación de semiconductores. Jerry, físico de formación, trabajó desde 1959 en RCA, Motorola y otras empresas. En 1976 fundó la compañía consultora VLSI Research, Inc. Su interés se centra en las interacciones de la técnica y la economía en la fabricación de semiconductores. Su hijo Dan es economista. En 1981 desarrolló el primer modelo de simulación basado en costos del proceso de fabricación para orientar a las empresas en la elección del equipo necesario.
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muchas ventajas derivan, en buena parte, de la capacidad de integrar cada vez más transistores en una pastilla, a unos costes en continuo descenso. Esa capacidad, que no tiene precedentes en ningún otro sector industrial, se halla tan arraigada en el de los semiconductores que se toma como una auténtica ley. No obstante, de vez en cuando se expresan temores de que los obstáculos técnicos y económicos lleguen pronto a frenar la evolución. Son muchas las veces que los expertos han vaticinado el inminente fin del espectáculo, pero la creatividad y el ingenio de otros colegas han echado por tierra sus predicciones. En este momento, cuando el coste de construir una nueva planta de semiconductores roza el billón de pesetas y la densidad de transistores se aproxima a los límites teóricos impuestos por las técnicas utilizadas, muchos se preguntan qué va a hacer esta industria cuando finalmente tropiece con barreras de veras insalvables. En 1964, a los seis años de la invención del circuito integrado, Gordon Moore observó que el número de transistores que podían integrarse en una pastilla se duplicaba a un ritmo anual. Moore, uno de los fundadores de Intel Corporation en 1968, predijo con acierto que esa tasa se mantendría en el futuro inmediato, lo que ha venido a llamarse ley de Moore y ha tenido importantes consecuencias. Dado que la densidad doble no implicaba mayor inversión, el coste por transistor se reducía a la mitad en cada tanda de duplicación. Al multiplicar por dos los transistores, una pastilla de memoria puede almacenar el doble de datos. Con mayores niveles de integración se puede aunar un mayor número de funciones en la pastilla; una disposición espacial comprimida de los componentes, de los transistores por ejemplo, facilita una interacción más célere. Los usuarios
han podido así obtener por el mismo dinero una potencia informática acrecentada, lo que ha estimulado tanto las ventas de microcircuitos como la demanda de potencias de procesamiento crecientes. Para asombro de muchos expertos, incluso del propio Moore, la integración continuó creciendo a un ritmo sorprendente. Cierto es que, al final de los setenta, se había desacelerado el paso; el número de transistores se duplicaba cada dieciocho meses. Pero desde entonces el ritmo se ha mantenido y hoy en día existen en el mercado circuitos integrados con más de seis millones de transistores y componentes electrónicos de 0,35 micrometros de dimensión transversal. Se espera que se vendan pronto pastillas con diez o más millones de transistores y de 0,25 e incluso de 0,16 micrometros. No vaya a creerse que ha sido fácil llegar hasta los microcircuitos actuales; los fabricantes han tenido que superar, en una carrera erizada de obstáculos, notables limitaciones en sus equipos y procesos de producción. Ninguno de estos problemas resultó ser la temida barrera final cuya superación exigiera costes tan elevados como para detener o por lo menos frenar el avance de la técnica y, por tanto, el desarrollo de este sector industrial. Los sucesivos impedimentos, empero, han sido cada vez más imponentes por razones ligadas a las técnicas en que se funda la fabricación de semiconductores. Se construye un microcircuito creando e interconectando transistores sobre una lámina de silicio para formar sistemas electrónicos complejos. El proceso de fabricación consta de una serie de etapas, o capas de máscara, en las que se depositan sobre el silicio películas de diversos materiales —algunos de ellos fotosensibles— y se exponen luego a la luz. Tras la deposición y el tratamiento litográfico, se procesan dichas capas para “grabar”
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1. MAQUETA DE CIRCUITOS. Registra el diseño de una pastilla. Las distintas capas de la pastilla se muestran en colores diferentes. La imagen ilustra parte de los planos del futuro microprocesador Power PC 620 de Motorola.
los patrones que, en alineación exacta y combinados con los de las capas sucesivas, producen los transistores y sus conexiones. Suelen obtenerse 200 o más pastillas a la vez sobre un delgado disco u oblea de silicio. En el primer juego de capas de máscara, se depositan películas aislantes de óxido para formar los transistores. A continuación se extiende sobre esas películas un revestimiento fotosensible. Mediante una máquina posicionadora por pasos, similar a una ampliadora fotográfica, se expone ese polímero fotosensible. La máquina posicionadora emplea un retículo o máscara para proyectar un patrón sobre el polímero fotosensible. Una vez expuesto, el polímero se revela, perfilándose así los espacios —ventanas de contacto— donde se interconectan las diferentes capas conductoras. Un agente grabador ataca entonces la película de óxido al objeto de que puedan establecerse los contactos eléctricos con los transistores. Se elimina el polímero fotosensible. Más juegos de capas de máscara, con etapas de deposición, litografía y ataque muy similares, crean las películas conductoras de metal o polisilicio necesarias para enlazar los transistores. La fabricación de una pastilla requiere unas 19 capas en total.
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a física subyacente a estos procesos fabriles induce a imaginar posibles obstáculos que se opondrían a un progreso continuo. En primer lugar, el relacionado con el límite de resolución los 436 y 365 nanómetros, las llamadas de Rayleigh, así llamado en honor del rayas g e i del mercurio. La primera premio Nobel John William Strutt, ter- de ellas es visible para el ojo humano cer barón de Rayleigh. En virtud de ese y la última apenas sobrepasa la visibilímite, el tamaño de las características lidad en el ultravioleta. Las aberturas más pequeñas que puede distinguir un numéricas varían desde un extremo sistema óptico de abertura circular es bajo cercano a 0,28 micrometros para proporcional a la longitud de onda de la lentes industriales corrientes hasta un fuente luminosa dividida por el diáme- valor de unos 0,65 para las de herratro de la abertura del objetivo. En otras mientas litográficas de punta. palabras, cuanto más corta sea la lon- Considerando estos valores junto con gitud de onda y mayor la abertura, más otros aspectos derivados de las demandas de la fabricación en masa, se fina será la resolución. Dicho límite constituye una ley fun- obtiene una resolución límite en torno damental de este sector industrial, a 0,54 micrometros para lentes de raya puesto que sirve para determinar el g y de 0,48 para las de raya i. tamaño mínimo de los transistores Hasta mediados de los ochenta se materializables en una pastilla. En la aceptó como límite práctico el funciolitografía de los circuitos integrados la namiento en la raya g. Pero uno tras fuente de luz al uso es la lámpara de otro se fueron allanando los obstáculos mercurio. Sus rayas espectrales más que impedían el funcionamiento en la útiles para estos fines se producen a raya i . Ocurrió de una manera que
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ilustra las complejas relaciones existentes entre economía y técnica en esta industria. No sólo se salvaron las barreras de orden técnico, sino que resultó que algunas otras no eran sino simples consecuencias del nivel de riesgo tolerado por la empresa. Esta historia tiene mucho que ver con la actual situación del sector, próxima a los límites prácticos del funcionamiento en la raya i. Una de las dificultades para el funcionamiento en la raya i estribaba en que casi todos los vidrios de las lentes son opacos a esas frecuencias, lo que obligaba a utilizar el cuarzo. Aunque las lentes de cuarzo eran realizables, se aducía que sería difícil comprobar la alineación de configuraciones que no son visibles. Además sólo un setenta por ciento de la radiación en raya i atraviesa el cuarzo; el resto calienta la
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OBLEA DE SILICIO PREPARADA
POLIMERO FOTOSENSIBLE
LUZ PROYECTADA
CAPA DE DIOXIDO DE SILICIO CAPA DE NITRURO DE SILICIO SUSTRATO DE SILICIO
RETICULO (O MASCARA)
2 REPETICION DE UN CICLO SIMILAR PARA FORMAR UNIONES METALICAS ENTRE TRANSISTORES
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CONECTOR METALICO
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OBJETIVO
PROYECCION REPETIDA DE PATRONES SOBRE LA OBLEA
NUEVO POLIMERO FOTOSENSIBLE SOBRE LA OBLEA. SE REPITEN LOS PASOS 2 A 4
DOPADO POR BOMBARDEO IONICO DE LAS ZONAS ATACADAS 3
ELIMINACION DEL POLIMERO FOTOSENSIBLE EXPUESTO
4 REGION DOPADA
ATAQUE POR GASES DE LAS ZONAS NO PROTEGIDAS POR POLIMERO FOTOSENSIBLE
2. LAS PASTILLAS SE FABRICAN en ciclos de etapas repetidas hasta veinte veces. De una oblea de silicio con recubrimiento fotosensible se obtienen muchas pastillas a la vez (1). En cada ciclo se proyecta repetidamente un patrón distinto en la oblea ( 2), formándose una pastilla en cada posición de la imagen. El
lente, con la posible distorsión consiguiente de la imagen. Y no acababan ahí los problemas. El límite de Rayleigh fija también el inter valo dentro del cual se mantiene enfocado el patrón proyectado por la lente. La restricción de la profundidad de enfoque, llamada profundidad de campo, va en contra de los límites de resolución; a mejor resolución, menor profundidad de campo. La profundidad de campo de las lentes aludidas es de unos 0,52 micrometros en las mejores lentes de raya g y de 0,50 en las de raya i. Profundidades tan exiguas exigen que la superficie de la oblea sea extremadamente plana, mucho más de lo
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recubrimiento fotosensible se elimina ( 3); se atacan con gases las zonas expuestas a la luz ( 4). Dichas zonas se bombardean con iones (“dopado”), creando transistores (5). Estos se conectan luego al añadir capas de metal y de aislante en sucesivos ciclos (6).
que hace pocos años podía conseguirse a lo largo de la diagonal de una pastilla grande con el mejor equipo disponible. Para superar tales inconvenientes se idearon soluciones nuevas; por ejemplo, métodos de acabado que aseguraban superficies perfectamente planas. Mediante ajustes finos de los bordes de los patrones del retículo se pudo desplazar de fase la radiación de raya i entrante. Se lograba así una definición más nítida de los bordes y, por tanto, dimensiones menores, con lo que se soslayaba el límite de Rayleigh. Uno de los últimos retoques consistió en aceptar un valor más bajo de la constante de proporcionalidad, que guarda rela-
ción con el grado de contraste de la imagen proyectada sobre la oblea durante la litografía. Para el funcionamiento en raya i los fabricantes se armaron de coraje y aceptaron una constante de proporcionalidad inferior a la que hasta entonces se había considerado práctica. Esto implicaba unos márgenes más reducidos durante la fabricación y exigía controles más rígidos sobre los procesos de litografía, deposición y ataque para que el número de pastillas aceptables por oblea (el rendimiento) se mantuviese elevado. Gracias a tales innovaciones, hoy es pura rutina manejar dimensiones de 0,35 micrometros en raya i.
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o que realmente se discutía en este imparable ascensión de estos costes, léctrica; por consiguiente, las DRAM y último caso era la pérdida de con- sobre todo disparada por los gastos otras pastillas similares requieren traste que el fabricante estaba dis- que implica superar barreras técnicas materiales con una constante dielécpuesto a tolerar. Con un contraste cada vez más formidables, obliga de trica elevada. perfecto, la imagen creada en el polí- nue vo a centrar la atención en los límimero fotosensible es nítida. Lo mismo tes de la industria de los semiconduca búsqueda de nuevas fuentes de que tantas otras limitaciones del sec- tores. luz para litografía es asimismo tor, la relación de contraste parecía No es probable que sufra un parón a impresionante. La mayor finura de una barrera técnica cuando en reali- corto plazo. Pero nos acercamos a barre- resolución exige longitudes de onda dad entrañaba una decisión arries- ras tan elevadas que el superarlas pro- más cortas. Pero la luz de mercurio al gada. Se comprobó que con una menor bablemente exigirá cambios mucho más uso emite muy poca energía en longirelación de contraste no disminuían drásticos que en ocasiones anteriores. tudes de onda inferiores a los 365 los rendimientos, siempre que en otras Un breve análisis de los obstáculos per- nanómetros de raya i. Los láseres excípartes del proceso se aplicasen contro- mitirá comprender las razones. meros descienden hasta unos 193 les más estrictos. En su mayor parte provienen de las nanómetros, pero por debajo de esa Es difícil predecir cuándo se agotará, estructuras de película delgada que longitud de onda generan muy poca si es que ello ocurre, esta vena de mejo- componen el circuito integrado o de las energía. En los últimos años se ha ras creativas. No obstante, antes de fuentes de luz necesarias para formar aplicado la litografía por láser excítopar con auténticas barreras técnicas las finísimas pistas conductoras, o de mero para fabricar pastillas de aplicase dejará sentir la repercusión econó- la propia an chura de dichas pistas. En ción especial, de grandes prestaciones, mica de esa aproximación a las mis- ciertos casos se relacionan con la cons- en pequeños lotes. Para longitudes de mas. Sabido es que los costes implica- tante dieléctrica de la película ais- onda aún más cortas las fuentes de dos en la consecución de niveles más lante. La constante dieléctrica nos rayos X constituyen el último recurso. elevados de prestaciones de la pastilla indica la capacidad que posee una pelí- Sin embargo, los resultados producidos crecen con gran rapidez conforme nos cula aislante para evitar corrientes de por 20 años de investigación sobre la acercamos a los límites de determi- fuga entre las pistas conductoras, litografía con rayos X sólo han sido nada técnica de fabricación, sobrepa- sumamente próximas, de la pastilla. modestos y no existen en el mercado sados luego. Los costes en aumento Cuantos más transistores se integren pastillas fabricadas por tal procedipodrían arrastrar los precios hasta en la pastilla, más densamente agru- miento. más allá de lo que los compradores padas estarán estas pistas, con lo que Al aparecer obstáculos técnicos creestarían dispuestos a tolerar, aumentará la diafonía entre ellas. cen también las barreras económicas, provocando el estancamiento del merPara evitarlo podría reducirse el usualmente manifestadas en elevaciocado antes de tropezar con las barreras valor de la constante dieléctrica, lo que nes de coste de los equipos, sobre todo técnicas. haría más impermeable a la Pero cuando por fin se asienta una diafonía el aislante. Pero RELACION PRECIO A PRESTACIONES nueva técnica de fabricación, los costes esto, a su vez, origina una de las pastillas comienzan a descen- doble búsqueda: por un lado, CURVAS DE COSTE DE FABRICACION der. En ese momento la industria ha de materiales nuevos de más pasado de una curva coste-prestacio- baja constante dieléctrica y, nes asociada a la técnica antigua a otra por otro, de nuevas estructucurva propia del nuevo proceso. En ras peliculares capaces de SALTO TECNICO efecto, el salto de una técnica a otra reducir todavía más la conshace que la curva de costes descienda tante dieléctrica total. Se y aleja más los límites técnicos. Cuando está investigando la posibital cosa sucede se pueden conseguir lidad de sembrar la película I O niveles de prestaciones más altos sin aislante con diminutos hue- C E elevar los costes, lo cual mueve a los cos para aprovechar la bají- R P LIMITE SUPERIOR DE PRECIOS compradores a sustituir sus viejos sima constante dieléctrica equipos. Lo sabe muy bien la industria del aire o del vacío. electrónica, donde los productos sueEn otros lugares de la paslen quedarse anticuados antes de su tilla se necesitan materiales total desgaste. con la propiedad opuesta: Los principios hasta aquí expuestos una elevada constante diese aplican a toda clase de pastillas, léctrica. La mayoría de los E1 E2 T1 T2 pero las de memoria son las que cubren circuitos integrados requieBarreras Barreras económicas técnicas un mayor volumen de negocio y, por ren condensadores. En una varios conceptos, son las más repre- memoria dinámica de acceso PRESTACIONES DEL PRODUCTO sentativas. En veinticinco años el pre- aleatorio (DRAM) cada bit se FUENTE: VLSI Research, Inc. cio de un megabyte de memoria de almacena en un condensasemiconductores ha descendido desde dor, dispositivo capaz de rete- 3. UNA CURVA DE COSTES caracteriza un sistema de 70 millones a menos de 5000 pesetas. ner la carga eléctrica. (Un fabricación determinado. En las barreras técnicas T1 Pero en el mismo período el costo de condensador cargado repre- y T2 una pequeñísima mejora de prestaciones requiere un enorme aumento de coste. Pero mucho antes se construir una fábrica para producir senta el 1 binario; uno des- tropieza con las barreras económicas, E y E , en la 2 las pastillas se ha elevado desde menos cargado, el 0.) Lo normal es intersección de las curvas con la línea que1 representa de 500 millones hasta los 150.000 que la capacitancia disponi- los precios máximos tolerados por los usuarios. Los millones de pesetas, con lo que sólo ble en la pastilla se quede saltos técnicos hacen descender la curva a la posición unas pocas firmas muy importantes corta. La capacitancia es pro- de color más oscuro. Entonces mejoran las prestaciopueden abordar esta actividad. La porcional a la constante die- nes y las barreras pasan a ser E2 y T2.
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¿Cuánto rinde el dinero?
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muchos— que en absoluto son lineales. Desde un punto de vista económico, el carácter no lineal distingue a la industria de los semiconductores de cualquier otra gran industria; no sólo eso: también hace inadecuados todos los demás modelos. Las inversiones en equipos e investigación que periódicamente necesita este sector son bastante grandes y crecen exponencialmente. Además, como en toda empresa, las inversiones en estos conceptos y otros análogos deben generar un beneficio saneado. Pero hoy día las firmas de semiconductores carecen de medios para determinar con precisión qué parte de su rendimiento financiero procede de sus inversio1971-75 1976-84 1985-94 nes en equipo, lo que les plantea un grave problema. Desde hace años venimos trabajando en métodos descriptivos del sector que tengan en cuenta los elementos no lineales, con miras a 4 O I modificar el modelo C I N F 1973 ROI. O E E I T N S 3 En el modelo clásico N E D R + E B I E I 1974 se acude a inversiones V C O E E V N 1976 I O de capital adicionales R E A P C U I 2 cuando la capacidad real N U 1993 D O 1987 Q D A E de un fabricante no E A D D I R alcanza la capacidad 1979 N L N I 1994 E E B O I N 1 prevista (entendida ésta A C E T A 1981 G como la capacidad que N L 1971 1986 E E la empresa cree necesa R R 0 ria para satisfacer la 0 demanda en un futuro INVERSION CRECIENTE inmediato). Estas difeRELACION DE INVERSION rencias suelen deberse EN PLANTA Y EQUIPO A I+D al envejecimiento del LA CARTA DE FASE muestra la relación entre beequipo y a la pérdida de neficios e inversiones en nuevas técnicas a lo largo personal experto. En el de distintas épocas de Intel. Uniendo los puntos sector de los semiconseñalados se trazan bucles que representan ciclos ductores no sólo hay que de alrededor de seis años (en diferentes colores). En anticiparse constantecada ciclo se pasa de un período de escasa rentabimente a los aumentos de lidad con fuertes inversiones a otro de muy buenos capacidad, sino que tamrendimientos en efectivo a partir de inversiones bién se deben prever y mucho menores. Las flechas verdes señalan el año planificar los grandes de cada ciclo en que Intel obtuvo may ores ganancias y gastó menos en equipo. avances en la propia técnica de fabricación. Para dar cuenta de este efecto de frenado cimiento y de avance técnico relati- técnico, empezamos por considerar la vamente pequeños. Los autores no relación del efectivo generado en cualtienen noticia de que el modelo se quier año determinado con las inverhaya comportado bien en el sector de siones en nuevas técnicas del año los semiconductores, en el que hay anterior. En este contexto entendemos numerosos índices de variación por nuevas técnicas los nuevos equi —prestaciones del producto y coste pos de fabricación y la investigación y del equipo de fabricación, entre otros desarrollo. El efectivo generado urante sesenta años la mayoría de las empresas se sirvieron del mismo modelo para registrar los rendimientos financieros de sus inversiones en equipos, investigación, gestión de mercados y todos los demás conceptos. Desarrollado por Donaldson Brown de Du Pont en el umbral de la primera guerra mundial, la primera empresa en aplicarlo fue General Motors en su esfuerzo por sobrepasar a Ford Motor Company como líder del mercado de automóviles. Desde su adopción universal, el modelo en cuestión, llamado de rendimiento de la inversión, o ROI (return on investment ), ha mantenido su validez en industrias con índices de cre-
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durante el año es el beneficio bruto resultado de las operaciones, incluyendo el dinero destinado a la reinversión en investigación y desarrollo. Esta relación nos indica el incremento de beneficios por incremento de inversión con un año de desfase. Constituye un exponente real del grado de rentabilidad que alcanza una compañía gracias a sus inversiones en técnicas cada vez más costosas. El ROI, por el contrario, mide los beneficios incrementales durante el año procedentes de todas las inversiones, no solamente de las del año anterior. Hasta aquí no hemos hecho más que incluir en las nuevas técnicas el equipo de fabricación incorporado y la investigación y desarrollo. Pero el efecto del frenado técnico se hace más acentuado cuando se separan estas dos categorías y se dilucidan los flujos y reflujos entre ellas. Una manera de conseguirlo es calcular año tras año la razón entre estas dos inversiones y después representarla en función de la relación antes mencionada entre efectivo generado en el año y las inversiones en nuevas técnicas del año anterior, como ilustra el adjunto diagrama o carta de fase para la compañía Intel. Conectando los puntos marcados en el diagrama se trazan bucles correspondientes a ciclos de unos seis años. En cada uno de ellos, Intel pasa desde un período de operaciones no rentables causadas por fuertes inversiones de capital hasta otro período en el que se consiguen grandes beneficios derivados de inversiones de capital mucho más ligeras. En el gráfico se ve que Intel entra ahora en otro período de fuerte inversión de capital. Otras empresas de semiconductores (y asimiladas) recorren ciclos parecidos, si bien varían de una a otra los períodos de rentabilidad y de fuertes inversiones. La parte inferior de cada bucle es más baja que la del bucle prece dente. Esto quizá sea la información más interesante que ofrece la ilustración: significa que los beneficios de Intel, con relación a los gastos que los han generado, descienden en cada ciclo sucesivo. Al mostrar el ciclo completo entre las inversiones en técnica y su rentabilidad, la carta de fase es un poderoso instrumento para observar y gestionar los ciclos de inversión peculiares de esta singular y dinámica industria. —G.D.H. y J.D.H
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109 de litografía. Las mejoras del equipo litográfico adquieren especial imporAMBITO TEMPORAL tancia porque determinan las dimenDE LOS SISTEMAS LITOGRAFICOS siones mínimas que pueden materia256M lizarse en una pastilla. Aun que esta ALINEADORES POR CONTACTO posible dimensión mínima se haya ido ALINEADORES POR PROXIMIDAD achicando un 14 por ciento anual desde 108 los inicios del gremio, el precio del 64M ALINEADORES POR PROYECCION equipo ha subido cada año un 28 por ciento. PRIMERAS POSICIONADORAS Al principio el coste se decuplicaba DE RAYA G 16M con cada nueva generación de equipo POSICIONADORAS AVANZADAS litográfico. De entonces acá se ha A 80786 DE RAYA G L 7 logrado reducir un aumento tan fuerte L I 10 POWER PC 620 PRIMERAS POSICIONADORAS T a una simple duplicación de precios S DE RAYA I PENTIUM 4M A entre una generación y otra de alinea- P PRO POSICIONADORAS AVANZADAS POWER PC 604 dores de posición. Otros tipos de equi- R DE RAYA I O POWER PC 601 PENTIUM pos utilizados en la fabricación de P PRIMERAS POSICIONADORAS S semiconductores han conocido un com- E DEL UV PROFUNDO 68040 R 1M portamiento similar. O 6 T 10 80486 Esta es la razón de que los costes S I S generales de la creación de fábricas de N 256K semiconductores hayan crecido a la A R T 68030 mitad del ritmo predicho por Moore, E 80386 68020 duplicándose cada tres años. Intel se D gasta el equivalente de más de 140.000 O R 80286 64K 105 millones de pesetas en cada nueva E M 68000 planta que abre en EE.UU.; Samsung U N y Siemens construyen factorías que costarán cerca de 180.000 millones y 16K 8086 Motorola proyecta una planta que podría llegar a los 300.000 millones. Aunque pueden construirse fábricas 4K 104 más pequeñas por menos dinero, su rendimiento es menor. 8080 MICROPROCESADOR INTEL 6800 Estos enormes costes de las fábricas 1K MICROPROCESADOR MOTOROLA confirman que nos aproximamos a CAPACIDAD DE MEMORIA 4004 (DRAM) EN BITS barreras técnicas imponentes. Sin embargo, nos parece infundado el 103 temor de que sean insalvables y fuer1970 ’72 ’74 ’76 ’78 ’80 ’82 ’84 ’86 ’88 ’90 ’92 ’94 ’96 ’98 2000 cen a un parón del sector. Lo que sí AÑO DE DISPONIBILIDAD puede suceder es que los precios de los FUENTE: VLSI Research, Inc.; Integrated Circuit Engineering Corporation semiconductores aumenten y se desacelere el ritmo de cambio. 4. LAS DENSIDADES DE TRANSISTORES en los circuitos integrados han crecido Ello además tendría algún prece- exponencialmente, como indica la gráfica logarítmica. Para sostener tal ritmo se dente. Entre 1985 y 1988 el coste por han utilizado en la fabricación sucesivos sistemas litográficos que proyectan en las bit de memoria creció un 279 por ciento obleas los patrones de circuitos. La mayor regularidad y simplicidad del diseño han sin consecuencias catastróficas; antes conseguido elevar las densidades de las pastillas de memoria. bien, 1988 fue uno de los mejores años en la industria de semiconductores. Cuando el coste por bit inicie una fueron muy rápidos. En menos de cua- ción y desarrollo en aumentar la su bida incesante, probablemente renta años se pasó del monoplano de capacidad de pasajeros y la velocidad. sobrevendrá una transformación los hermanos Wright al Clipper de Pan Finalmente se llegó a un máximo de industrial que altere los modelos de Am y a las Flying Fortress y Superfor- capacidad con el Boeing 747 y a un tope tress. También el sector atendió prime- de velocidad con el Concorde. El 747 empresa. En la práctica, toda industria que ramente a los mercados militares antes tuvo un gran éxito, pero sus numeroperdure algunos decenios habrá pasado de dedicarse a la aviación comercial. sas plazas sólo se llenaban en las rutas por tales transformaciones. Pese a su La industria aeronáutica sostuvo su más largas. El Concorde, por su parte, carácter singular, la industria de los crecimiento disminuyendo los costes vio limitada su utilización por la consemiconductores se rige también por los por pasajero y kilómetro recorrido, a la taminación acústica que creaba. Pero principios económicos de la oferta y la par que reducía los tiempos de vuelo. ambos representaron un límite, en el demanda. Podemos, pues, acudir a la Los dos objetivos son equiparables a los sentido de que la técnica no permitía historia de sectores más antiguos, como tenaces esfuerzos por aumentar la den- en condiciones realistas obtener velola aviación, los ferrocarriles y la auto- sidad de transistores en una pastilla y cidades y capacidades mayores. Pese moción, para buscar episodios ilustra- mejorar así las prestaciones, redu- a ello la aviación no cayó en barrena, ciendo además los costes. sino que entró en una segunda fase en tivos de lo que cabe esperar. La aviación progresó durante la cual se diseñaron aviones más Como en los semiconductores, los comienzos de la industria aeronáutica decenios concentrando su investiga- pequeños y diversos, construidos para
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mercados específicos. El foco de la investigación y desarrollo ya no se centraba en la velocidad y la capacidad, sino en un funciona cionamiento miento eficaz y silencioso y en la comodidad del pasa jero.
miento y la diversidad de productos, de modo similar a lo que empieza a verse en la fabricación de microcircuitos. Las empresas aplican ahora la técnica a potenciar las líneas de productos más que a reducir los costes de fabricación. Hay que ubo en los ferrocarriles tendestacar que estas industrias dencias similares. Desde el han prosperado pese a la subida siglo pasado hasta bien entrade los costes. dos los setenta la potencia de Puede no faltar mucho para tracción de las locomotoras fue que la industria de los semiconaumentando continuamente ductores toque techo. El ritmo con el fin de reducir los costes de la integración de transistores del transporte de mercancías. declinará y los costes de fabricaLa inversión de capital en las ción empezarán a dispararse. disparar se. locomotoras era cuantiosa, Pero como sugiere la experienpero la potencia de tracción cia de la aviación, el ferrocarril crecía más deprisa que los cosy el automóvil, los semiconductes. Sin embargo se llegó a un tores pueden prosperar aunque punto en que los altos costes de encuentren nuevas barreras desarrollo forzaron a la unión económicas y técnicas, en gran 5. El CIRCUITO INTEGRADO, o dado, del microprocede fabricantes y usuarios. La medida infranqueables. En una sador Power PC 620 de Motorola contiene cerca de Union Pacific Railroad, el industria más madura, el desiete millones de transistores. Se encapsula en cerámica. Se destina a estaciones de trabajo de ordenador y mayor ferrocarril de su época, sarrollo provendrá de productos servidores de ficheros. se asoció con la División de refinados con una diversificaElectromoción de General ción mayor. Motors para crear el EMD DD-40, un del color que se quisiera, siempre que El almacenamiento de la informamonstruo que resultó ser demasiado fuera negro. ción, y las funciones sociales que de él Las tendencias en la fabricación de dependen, continuarán su avance. En grande e inflexible para todo lo que no fuese transportar grandes cargas a automóviles se orientaron a ofrecer realidad, moderar el ritmo del protravés de los Estados Unidos. Tras su más facilidades, prestaciones y mode- greso en los semiconductores podría Mo tors, acarrear inesperadas ventajas, como fracaso, la industria industria ferroviaria volvió los. Alfred E. Sloan, de General Motors, a emplear máquinas más pequeñas se dio cuenta de que el rendimiento ya la de dar tiempo a los programas y que trabajasen por separado con car- no aumentaba con el tamaño de la arquitecturas arquitecturas informáticas para que gas pequeñas y fueran capaces de aco- fábrica y que las grandes plantas eran asimilen los grandes saltos en prestaplarse para el transporte de otras buenas para producir grandes series ciones de los microcircuitos. También del mismo producto. Por tanto, tan to, dis- en la industria de los semiconductores mayores. La situación actual de la industria de gregó la empresa en divisiones con la veteranía puede ser un grado. semiconductores no difiere mucho de la mercados claramente definidos y fábrirespal dasen. reseñada a propósito de las empresas empresas cas especializadas que las respaldasen. ferroviarias antes del EMD DD-40. Los clientes prefirieron la mayor variedi seños resultante y General Cuesta tanto el desarrollo de nuevas dad de diseños BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA Motors Mo tors empezó muy pronto a ganar factorías para las futuras gene generaciones raciones IS SEMICONDUCTOR MANUFACTURING EQUIde pastillas de memoria que las empre- mercado a costa de Ford. PMENT STILL AFFORDABLE? Jerry D. Hutsas han empezado a aliarse en diferencheson y D. Dan Hutcheson en Proceel desarrollo de los microcircuitos dings of the 1993 International Symposium tes grupos, cada uno de los cuales ataon Semiconductor Manufacturing. Instisigue pasos semejantes. Intel cará a su manera el tremendo tremendo problema tute of Electrical and Electronics Engide la fabricación económica de pastillas diversificó en más de 30 variedades su neers, septiembre de 1993. oferta del microprocesador 486, miende elevadísima densidad. SIA 1994 NATIONAL T ECHNOLOGY ROADDe la fabricación de automóviles tras que a principios de los ochenta MAP FOR SEMICONDUCTORS . Semiconducpueden pueden también extraerse lecciones. sólo ofrecía tres versiones del 8086 y tor Industry Association, 1994. En los años veinte Henry Ford fue nada más que dos del 8088. Las pastiLITOGRAPHY AND THE FUTURE OF MOORE’S construyendo factorías cada vez más llas de memoria dinámica siguen esa LAW. Gordon E. Moore en SPIE Proceedings on Electron-Beam, X-Ray, EUV, eficientes, hasta culminar en la planta pauta diversificadora. Toshiba, por and Ion Beam Lithographies for Manugigantesca de Rouge, donde empezó a ejemplo, posee actualmente quince facturing , vol. 2437; febrero de 1995. veces más configuraciones DRAM de fabricarse fabricarse el modelo A en 1928. ParHACIA EL “CERO COMA UNO”. Gary Stix en tíase tíase allí del propio mineral de hierro cuatro megabit que las de 64 kilobit Investigación y Ciencia, n.o 223, págs. para producir casi todas las piezas del que tenía en 1984. 70-75, abril de 1995. En su fase inicial todas las induscoche. Pero el sector automovilístico AFFORDABILITY CONCERNS IN A DVANCED había cambiado ya y el esfuerzo de trias señaladas, desde las ferroviarias SEMICONDUCTOR MANUFACTURING: THE NATURE OF INDUSTRIAL LINKAGE. Donald Ford por reducir los costes de fabrica- a las de semiconductores, se han esforA. Hicks y Steven Brown en Proceedings ción mediante la construcción de fac- zado por mejorar prestaciones y reduof the 1995 International Symposium on torías mayores y de mejor rendimiento cir costos. Las tres industrias del Semiconductor Manufacturing. Institute hubo que pagarlo sacrificando la diver- transporte, considerablemente más of Electrical and Electronics Engineers, sidad de productos. Como decía el maduras, han pasado a una segunda septiembre de 1995. chiste, podía comprarse un coche Ford fase en la que se persigue el refina-
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Pastillas de silicio-germanio Gary Stix
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os fabricantes electrónicos nunca han sentido simpatía por el arseniuro de galio, material que da mayores velocidades velocidades que la vieja materia prima de la i ndustria, el silicio. Pero por mucho que valoren la celeridad, los fabricantes de pastillas se resisten a abandonar inversiones de miles de millones de pesetas en factorías de semiconductores de silicio para emprender un proceso de fabricación completamente diferente. La llegada al mercado de una aleación de silicio y germanio significa que quizá no tengan que hacerlo. Investigadores de IBM y Analog Devices han hecho saber que de su colaboración ha surgido el primer dispositivo comercial hecho de tal aleación. «Marcará el camino del silicio durante los próximos cinco, diez o quince años», dice Bernard S. Meyerson, del Centro de Investigación Thomas S. Watson de IBM. Meyerson y sus colaboradores describen un transistor bipolar cuya base está constituida por la aleación de silicio y germanio. La base conecta y desconecta esos conmutadores en miniatura. El objeto del dispositivo es convertir una señal digital en su equivalente analógica al ritmo de mil millones de ciclos por segundo (un gigahertz). El convertidor digital-analógico de 12 bits opera más rápidamente que cualquier convertidor de silicio construido hasta la fecha. Consume menos y su velocidad es comparable a la de los más rápidos convertidores de señal basados en el arseniuro de galio. A diferencia del arseniuro de galio, los dispositivos de
silicio y germanio se pueden fabricar mediante l os mismos procesos que los circuitos integrados habituales. Dada la larga experiencia de los fabricantes de pastillas con el silicio, la electrónica del silicio-germanio puede alcanzar velocidades más altas sin costar más que los circuitos de silicio bipolares corrientes. Cada convertidor de silicio-germanio fabricado por IBM contiene 3000 transistores y otros 2000 elementos (condensadores, resistencias). Este número es pequeño comparado con el millón largo de transistores que puede llegar a contener una pastilla digital, pero para un circuito analógico es un alto nivel de integración. IBM ha tratado de aprovechar que los electrones se mueven más deprisa dentro de la base gracias al elevado campo eléctrico de la aleación. Causa ese campo el aumento gradual de la cantidad de germanio a lo ancho de la base, que crea una diferencia de potencial eléctrico, una especie de pendiente por la cual se aceleran los electrones. El futuro del germanio parece prometedor. IBM informó el pasado vera verano no que las máximas frecuencias de los transistores sueltos de germanio-silicio iban de 110 a 117 gigahertz. Son más de dos veces superiores a las alcanzables con un transistor de silicio y pueden compararse favorablemente con las de muchas pastillas de arseniuro de galio. Analog Devices está considerando introducir la aleación silicio-germanio en la parte electrónica de un teléfono digital sin cable que funciona a frecuencias nada menos que de tres gigahertz (la velocidad tasada de los circuitos que usan transistores es siempre mucho menor que la de funcionamiento libre de un transistor suelto). La circuitería para transmitir y recibir radioseñales podría reducirse, de una amalgama de transistores y condensadores separados, a una sola pastilla. Los investigadores de IBM hablan también de integrar los transistores bipolares de germanio-silicio en una pastilla portadora de una tecnología de semiconductor de metal-óxido (CMOS) complementaria, es decir, los baratos dispositivos lógicos y de memoria que constituyen la base de la mayor parte de la electrónica de los ordenadores personales y equipos de comunicaciones. Los componentes CMOS servirían como microprocesadores y memoria; los circuitos bipolares, como procesadores de alta velocidad de señales de radio que fuesen, por ejemplo, de un teléfono manual Bernard S. Meyerson, investigador de IBM, inspecciona una máquina de ultraalto vacío para la deposición química de vapor, técnica que él mismo ideó para depositar a una estación base de telecomucapas atómicas de aleación de silicio-germanio sobre pastillas de silicio. nicaciones.
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FUTURO
El ordenador del siglo XXI Mark Weiser Programas y dispositivos físicos especiales, conectados entre sí mediante cables, ondas de radio o infrarrojos, abundarán tanto que su presencia pasará inadvertida
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as técnicas que calan más hondo son las que se pierden de vista; su imbricación en la vida diaria es tan íntima que terminan por pasar inadvertidas. Pensemos en la escritura, quizá la primera técnica de la información. La posibilidad de representar el lenguaje hablado mediante símbolos para su almacenamiento prolongado liberó a la información de las limitaciones de la memoria humana. Hoy en día se la encuentra por doquier en los países industrializados. No son sólo libros, revistas o periódicos los que transmiten información escrita; también lo hacen las señales de tráfico, los carteles de los comercios, las vallas publicitarias e incluso los graffiti. La constante presencia de estos productos de la “tecnología literaria” en el trasfondo no requiere ningún esfuerzo de atención; la información que transmiten puede usarse de un solo vistazo. Es difícil imaginar la vida moderna de otro modo. Las técnicas de la información basadas en el silicio, en cambio, están lejos de haberse incorporado al entorno. El hecho de que se hayan vendido decenas de millones de ordenadores personales no ha sido suficiente para sacarlos de su propio mundo, al que sólo se accede
MARK WEISER dirige el laboratorio de ciencias del cómputo en el Centro de Investigación de Xerox en Palo Alto (PARC). Trabaja sobre la nueva revolución del mundo de los ordenadores, posterior a las estaciones de trabajo, conocida como computación ubicua o virtualidad incorporada. Doctor por la Universidad de Michigan en 1979, antes de comprometerse con PARC enseñó informática en la Universidad de Maryland. Disfruta escribiendo programas. Ha investigado la aplicación de nuevas teorías sobre la recuperación automática de memoria en los ordenadores, lo que en el gremio se conoce como “recogida de basura”.
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utilizando una jerga complicada y carente de relación con las tareas para las que se los utiliza. Algo así como si, para escribir, tuviéramos que saber además fabricar tinta o cocer barro. El aura de misterio que envuelve a los ordenadores personales no es sólo un problema de relación, o interfaz, con el usuario. La propia idea de que el ordenador sea “personal” es ya errónea. Las mismas ensoñaciones sobre ordenadores portátiles, agendas y otros accesorios habituales constituyen una etapa transitoria hacia la consecución del verdadero potencial de las técnicas informáticas. Ninguna de estas máquinas puede convertir la computación en parte integral e imperceptible de nuestras vidas. Lo que nosotros estamos intentando, pues, es concebir un nuevo modo de pensar sobre los ordenadores, que tenga en cuenta el mundo humano y permita que las máquinas se difuminen en su trasfondo.
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s la psicología humana, y no la tecnología, la que requiere tal desaparición. Cuando aprendemos algo hasta dominarlo, dejamos de prestarle atención; al mirar una señal de tráfico, absorbemos su información sin darnos cuenta de que estamos leyendo. Herbert A. Simon, economista, experto en ordenadores y premio Nobel, llama a este fenómeno “compilación”; el filósofo Michael Polanyi, “dimensión tácita”; los también filósofos Hans Georg Gadamer y Martin Heidegger, “horizonte” y “lo a la mano”, respectivamente; el psicólogo J. J. Gibson, “invariantes visuales”, y John Seely Brown, colega mío en el Centro de Investigación de Xerox en Palo Alto (PARC), “periferia”. Lo que todos ellos quieren decir en el fondo es que sólo cuando las cosas sufren este tipo de desaparición podemos usarlas sin pensar en ellas y concentrarnos en otras metas. Pensar en integrar los ordenadores de forma imperceptible con el mundo
exterior es algo que va contra ciertas corrientes actuales. En tal contexto, para que el ordenador sea “ubicuo” no basta con que se le pueda llevar a la playa, a la selva o a un aeropuerto. El ordenador de bolsillo más potente, que tuviese acceso a un sistema de información universal, seguiría centrando nuestra atención sobre una caja indi vidual. Si continuamos con la analogía de la escritura, llevar un superordenador portátil es como no tener más que un libro muy importante. Ni el hecho de poder configurarlo a nuestro gusto, ni siquiera el de que refleje millones de otros libros, dan una idea adecuada de las verdaderas posibilidades de la alfabetización. En la misma línea de razonamiento, que los ordenadores ubicuos puedan incorporar sonido e imagen a los gráficos y textos, no los equipara con “ordenadores multimedia”, ya que éstos, en su forma actual, siguen haciendo de la pantalla un centro de atención tiránico, en vez de permitir su integración con el entorno. Puede que lo más diametralmente opuesto a nuestras ideas sea el concepto de realidad virtual, que pretende crear un mundo dentro del ordenador. El usuario se coloca unas gafas especiales que proyectan una escena artificial sobre sus ojos; quizá también guantes e incluso ciertas prendas que captan sus movimientos y gestos de modo que pueda moverse dentro de ese mundo y manipular sus objetos virtuales. Aunque su propósito sea el de abrirnos la exploración de reinos inaccesibles —el interior de las células, la superficie de planetas lejanos, la trama de información de las bases de datos—, la realidad virtual es sólo un mapa, no es el territorio. No incluye las mesas, las oficinas, la otra gente que no lleve los anteojos o la vestimenta apropiada, el tiempo, los árboles, los paseos, las posibilidades de encuentro ni, en general, la infinita riqueza del universo. La realidad vir-
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1. LA COMPUTACION UBICUA empieza a aparecer en forma de pizarras activas, que reemplazan a las tradicionales, y otros dispositivos. En el Centro de Investigación de Xerox en Palo Alto, los técnicos se reúnen a trabajar en torno a una de
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ellas. El esfuerzo de construir e integrar todas estas herramientas les permite aclarar su idea de la computación ubicua. Estas pizarras pueden amoldar al usuario la información que presentan.
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2. REDES CABLEADAS E INALAMBRICAS enlazan los ordenadores y permiten compartir programas. El conjunto aquí representado incluye terminales corrientes, servidores de ficheros, máquinas de bolsillo (llamadas marcas) y otras de ta-
tual utiliza un enorme aparato para simular el mundo, pero no potencia, de la forma más discreta posible, el mundo ya existente. Es más, la contraposición entre las nociones de realidad virtual y de computación ubicua e invisible es tan grande que algunos de nosotros usamos el término “virtualidad incorporada” para referirnos al proceso de sacar a los ordenadores de sus carcasas electrónicas. La “virtualidad” de los datos informáticos —las mil diferentes formas en que pueden alterarse, procesarse y analizarse— se lleva al mundo físico. ¿Cómo se difuminan las técnicas en el entorno? El caso de los motores eléctricos puede servirnos de ejemplo instructivo. A comienzos de siglo, un taller o fábrica típicos poseían un solo motor que impulsaba docenas o quizá cientos de máquinas distintas a través de un sistema de ejes y poleas. La aparición de motores eléctricos pequeños, baratos y eficaces, hizo posible, en un primer paso, que cada herramienta tuviese su propia fuente de fuerza motriz y, más tarde, que una sola máquina contase con muchos motores. Un vistazo al manual de uso y mantenimiento de, por ejemplo, un automó vil hace aparecer unos 22 motores y 25 relés, con los que se arranca el motor,
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maño folio, denominadas tableta s. Las redes del futuro habrán de trabajar con cientos de estos dispositivos alojados en una misma sala, así como con otros que podrán cambiar de ubicación.
se limpian los parabrisas, se abren y Los ordenadores ubicuos serán de cierran puertas, etc. Si el conductor distintos tamaños, según la tarea prestase especial atención, podría darse específica a que se destinen. Nosotros cuenta del momento en que activa cada hemos construido los que llamamos uno de estos motores, aunque no obten- “marcas”, “tabletas” y “pizarras” ( tabs, dría gran ventaja de ello. pads y boards, respectivamente). Las marcas son máquinas de unos cuantos a mayoría de los ordenadores que centímetros, que podrían equipararse participen en lo que hemos lla- a etiquetas adhesivas activas; las mado “virtualidad incorporada” serán tabletas, de algunos decímetros, tiereal, y no sólo metafóricamente, invi- nen una función parecida a una hoja sibles. Esto ya sucede con los procesa- de papel (a un libro o una revista); y, dores incorporados en los mandos de por último, las pizarras tienen el luminosidad, termostatos, equipos de tamaño y funciones usuales de un música y hornos, que pueblan y auto- encerado o tablón de anuncios. matizan el mundo doméstico. Estas ¿Cuántas superficies comparables máquinas, junto con otras, estarán se encuentran en una habitación norinterconectadas en un sistema ubicuo. mal? Para saberlo, mire a su alredeMis colegas y yo nos hemos centrado dor; en el primer grupo deberá incluir en aquellos dispositivos que transmi- los avisos de las paredes, los títulos del ten y presentan la información de lomo de los libros, los rótulos de manforma más directa. Y hemos visto que dos, termostatos y relojes, sin olvidar hay dos cuestiones básicas: la ubica- las anticuadas notas en trocitos de ción y el tamaño. Pocas cosas resultan papel. Depende de la habitación, pero tan fundamentales a la percepción puede que encuentre más de 100 marhumana como la disposición física, por cas, de 10 a 20 tabletas y una o dos lo que los ordenadores ubicuos debe- pizarras. Esto nos proporciona una rán saber dónde están (mientras que idea del despliegue de máquinas necelos actuales no tienen ni idea de dónde sario para nuestros propósitos de virse encuentran ni de lo que les rodea). tualidad incorporada: cientos de ordeBasta con que un ordenador sepa en nadores por habitación. qué habitación se halla para que pue da Puede que sintamos cierto desasoadaptar su comportamiento, sin que siego inicial al oír hablar de ciento s de esto requiera ni una pizca de inteligen- ordenadores en una estancia, parecido cia artificial. al que produjeron en su día los cientos
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de voltios en los cables e léctricos de las cosa para la que basta con recoger las un lado a otro con sus propietarios, una paredes. Pero, como en este último marcas que lo forman; los programas tableta que deba llevarse consigo es un caso, los ordenadores acabarán por y ficheros asociados pueden recla- fracaso. Las tabletas se han concebido resultar imperceptibles. La gente se marse desde cualquier terminal. como ordenadores mostrencos, equipalimitará a utilizarlos de manera rables al papel en blanco disponible e n inconsciente para realizar las tareas l tamaño siguiente es la tableta, las mesas de reunión; carecen de idencotidianas. algo así como un híbrido entre un tidad y relevancia y se las encuentra y Las marcas son los componentes folio y los actuales ordenadores que usa allí donde se necesite. mínimos de la virtualidad incorporada. caben en el regazo o en la palma de la También pueden concebirse las Su interconexión aumentará la utilidad mano. Robert Krivacic, de PARC, ha tabletas como una especie de antídoto de los ordenadores actuales de su construido un prototipo de tableta que contra las “ventanas”. Las ventanas se misma escala, las calculadoras y agen- utiliza dos microprocesadores, una inventaron en PARC, y Apple las popudas de bolsillo, al tiempo que ejecutarán pantalla como las de las estaciones de larizó con el Macintosh; su propósito funciones que ningún ordenador rea- trabajo habituales, una pluma multibo- era permitir la convivencia simultáliza hoy en día. Por ejemplo, en PARC tón y una red de comunicación por radio nea de varias actividades diferentes en y en laboratorios de investigación de que tiene canales suficientes para que el pequeño espacio que ofrece la panotros lugares del mundo ha empezado puedan funcionar cientos de dispositi- talla de un ordenador. En los últimos a trabajarse con insignias activas, vos por persona y habitación. veinte años, las pantallas no han crepequeños ordenadores pinzables del Las tabletas difieren de los ordena- cido de modo apreciable. Se dice que tamaño de las fichas de identificación dores portátiles al uso en un aspecto los sistemas de ventanas son un trade un empleado, desarrollados inicial- crucial. Mientras estos últimos van de sunto de los escritorios; pero, ¿quién mente en el laboratorio de investigación de Olivetti en Cambridge. Estas tarjetas se dan a conocer a los receptores distribuidos por un edificio, lo que permite seguir la pista de las personas La insignia activa u objetos que los portan. En nuestra instalación experimenste precursor de los ordenatal, las puertas se abren solamente dores mínimos contiene un ante las personas adecuadas, las habimicroprocesador y un emisor de taciones les dan la bienvenida por su infrarrojos. La insignia actúa ranombre, las llamadas telefónicas se diando la identidad de su portareciben automáticamente allí donde se dor, de modo que puede abrir encuentre su destinatario, los receppuertas automáticamente, trascionistas saben dónde está cada cual, pasar llamadas telefónicas o amoldar la información presentalos terminales de ordenador se amolda en una pantalla a la persona dan a las preferencias del usuario y las que la consulta. Pertenece al gruagendas se actualizan solas. El caso de po de pequeños ordenadores llala agenda automática revela las divermados marcas. sas ventajas que puede proporcionar algo tan simple como saber dónde se encuentra cada uno: una reunión, por ejemplo, consiste en que varias personas pasan cierto tiempo en una misma habitación, mientras que su temática tendrá que ver muy probablemente con los ficheros que se ha hecho aparecer en la pantalla allí existente. No se requiere ninguna revolución en inteligencia artificial; basta con ordenadores imbricados en la vida cotidiana. Mi colega Roy Want ha diseñado una marca que incorpora una pequeña pantalla, gracias a la que puede servir a la vez como insignia activa, calendario y agenda. También puede funcionar como extensión de las pantallas de ordenadores: en lugar de concentrar la ventana de un programa en un pequeño icono de pantalla, el usuario podrá traspasarla a la presentación de una marca, quedando así más libre la pantalla principal y pudiendo disponerse los trabajos informáticos alrededor de los terminales al modo en que ahora se distribuyen los documentos de papel sobre los escritorios. Llevar un asunto a otro despacho para comentarlo es
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usaría nunca una mesa de 25 cm de largo por 18 de fondo? Por el contrario, las tabletas utilizan un escritorio real. Extienda usted muchas tabletas electrónicas sobre su mesa de trabajo, igual que lo hace con sus papeles. Tenga a la vista varias tareas y utilice las tabletas como recordatorio. Y no se limite a la mesa; colóquelas en cajones, estanterías, mesas auxiliares. Disponga frente a sí las diversas partes de los asuntos de la jornada de la forma más adecuada a cada uno y a su comodidad, sin verse constreñido por un vidrio fosforescente. Puede que algún día las tabletas se vuelvan tan delgadas y ligeras como las actuales hojas de papel, pero entretanto pueden desempeñar las funciones de los folios mucho mejor que las pantallas de los ordenadores. Las presentaciones mayores todavía, nuestras pizarras, sirven para multitud de propósitos: en el hogar, como monitores de vídeo y tablones de anuncios; en la oficina, como tablones de anuncios, encerados o expositores. También podrían usarse como estantería electrónica a la que acudir para cargar textos en una tableta o en una
marca. A pesar de todo, la posibilidad de coger un libro y colocarlo cómodamente en nuestro regazo sigue siendo uno de los principales atractivos del papel. Objeciones similares pueden plantearse a la utilización de una pizarra como mesa de trabajo. Tendremos que acostumbrarnos a ver tabletas y marcas depositadas sobre la mesa como accesorios de la pantalla de ordenador antes de que pueda pretenderse extender más la virtualidad incorporada.
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n varios laboratorios de investigación de la empresa Xerox se utilizan prototipos de pizarras, construidos por Richard Bruce y Scott Elrod de PARC. Miden aproximadamente 100 por 150 cm y presentan 1024 por 768 píxeles en blanco y negro. Para manejarlas se utilizan trozos de “tiza” electrónica inalámbrica, que funcionan unas veces por contacto con la superficie de la pizarra y otras a cierta distancia. Varios investigadores se han prestado a hacer de conejillos de Indias y celebran reuniones electrónicamente asistidas con sus colegas o ensayan otras formas de colaboración en torno a una pizarra activa. Hay
3. USO DE LAS TABLETAS para ampliar la pantalla normal de un ordenador. Estos prototipos están conectados al ordenador
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quienes prueban con ellas mejoras de los dispositivos físicos de presentación, nuevas tizas electrónicas o programas interactivos. Existen razones, evidentes algunas y otras más sutiles, para que la programación que gobierna una gran pantalla colectiva y su tiza electrónica se distinga de la empleada en una estación de trabajo. La alternancia entre el uso de la tiza y el teclado puede requerir varios pasos, lo que la aleja cualitativamente de la habitual coexistencia entre teclado y ratón. También hay que tener en cuenta la altura del usuario: porque no todo el mundo llegará a la parte superior de la pizarra, las barras de opciones deberán aparecer en la inferior. Hemos construido los suficientes de estos ingenios como para permitir su uso despreocupado: se han colocado en salas de reuniones y zonas comunes y no se requieren autorizaciones o avisos previos para utilizarlos. Su construcción y manejo hace que los investigadores empiecen a vivir y a comprender un mundo en el que la interacción informal con los ordenadores realza cualquier espacio. Las pizarras activas
mediante cables, ya que hasta ahora tan sólo se han construido unos cuantos modelos inalámbricos.
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no sólo pueden compartirse dentro de avanzados. La velocidad de las unidauna misma habitación, sino también des de proceso alcanzó el millón de desde varias al tiempo. Experimentos instrucciones por segundo en 1986 y dirigidos por Paul Dourish, de Euro sigue duplicándose anualmente. PARC, y Sara Bly y Frank Halasz, de Algunos especialistas piensan que el PARC, han permitido a grupos situacrecimiento exponencial de la velocidos en lugares muy alejados reunirse dad bruta de estos circuitos puede lleen torno a pizarras que presentaban gar a detenerse algún día no lejano, todas la misma imagen y elaborar plaaunque otras características de funcionos y dibujos conjuntamente. Se ha namiento, como el consumo y las funllegado a compartir pizarras a ambos ciones auxiliares, no cesarán de mejolados del Atlántico. rar. Cabe, pues, que la pantalla plana Las pizarras sirven de tablón de de 100 gramos sea gobernada por un anuncios. Ante la avalancha de informicroprocesador capaz de ejecutar mil mación escrita que nos rodea, Marvin millones de operaciones por segundo, Theimer y David Nichols, de PARC, que disponga de 16 megabytes de han diseñado y construido un sistema memoria incorporada y de interfaces prototipo que adapta su información para sonido, vídeo y red. El consumo pública a la persona que la está medio del procesador sólo sería una leyendo. Para conseguirlo, lo único que pequeña fracción de la potencia requetiene que hacer el usuario es llevar rida por la pantalla. puesta su correspondiente insignia Dispositivos adicionales de almaceactiva y mirar. namiento aumentarán la capacidad de Los prototipos de marcas, tabletas y la memoria principal. De acuerdo con pizarras son sólo el comienzo de lo que 4. UN TRANSCEPTOR DE RADIO sirve el estado actual de la técnica, las prede enlace entre las tabletas y demás será la computación ubicua. Las ver- dispositivos móviles y la red cableada. dicciones más conservadoras permiten daderas posibilidades de la idea no Esta unidad, pensada para su instala- suponer que discos duros extraíbles (o residen en ninguno de estos dispositi- ción en el techo, tiene antenas en sus pastillas de memoria no volátil), del vos, sino más bien en su interacción. brazos cruzados; dos diodos emisores de tamaño de una caja de cerillas, puedan Los cientos de procesadores y visuali- luz indican su estado. almacenar hasta 60 megabytes. Serán zadores no son una interfaz con el normales discos mayores, dispuestos todo. Las tendencias que se perciben usuario comparable a ratones y ventapara contener varios gigabytes, e nas, sino un ámbito cómodo y eficaz hoy en día hacen pensar que el primer incluso dispositivos en los que quepan requisito será fácil de lograr. Los terabytes —más o menos toda la infordonde hacer las cosas. Más novedosa y útil será la capacidad visualizadores planos con una resolu- mación de la biblioteca del Congreso de las marcas para animar objetos hasta ción de 640 × 480 puntos ya resultan estadounidense— no constituirán ninahora inertes, ya que podrían ayudar a habituales; es el tamaño estándar de guna rareza. Tampoco se requerirá localizar, mediante pitidos, papeles, los ordenadores personales y también que tan enormes almacenes contengan libros o cualquier otro objeto descaba- puede aceptarse para pantallas de sólo información útil. Por el contrario, lado. Los archivadores se abrirían solos televisión. La creciente popularidad de la abundancia de espacio permitirá y mostrarían la carpeta deseada sin los ordenadores portátiles y de bolsillo enfoques muy diferentes de los actuanecesidad de búsqueda. Su utilización abaratará los precios de los visualiza- les sobre su gestión; así por ejemplo, en los catálogos de las bibliotecas podría dores, a la vez que aumentarán su una capacidad de un terabyte hará crear mapas activos que guiasen al calidad y resolución. Hacia finales de prácticamente innecesario borrar los usuario hasta el libro solicitado, aunque siglo se dispondrá de pantallas de gran ficheros antiguos. no se halle en su correspondiente estante contraste, reso lución de 1000 × 800 porque el último lector descuidado lo puntos, grosor inferior al centímetro y rocesadores y visualizadores debepeso de unos 100 gramos. Una pequeña rían ofrecernos un uso ubicuo de olvidó sobre una mesa. batería será suficiente para conseguir los recursos informáticos dentro de n conferencias e informes públicos varios días de uso ininterrumpido. pocos años, pero la previsible evoluLos visualizadores mayores son ción de los programas y de la tecnono habrá que conjeturar el tamaño que deba tener el texto de las transpa- harina de otro costal. Para que la pan- logía de redes resulta más problemárencias proyectadas, el volumen de la talla de un ordenador interactivo tica. Todo lo que han conseguido las voz ampli fic ada o el nivel de luz pueda desempeñar las funciones de actuales realizaciones de computación ambiental, ya que serán los deseos de una pizarra debe poderse contemplar distribuida ha sido hacer que servidolos asistentes quienes los determinen. de cerca y de lejos. La visión cercana res de ficheros, impresoras y otros dis Algunas salas de reunione s electróni- requiere que la densidad de los ele- positivos parezcan estar conectados cas de grandes compañías disponen ya mentos de la imagen no sea inferior a directamente al ordenador de cada de programas para el recuento instan- la de una pantalla corriente de orde- usuario, sin que esta perspectiva haga táneo de votos y la comprobación de nador, que tiene unos 30 por centíme- nada por aprovechar las oportunidamayorías; las marcas pueden contri- tro. Conservar esta relación en un área des que ofrecen los ordenadores disede más de un metro cuadrado supone minados por el espacio, ni la informabuir a difundirlo. La técnica requerida para la ubicui- la presentación de decenas de millones ción resultante de saber dónde está un dad de los recursos informáticos consta de píxeles. La mayor pantalla fabri- elemento. de tres partes básicas: ordenadores cada hasta la fecha no va más allá de Han de producirse modificaciones baratos y de bajo consumo con visua- un cuarto de tal magnitud. drásticas de los sistemas operativos de Alimentar a esto s visu aliz ador es los ordenadores y de los programas de lizadores parejos; programas de ejecución ubicua y una red que lo unifique grandes exigirá microprocesadores presentación organizados por medio
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5. COMPONENTES CLAVE de la computación ubicua son las tabletas y marcas qu e se están desarrollando en PARC. La tableta es del tamaño de un folio; las fot ografías superiores ofrecen su aspecto exterior e interior. Tiene dos microprocesadores, una memoria de acceso aleatorio de cuatro millones de bytes, un enlace de radio rápido, una interfaz de gran resolución para lápiz electrónico y una pantalla monocroma de 1024 por 768 píxeles. Utiliza una programación de ventanas estándar, por lo que puede comunicarse con la mayoría de estaciones de trabajo. La marca (a la izquierda) es mucho más pequeña, 7 por 8 cm, y tiene tres botones de control, un lápiz electrónico, un emisor de sonido y un enlace de infrarrojos para comunicarse a través de una sala. El autor opina que las habitaciones y oficinas del futuro contendrán cientos de estos pequeños ordenadores.
de acuerdo con las cambiantes necesidades de la computación ubicua.
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de ventanas. El diseño de los sistemas os actuales sistemas de presentaoperativos corrientes, digamos DOS y ción basados en ventanas tamUnix, suele dar por supuesto que la poco se adaptan a ellas, ya que suelen configuración física y lógica del orde- dar por sentado que toda la informanador no sufrirá cambios importantes ción correspondiente a una aplicación mientras esté funcionando; aunque concreta aparecerá en la pantalla de esto sea razonable en el caso de los un solo ordenador. Por ejemplo, los ordenadores personales y de las gran- sistemas X Windows y Windows atiendes unidades centrales al uso, carece den a varias pantallas, pero no funciode sentido en el marco de la computa- nan bien con aplicaciones que arranción ubicua. Marcas, tabletas y hasta quen en una para pasar luego a otra, pizarras pueden entrar y salir de cual- por no hablar de las que quie ran camquier habitación en cualquier momento biar de ordenador o de habitación. y será imposible desconectar todos los Las soluciones a este problema computadores de una estancia para están en mantillas. Ningún sistema instalar un nuevo programa en uno de actual funcionaría bien si hubiera de ellos, entre otras cosas porque puede trabajar con toda la variedad de que sea imposible localizarlos a estructuras de entrada y salida que todos. exige la virtualidad incorporada. Una posible solución serían los sis- Hacer que tabletas, marcas y pizarras temas operativos de “micronúcleo”, cooperen armoniosamente requerirá como los desarrollados por Rick cambios en los tipos de protocolos usaRashid, de la Universidad Carnegie dos por los programas de aplicación y Mellon, o A. S. Tanenbaum, de la por las presentaciones en pantalla Universidad Vrije de Amsterdam. para comunicarse. Estos sistemas experimentales preExigencias adicionales se le plansentan un mínimo andamiaje de pro- tean a la red que ha de conectar gramación fija; los módulos adiciona- máquinas y programas ubicuos. Las les que realizan funciones específicas velo cidades de transmisión de las se añaden o eliminan con facilidad. Si redes, tanto cableadas como inalámlos futuros sistemas operativos siguie- bricas, crecen rápidamente. Ya puede sen este principio, su tamaño aumen- accederse a redes cableadas que muetaría o se reduciría automáticamente ven gigabits por segundo; son caras,
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pero se irán abaratando con el tiempo. Estas redes veloces raramente dedicarán todo su ancho de banda a un solo haz de datos; facilitarán, por contra, un gran número de transmisiones simultáneas a menor velocidad. Pequeños sistemas inalámbricos, basados en los principios de la telefonía digital celular, ofrecen ahora velocidades de transmisión entre 2 y 10 megabit por segundo y un alcance de algunos cientos de metros. En el futuro el mercado ofrecerá redes inalámbricas de pequeña potencia capaces de transmitir 250.000 bits por segundo a cada estación. Pero el problema de vincular de modo flexible y sencillo los sistemas con y sin cables sigue sin encontrar solución. Aunque se han desarrollado algunos métodos ad hoc, los ingenieros habrán de elaborar nuevos protocolos de comunicaciones que admitan explícitamente el concepto de máquinas que se mueven en el espacio físico. Es más, el número de canales previstos en la mayoría de los esquemas de redes inalámbricas es todavía muy reducido, mientras que el alcance excesivo (de 50 a 100 metros) restringe mucho el número total de dispositivos móviles permisibles. En suma, tales sistemas no tienen ninguna posibilidad de asimilar cientos de máquinas en cada habitación. Hay redes para cubrir una sala que utilizan radiación
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infrarroja o las más recientes técnicas electromagnéticas; ofrecen suficientes canales para la computación ubicua, pero de momento sólo funcionan de puertas adentro. La tecnología actual requeriría que cualquier dispositivo móvil incorporase conexiones a tres redes diferentes: una inalámbrica de corto alcance; otra, también inalámbrica, de largo alcance; y una tercera, con cable, de gran velocidad. Todavía está por in ventarse un modo de conexión que atienda, él solo, las tres funciones.
grafo envía un mensaje al periódico, quien deriva la información a la oficina de Sole. Le llega un envío electrónico de la compañía que fabricó el mecanismo de apertura de la puerta del garaje. Había perdido el manual y les pidió ayuda. Le envían uno nuevo junto con algo inesperado: la forma de encontrar el anterior. Según la nota, si introduce cierto código en el mando automático, el manual se encontrará a sí mismo. En efecto, una vez dentro del garaje, un pitido la conduce hasta el punto en que el viejo manual manchado de i la explicación de los principios aceite cayó detrás de unas cajas. Desde de la computación ubicua ni la luego, allí está también la pequeña enumeración de las técnicas que marca que el fabricante adosó a la implica pueden darnos una idea de lo cubierta en un intento de evitarse que sería vivir en un mundo lleno de reclamaciones como la suya. artilugios invisibles. Si tratásemos de De camino al trabajo, echa una extrapolar a partir de los rudimenta- ojeada al previsor para saber cómo rios fragmentos de virtualidad incor- está el tráfico. Se percata de que le porada de que hoy disponemos, sería espera un embotellamiento y también algo así como intentar predecir la del rótulo de una nueva cafetería en publicación de Cinco horas con Mario una calle lateral. Decide tomar la justo después de haber garabateado la próxima salida y saborear una taza de primera tableta de arcilla. Hagámoslo, café al tiempo que evita la retención. sin embargo; puede que el esfuerzo Llegada a su destino, el propio premerezca la pena: viso r le ayuda a enco ntra r rápidamente un sitio donde estacionar. A Sole abre los ojos y puede oler el medida que avanza por el edificio, las aroma del café. Hace pocos minutos máquinas de su oficina se van prepaque su despertador, alertado por sus rando para su llegada, pero no compleintranquilos movimientos previos a la tan la secuencia de operaciones hasta vigilia, le había pregunta do en voz que pisa el despacho. Por el camino, se baja: “¿café?”, y ella había murmurado para junto a las oficinas de cuatro o “sí”. “Sí” y “no” son las palabras que el cinco colegas para intercambiar saludespertador reconoce. dos y noticias. Sole echa una mirada a las ventanas Sole mira sus ventanas. Las predicque tiene cerca. A través de una de ciones meteorológicas son de un día ellas ve la luz del sol y una valla; otras gris, con el 75 por ciento de humedad le muestran los rastros electrónicos y un 45 por ciento de probabilidad de dejados por el ir y venir de sus vecinos chaparrones esta tarde. La oficina esta mañana. Las normas relativas a principal, situada en el otro extremo la intimidad personal, así como razo- del continente, ha tenido una mañana nes prácticas de coste, excluyen una tranquila; lo habitual es que, a estas representación completa en vídeo, horas, el indicador de actividades pero los marcadores de tiempo y las señale al menos una reunión urgente trazas electrónicas sobre el mapa del e imprevista. vecindario hacen que Sole se sienta Toma en sus manos una marca y la cómoda en su calle. apunta hacia su amigo Juan, del grupo Un vistazo a las ventanas de las de diseño. Participan en un trabajo habitaciones de los niños le permite conjunto y han estado compartiendo saber que hace entre 15 y 20 minutos una oficina virtual durante algunas que se han levantado y que están ya semanas. La colaboración puede adopen la cocina. Al darse cuenta de que tar diferentes formas, pero, en este ella también está despierta, empiezan caso, la realizan mediante el acceso a hacer más ruido. indistinto a los respectivos detectores Durante el desayuno Sole lee los de localización y al contenido de sus periódicos. Como la mayoría de la pantallas. Ella prefiere tener a la vista gente, los prefiere en su versión de una versión en miniatura de todas las papel. Encuentra un párrafo intere- marcas y tabletas de Juan gracias a sante en la sección de negocios. Saca una pequeña colección tridimensional el bolígrafo y lo pasa por el nombre del de marcas dispuesta en el rincón de su periódico, la fecha, la sección y el mesa. Los detalles son indiscernibles, número de página; y acaba rodeando pero se siente más implicada en su la información con un círculo. El bolí- actividad al notar que los visualizado-
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res cambian; si le interesa, en cualquier momento puede ampliar lo que desee. Una marca libre emite un pitido y muestra la palabra “Juan”. Sole la coge y apunta con ella hacia la pizarra. Juan quiere comentar con ella un documento, que aparece en la pizarra mientras suena la voz de Juan: —He estado luchando con el tercer párrafo toda la mañana, pero sigue sin gustarme. ¿Te importaría leerlo? Reclinada en su silla, Sole lee el párrafo en cuestión y quiere destacar una palabra. Utiliza de nuevo la marca “Juan” para activar una tableta accesible y traza una curva alrededor de la palabra con su lápiz, mientras dice: —Creo que es este término: ubicuo. No es muy corriente y hace que todo suene demasiado serio. ¿No podríamos cambiar la frase? —Lo intentaré. Por cierto, Sole, ¿has tenido noticias de María Rey? —No. ¿Quién es? —Haz memoria. Estuvo en la reunión de la semana pasada. Me dijo que intentaría ponerse en contacto contigo. Sole no consigue acordarse de María, pero tiene un vago recuerdo de la reunión. Inicia una búsqueda entre las reuniones que tuvieron lugar en las dos últimas semanas con más de seis personas que ella no conociera de alguna reunión anterior, y encuentra la adecuada. Aparecen los nombres de los asistentes y, entre ellos, el de María. Como suele hacerse en las reuniones, María proporcionó a los restantes asistentes un pequeño esbozo biográfico de sí misma, que le ofrece a Sole una base para enviarle una nota y ver de qué se trata. Es de agradecer que esta información continúe disponible, no como la de otros compañeros que sólo puede consultarse durante la propia reunión... Esta escenificación apunta algunas de las formas en que los ordenadores podrían incorporarse a la vida cotidiana de modo imperceptible, pero también deja entrever algunas cuestiones litigiosas generadas por la virtualidad incorporada. Quizá la fundamental sea la de la intimidad: cientos de ordenadores en cada habitación, capaces de reconocer la presencia de seres humanos en sus proximidades y conectados unos a otros por sistemas de gran velocidad, pueden hacernos pensar que lo que hoy consideramos totalitarismo no es sino un juego de niños. Del mismo modo que puede programarse una estación de trabajo de una red local para que intercepte men-
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COLABORADORES DE ESTE NUMERO Traducción:
Eduard Farré: El astrolabio; José Romo: Galileo y el primer instrumento mecánico de cálculo; Luis Bou: La computadora mecánica de Charles Babbage, El computador del Dr. Atanasoff, Representación visual de biomoléculas, Microprocesadores del año 2020, Ordenadores de base proteínica y Computación mecánicocuántica; Amando García: Pantallas planas, La retina de silicio y Semiconductores de arseniuro de galio; Sonia Porta: El ordenador del siglo XXI ; M. Puigcerver: Reventando el polvo, Cuestión de peso, Silicio encantado, Pastillas de silicio-germanio y Ordenador óptico . Página
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Fuente
George V. Kelvin Real Academia de la Historia de Madrid (arriba), Museo Naval de Madrid ( abajo) George V. Kelvin Ben Rose Ilil Arbel Ben Rose Ilil Arbel Doron D. Swade (David Exton/Science Museum Photostudio) Johnny Johnson Doron D. Swade (David Exton/Science Museum Photostudio) Tom Molesworth Allan R. Mackintosh George Retseck John S. Foster, Jane Frommer y Jacquelin K. Spong, IBM Thomas J. Watson Research Center (izquierda), Michael Goodman (derecha) Photonics (arriba, izda.), Planar Systems (arriba, dcha.), Michael Goodman ( abajo) Michael Goodman Laurie Grace Arthur J. Olson y David S. Goodsell Richard E. Dickerson ( izquierda), Teresa Larsen (centro ), Arthur J. Olson y David S. Goodsell ( derecha) Arthur J. Olson Arthur J. Olson ( arriba, izda.), Elizabeth D. Getzoff y John A. Tainer, Scripps Clinic (arriba, centro), Michael Pique, Scripps Clinic y David S. Goodsell ( arriba derecha), Arthur J. Olson y David S. Goodsell ( abajo, izda. y centro ), Arthur J. Olson y I. Siara Mian, Scripps Clinic ( abajo, derecha) Jessie Simmons Andrew Christie Jessie Simmons Andrew Christie, Jessie Simmons ( inserción fotográfica) Jessie Simmons Randall M. Feenstra y Joseph A. Stroscio, IBM George V. Kelvin IBM George V. Kelvin Edward Bell Cortesía de IBM Corporation Ian Worpole IBM (izquierda), Johnny Johnson (derecha ) Ian Worpole Scot Hill Jared Schneidman Design Lisa Burnett Lisa Braiman Scot Hill Matthew Mulbry Ian Worpole Ian Worpole, Matthew Mulbry ( foto recuadro ) Matthew Mulbry Charles O’rear Henryk Temkin AT&T Bell Laboratories Barrie Rokeach ( fotografía); Rick Gross y Deshan Govender (inserto); Tomo Narashima (dibujo) Tomo Narashima ( arriba); Michael Goodman (abajo) Michael Goodman Boris Starosta Michael Goodman Geoffrey Wheeler ( izquierda); Inst. Nacional de Pesos y Medidas ( derecha)
sajes destinados a otros, bastaría con Cuando casi todos los objetos conque hubiera una sola marca alcahueta tengan un ordenador o se les pueda en una sala para registrar todo lo que adherir una marca, obtener informaen ella ocurriera. ción será muy sencillo. “¿Quién ha Incluso las actuales insignias y hecho este vestido? ¿Hay en la tienda? agendas activas, tan convenientes ¿De qué diseñador era el traje aquél para su dueño, pueden convertirse en que me gustó la semana pasada?” Un armas peligrosas en manos inadecua- entorno de ordenadores puede saber das. Aparte de los jefes o sub ordinados cuál es el traje que uno estuvo mirando de la empresa, otros entes mercantiles tanto rato la semana pasada, ya que o funcionarios públicos que se excedan dispone de las ubicaciones de ambos, en sus atribuciones podrían hacer uso y puede encontrar el nombre del diseinapropiado de la misma información ñador aunque entonces no se solicitase que hace útiles los ordenadores invisi- tal información. bles. Desde el punto de vista sociológico, Por fortuna, ya existen métodos el ordenador ubicuo podría significar criptográficos que permiten asegurar el declive del adicto a los ordenadores, los mensajes que se envían de un orde- del mismo modo que, tras el furor susnador ubicuo a otro y proteger la infor- citado por los receptores de galena en mación privada contenida en las redes. los decenios segundo y tercero de este Si se cuenta con ellas desde el comienzo siglo entre quienes querían participar del diseño, estas técnicas garantizan en la nueva alta tecnología de la radio, que los datos privados no se harán la disponibilidad general de aparatos públicos. Una versión bien realizada de calidad acabó con el arte de pinchar de la computación ubicua podría pro- galenas. Por otro lado, puede que la porcionar una protección a la intimi- virtualidad incorporada lleve el ordedad aún mejor que la actual. nador hasta los presidentes de empreLa virtualidad incorporada, al rele- sas y países, quizá por vez primera. El gar los ordenadores al trasfondo, hará acceso a los ordenadores se extenderá resaltar la individualidad de quienes a todos los grupos sociales. se encuentran en los extremos del Tal vez lo más importante sea que entramado informático, lo que podría la computación ubicua ayudaría a contrarrestar las malsanas fuerzas superar el problema de la sobrecarga centrípetas inducidas por los ordena- de información. Un paseo por el bosdores personales en la vida y el trabajo que nos ofrece más información que cotidianos. cualquier sistema informático, a pesar de lo cual la caminata nos parece relaa en la actualidad, la gente se mete jante y los ordenadores frustrantes. en una oficina sin ventanas, pone Las máquinas que consigan ajustarse en marcha su ordenador y puede que al entorno humano en lugar de obligar no vea a los compañeros de trabajo en a las personas a entrar en e l mundo de todo el día. La realidad virtual hace la computación harán que su uso que el mundo exterior y todos sus habi- resulte tan agradable como un paseo tantes dejen de existir. Los computa- entre los pinos. dores ubicuos, por el contrario, residen en el mundo humano y no imponen barreras a las relaciones humanas. Es BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA más, la sencillez de las conexiones que THE TACIT DIMENSION . Michael Polanyi. ofrecen entre distintos lugares y Doubleday & Company, 1966. momentos puede ayudar a aproximar TOWARD PORTABLE IDEAS . Mark Stefik y las comunidades humanas. John Seely Brown en Technological Su Nosotros creemos que lo que desig ppor t for Work Group Coll abo ratio n. namos como computación ubicua se irá Dirigido por Margrethe H. Olson. convirtiendo en la forma predomiLawrence Erlbaum Associates, 1989. nante de acceso al ordenador en los RECENT DEVELOPMENTS IN OPERATING SYSTEMS. Volumen monográfico de Compupróximos veinte años. No se trata de ter ( IEEE Computer Society) vol. 23, n.o nada radicalmente nuevo, como no lo 5; mayo de 1990. eran los ordenadores personales, pero ACTIVITY-BASED INFORMATION RETRIEVAL: modificará nuestras ideas sobre lo que TECHNOLOGY IN SUPPORT OF HUMAN MEes posible, ya que todo resultará más MORY. Mik Lamming y William Newman. rápido y más fácil al exigir menos tenDisponible como Rank Xerox Eurosión y contorsiones mentales. La llaPARC Technical Report 91-03; febrero de 1991. mada edición electrónica, por ejemplo, LCDS AND BEYOND . Nick Baran en Byte no difiere mucho de la composición vol. 16, n.o 2, págs. 229-236; 1991. ayudada por ordenador, que se A TALK WITH I NTEL. Kenneth M. Sheldon remonta a mediados de los años en Byte, vol. 16, n.o 4, págs. 131-140; abril sesenta; es la distinta facilidad de uso de 1991. lo que las singulariza tanto.
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Microprocesadores del año 2020 David A. Patterson Dentro de un cuarto de siglo, la potencia de cualquier ordenador igualará a la de todos los existentes hoy en el Valle del Silicio
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diferencia de otras muchas técnicas que se esfumaron al poco de haber ilusionado nuestra imaginación, la informática ha transformado nuestra sociedad. La locomotora de esta revolución en marcha es el microprocesador. Estas laminillas de silicio han originado un sinfín de inventos, como los ordenadores portátiles y los aparatos de telefax, y han aportado “inteligencia” a los automóviles modernos y a los relojes de pulsera. Es increíble que su rendimiento haya mejorado 25.000 veces desde su invención, hace sólo un cuarto de siglo. Dos fueron los inventos que prendieron la mecha de la revolución informática. Consistió el primero en la noción de programa almacenado. Todos los sistemas de cómputo construidos desde los años cuarenta se han adhe-
rido a este modelo, que prescribe un procesador para triturar números y una memoria para el almacenaje de datos y de programas. La ventaja de tal sistema estriba en que, por la facilidad con que pueden intercambiarse los programas almacenados, un mismo equipo material realiza tareas diversas. Sin esa versatilidad, los ordenadores no se hubieran generalizado. Además, en los últimos años de ese decenio, se inventó el transistor. Estos conmutadores de silicio eran muchísimo menores que las válvulas termoiónicas utilizadas en los primeros circuitos, por lo que permitieron la creación de dispositivos electrónicos mucho más rápidos. Hubieron de transcurrir más de diez años antes de que los transistores y los programas almacenados se aunaran en la misma máquina. Y hubo que
esperar hasta 1971 para que se produ jera la conj unció n más impor tante , representada en el microprocesador Intel 4004. Este procesador fue el primero de los construidos en una sola laminilla de silicio. Por su diminuto tamaño, se dio en llamarlo microprocesador. El método que desde entonces han seguido los fabricantes para la producción en masa de microprocesadores se parece mucho al de hornear una pizza: la masa —de silicio— empieza siendo fina y redonda. Se depositan sobre ella ciertos aderezos químicos y se lleva el montaje a un horno. El calor transforma los aderezos en transistores, conductores y aislantes. No es de sorprender que el proceso, repetido quizá veinte veces, sea más exigente que la cochura de una pizza. Una mera partícula de polvo puede deteriorar los
DAVID A. PATTERSON es titular de la cátedra E. H. y M. E. Pardee de la Universidad de California.
minúsculos transistores. Incluso las vibraciones producidas por un camión al pasar pueden desalinear los ingredientes, echando a perder el producto final. Pero suponiendo que nada de esto ocurra, la oblea resultante se di vide en piezas individuales, las laminillas o pastillas. Aunque todavía se sigue utilizando esta vieja receta, con el transcurso del tiempo la línea de producción ha ido fabricando microcircuitos cada vez más veloces y más baratos, eructando obleas cada vez mayores y transistores cada vez más pequeños. Esta tendencia pone de relieve un importante principio de la economía de los microprocesadores: cuantos más microcircuitos por oblea, menor su costo. Los microcircuitos grandes son más veloces que los pequeños porque pueden albergar mayor número de transistores. El reciente procesador P6 de Intel, sea por caso, contiene cinco millones y medio de transistores y es mucho mayor que el Intel 4004, que alojaba 2300. Pero, cuanto mayor es el microcircuito, mayor es también la probabilidad de que tenga defectos.
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esde hace muy poco los microprocesadores han adquirido mayor potencia merced a un cambio de enfoque en su diseño. Los ingenieros de microcircuitos adoptan ahora un método cuantitativo para establecer la organización de los ordenadores. El desarrollo de los equipos va precedido de cuidadosos experimentos y se utilizan procedimientos de evaluación muy finos para juzgar sus éxitos. Los fabricantes fueron adoptando concertadamente esta metodología de diseño durante los años ochenta; gracias a ello la tasa de perfeccionamiento de la técnica de microprocesadores se ha elevado desde el 35 por ciento anual de hace sólo un decenio a cosa de un 55 por ciento al año, o sea, casi un 4 por ciento cada mes. Los procesadores triplican ahora la celeridad pronosticada a comienzos de los ochenta; e s como si nuestro deseo nos hubiera sido conce-
1. LAS OBLEAS DE SILICIO actuales ( fondo de la imagen) son mucho mayores que las que albergaron el primer microprocesador, el Intel 4004 (en primer plano ). Una de las razones que permiten hacerlas mayores es que el proceso de manufactura es más limpio (recuadro).
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dido y dispusiéramos de máquinas venidas del año 2000. Además de las mejoras conseguidas en las líneas de producción y en las técnicas de tratamiento del silicio, los microprocesadores también se han beneficiado de cambios en los sistemas de diseño, avances que, en un futuro cercano, desembocarán en nuevos progresos. Una de las técnicas clave es el procesamiento concurrente por etapas (conocido en la jerga por pipelining, o “canalización”). Quienquiera que haya tenido que hacer la colada ha utilizado de forma intuitiva esta táctica. En un proceso no concurrente se procede como sigue: se llena la lavadora con una carga de ropa sucia; terminado el lavado, la colada húmeda se lleva a la secadora y cuando la secadora acaba, se plancha la ropa. Terminada esta tarea, se empieza otra vez. De esta forma, si para dejar lista una carga se necesita una hora, para veinte cargas harán falta veinte horas.
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l proceso de canalización es mucho 2. LAS SALAS BLANCAS, en las que se más rápido. En cuanto la primera construyen las obleas, están diseñadas carga se encuentra en la secadora, se para reducir al mínimo la manipulación introduce en la lavadora una segunda, por seres humanos y protegerlas de las y así en lo sucesivo. Todas las fases del partículas que flotan en el aire. proceso se desarrollan concurrentemente. Resulta paradójico que se tarde lo mismo en lavar por uno y otro máquinas hacia el siglo venidero, son método un solo calcetín sucio. Pero la de esperar mayores números de etacanalización es más rápida, en el sen- pas y velocidades de reloj más elevatido de que son más las cargas termi- das. Buscando la forma de fabricar micronadas por hora. Suponiendo que cada fase requiera el mismo tiempo, el circuitos más rápidos, los ingenieros tiempo ahorrado por este método es han empezado a incluir más circuiteproporcional al número de etapas en ría, para ejecutar más tareas en cada que se descomponga la tarea. En el fase del proceso por etapas. Este ejemplo de la colada, el lavado concu- método ha recibido el apodo de procerrente consta de cuatro fases, por lo samiento “superescalar”. Una lavaque sería casi cuatro veces más rápido dora superescalar, por ejemplo, utilizaría máquinas industriales, capaces que la colada doméstica habitual. El proceso concurrente se encarga de lavar, digamos, triple carga de una de que los microprocesadores sean vez. Los microprocesadores superescamucho más veloces. Por así decirlo, lares modernos tratan de realizar de los proyectistas de microcircuitos tres a seis instrucciones en cada etapa. “bombean” por conductos distintos Por tanto un microprocesador supereslas instrucciones de bajo nivel envia- calar de cuatro vías, con reloj de 250 das al equipo físico. Los primeros megahertz, puede ejecutar 1000 millomicroprocesadores de esta técnica nes de instrucciones por segundo. Un utilizaban una división en cinco eta- microprocesador del siglo XXI podría pas. (El número de etapas ejecutadas lanzar docenas de instrucciones en por segundo está dado por la “veloci- cada etapa. dad de reloj”. Un ordenador personal unque factibles, las mejoras en cirprovisto de un reloj de 100 me gahertz cuitos de proceso resultarán inútiejecuta, pues, 100 millones de etapas por segundo.) Dado que la aceleración les si no van a la par con ganancias por canalización es igual al número similares en los elementos de memode etapas, los microprocesadores han ria. Desde que a mediados de los años adoptado sistemas de ocho o más eta- setenta quedaron disponibles las paspas. Un microprocesador fabricado en tillas de memoria de acceso aleatorio 1995 se vale de este recurso para (RAM), la capacidad de éstas ha alcanzar una velocidad de reloj de 300 venid o cua dri pli cán dos e cad a tre s megahertz. Conforme avanzan las años. Pero la velocidad de las memo-
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Los límites de la litografía
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unque los microprocesadores continuarán mejorando con rapidez, no es seguro que tal progreso mantenga un paso constante. No está claro cómo construir transistores más pequeños y más rápidos. Los métodos fotolitográficos en uso están encontrando limitaciones serias. Si no se consigue resolver este problema, el progreso que venimos disfrutando desde hace decenios se detendrá chirriando. En fotolitografía se utiliza luz para transferir las configuraciones circuitales desde una plantilla de cuarzo, llamada máscara, a la superficie de una laminilla de silicio. La técnica actual permite trazar en esta lámina elementos cuya anchura no baje de unas 0,35 micras. Si esta anchura pudiera acortarse a la mitad, los transistores podrían ser cuatro veces más pequeños, pues se trata de dispositivos esencialmente bidimensionales. Pero parece imposible construir elementos tan diminutos mediante la luz: las ondas luminosas son demasiado anchas. Muchas compañías han investigado la posibilidad de emplear rayos X, hasta la fecha sin éxito. No faltan propuestas de otros tipos; por ejemplo, utilizar los haces de electrones con los que se crean las REDUCCION DE LAS MASCARAS y su proyecmáscaras de cuarzo empleación sobre obleas para fabricar circuitos. das para configurar las obleas de silicio. El fino chorro de partículas cargadas podría ir trazando directamente sobre la laminilla, una por una, las líneas de un diagrama circuital. Aunque se trata de una solución factible, resulta lentísima y, en consecuencia, muy costosa. Además de los obstáculos de índole técnica, el perfeccionamiento de los microprocesadores está amenazado también por el costo de las plantas de manufactura. Estos complejos cuestan hoy mil veces más que hace treinta años. Tanto los compradores como los vendedores de equipos para semiconductores se atienen a la regla de que la reducción a la mitad del tamaño del elemento mínimo provoca la duplicación del precio. Como es obvio, aunque se descubran métodos innovadores, los ingresos generados por la venta de láminas menores habrán de duplicarse para asegurar la continuada inversión en nuevas líneas. Esta regla solamente podrá cumplirse creando más laminillas o encareciéndolas. (D.A.P.)
rias no ha podido mantener este ritmo. Y el vacío e ntre la velocidad máxima de los procesadores y la velocidad máxima de las memorias se está ensanchando. Un recurso habitual consiste en instalar un tampón o antememoria (cache memory) en el propio procesador. La antememoria alberga aquellos segmentos de programa que se emplean con mayor frecuencia, lo cual evita en muchas ocasiones que el procesador haya de recurrir a la memoria externa. Algun os microproce sadores dedican ya tantos transistores a la antememoria como al procesador. Los microprocesadores del futuro asignarán todavía más recursos a antememoria, para
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mejor salvar la diferencia de velocidades. El santo grial de la informática se esconde en el “procesamiento en paralelo”, que proporciona todos los beneficios de un solo procesador rápido haciendo funcionar simultáneamente muchos procesadores de bajo costo. En nuestro símil, podríamos ir a una lavandería y utilizar a la vez 20 lavadoras y 20 secadoras para hacer simultáneamente 20 cargas de colada. Como es obvio, el proceso en paralelo constituye una solución poco económica para cargas pequeñas. Y la construcción de un programa capaz de utilizar 20 procesadores a la vez es mucho más difícil que la distribución de colada entre 20
lavadoras, puesto que tales programas tienen que especificar qué instrucciones han de ejecutarse en cada momento por cada uno de los procesadores. El procesamiento superescalar guarda semejanzas con el procesamiento en paralelo y es más popular, porque el propio equipo determina automáticamente las instrucciones lanzables al mismo tiempo. Pero carece de su potencial de proceso. Si la confección de los programas necesarios no resultara tan difícil, los procesadores en paralelo podrían adquirir toda la potencia que uno pudiera permitirse. La cruda realidad es que el proceso en paralelo sólo resulta práctico para unos cuantos tipos de programa.
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epasando viejos artículos me he topado con fantásticas predicciones sobre los ordenadores de 1995. No pocos afirmaban que la electrónica cedería el paso a los dispositivos ópticos; otros, que los ordenadores serían de materiales biológicos; que se abandonaría la noción de programa almacenado. Tales visiones demuestran cuán imposible resulta prever qué inventos cuajarán y revolucionarán el sector informático. En mi carrera profesional he visto el asentamiento de sólo tres nuevas técnicas: los microprocesadores, las memorias de acceso aleatorio y las fibras ópticas. Decenios después de su puesta de largo, su influjo no se ha debilitado. No cabe duda de que en los próximos 25 años se producirán algunos inventos que modificarán la informática. Mi conjetura es, sin embargo, que la noción de programa almacenado es demasiado elegante para que pueda prescindirse de ella fácilmente. Estoy convencido de que los ordenadores futuros serán muy similares a las máquinas del pasado, aun cuando se construyan con materiales muy distintos. No creo que el microprocesador del año 2020 deje boquiabiertas a las personas de nuestro tiempo, aunque los microcircuitos más rápidos puedan ser mucho mayores que la primera oblea de silicio y pese a que los más económicos puedan ser mucho más diminutos que el Intel 4004 original. Las técnicas de canalización, de antememoria y la organización superescalar continuarán desempeñando papeles principales en el progreso de la técnica de microprocesadores y, si las esperanzas se materializan, a ellas se sumará el procesamiento en paralelo. Lo que va a resultar pasmoso es que habrá microprocesadores en todo, desde los interruptores de la luz hasta los pedazos de papel.
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¿Y después del año 2020?
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os diseños microelectrónicos actuales, que tienen en sus entrañas una formidable capacidad innovadora, dominarán buena parte del siglo XXI. Esto no impide que muchos laboratorios exploren técnicas novedosas, aplicables tal vez al diseño de nuevas generaciones de ordenadores y de dispositivos microelectrónicos. En ciertos casos dichas técnicas permitirían que los diseños de microcircuitos alcanzasen una miniaturización imposible de obtener por técnicas parecidas a las litográficas al uso. Entre las líneas de investigación acometidas destacan: Puntos cuánticos. Los puntos cuánticos son disposiciones moleculares que permiten atrapar electrones individuales y registrar sus movimientos. En teoría, estos dispositivos pueden servir de registros binarios en los que la presencia o ausencia de un electrón sirve para representar el 0 o el 1 de un bit de datos. Una variante de este e squema consiste en que, al incidir luz láser sobre átomos, podría hacerlos saltar de su estado electrónico fundamental a un estado excitado, cambiando así el valor del bit. Pero al hacer tan extremadamente pequeños los transistores y los conductores, ocurre que los efectos cuánticos comienzan a perturbar su función. Los componentes lógicos mantienen con menor fiabilidad sus valores 0 y 1, porque resulta difícil especificar las ubicaciones de electrones individuales. Sin embargo, podría sacarse partido de esta propiedad: Seth Lloyd y otros están estudiando la posibilidad de desarrollar técnicas cuánticas de computación que capitalicen el comportamiento no-clásico de los dispositivos. Computación molecular. En lugar de construir componentes de silicio, algunos investigadores están tratando de desarrollar sistemas de almacenamiento de datos con moléculas biológicas. Robert L. Birge estudia el potencial computacional de moléculas relacionadas con la bacterio-
rodopsina, un pigmento que altera su configuración en respuesta a la luz. Una ventaja de tal molécula es que podría emplearse en un computador óptico, en el cual chorros de fotones desempeñarían el papel de los electrones. Otra consiste en que muchas de estas moléculas podrían sintetizarse por microorganismos. Según ciertas estimaciones, las biomoléculas fotónicamente activadas podrían quedar concatenadas en un sistema de memoria tridimensional cuya capacidad llegaría a ser 300 veces mayor que los CD-ROM actuales. Puertas lógicas nanomecánicas. En estos sistemas, para realizar operaciones lógicas se procedería a desplazar UN PUNTO CUANTICO ( violefísicamente diminutos ta) atrapa electrones en este haces o filamentos de un semiconductor. átomo de espesor. Puertas lógicas reversibles. Conforme aumenta la densidad de componentes de los microcircuitos, más difícil se torna la disipación del calor generado en los cómputos. Se está valorando la posibilidad de reponer las capacitancias a su estado original cuando acaba un cálculo. Dado que las puertas lógicas reversibles recapturarían parte de la energía consumida, en ellas se disiparía menos calor.
Los microprocesadores y las memo- necesitarán sólo las conexiones a una rias se fabrican actualmente en líneas red informática y a una toma de de manufactura distintas, pero no es corriente. Los dispositivos de en trada/ obligado que sea así. Quizás en un salida estarán enlazados a ellos a futuro cercano ambos queden asociados través de redes. Si necesitan más en una misma micropastilla, igual que memoria, obtendrán al mismo tiempo el microprocesador casó los diversos mayor capacidad de proceso, y vicecomponentes de un procesador en una versa; esta organización mantendrá sola pieza. Para reducir el vano entre equilibrada la capacidad de memoria los rendimientos de los procesadores y y la velocidad del procesador. Los de las memorias, para aprovecharse del IRAM serían también módulos ideaprocesamiento en paralelo, para amor- les para el proceso en paralelo. Puesto tizar los costos de manufactura y, sen- que serán tan pocas las conexiones cillamente, para sacar partido pleno externas que requieran, estos procedel fenomenal número de transistores sadores podrían ser además pequeñíque caben en una laminilla, pronostico simos. Es muy posible que veamos que, en el año 2020, el microprocesador “picoprocesadores” baratos y menores de gama alta constituirá por sí solo un que el antiguo 4004 de Intel. Si el ordenador completo. proceso en paralelo tiene éxito, este Podríamos llamarlo IRAM (“memo- mar de transistores podría utilizarse ria inteligente de acceso aleatorio”), también para constituir múltiples pues la mayoría de los transistores de procesadores sobre una sola laminieste microcircuito estarán dedicados lla, proporcionándonos un micromula memoria. Mientras que los micro- tiprocesador. procesadores actuales han de recurrir Los microprocesadores actuales son a centenares de líneas de conexión casi cien mil veces más veloces que sus con las memorias externas, los IRAM troglodíticos antepasados de los años
MÁQUINAS DE CÓMPUTO
La Redacción
cincuenta y cuestan mil veces menos; estos extraordinarios hechos explican el enorme papel que la informática desempeña ahora en nuestro mundo. Mirando hacia el futuro, es bastante posible que también en el próximo siglo el rendimiento de los microprocesadores siga duplicándose cada año y medio.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA MICROPROCESSORS : FROM DESKTOPS
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. F. Baskett y J. L. Hennesy. Science, vol. 261, págs. 864-871; 1993. SUPERCOMPUTERS
COMPUTER ORGANIZATION
AND
DESIGN:
. J. L. Hennesy y D. A. Patterson. Morgan Kaufmann Publishers, 1995. COMPUTING PERSPECTIVES. M. V. Wilkes. Morgan Kaufmann Publishers, 1995. Siga la referencia en la World Wide Web http://cra.org:80/research.impact/ y mire bajo el epígrafe “RISC” para saber más sobre el rápido aumento del rendimiento de los procesadores. THE HARDWARE /SOFTWARE INTERFACE
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Ordenadores de base proteínica Robert R. Birge Ciertos dispositivos fabricados a partir de moléculas biológicas prometen tamaño más reducido y almacenaje de datos más rápido. Pueden servir para ordenadores de procesamiento en paralelo y redes neuronales
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l superordenador más avanzado del mundo no necesita ningún microcircuito semiconductor. El cerebro humano está formado por moléculas orgánicas que, combinadas, tejen una red sumamente complicada y perfecta, capaz de calcular, percibir, manipular, repararse a sí misma, pensar y sentir. Es cierto que los ordenadores digitales pueden efectuar cálculos con una velocidad y precisión mucho mayores que las personas, pero en los otros cinco campos, hasta los organismos elementales aventajan a los ordenadores. Quizá nunca lleguen a crearse máquinas que posean todas las facultades del cerebro. Aun así, muchos opinamos que se puede sacar
ROBERT R. BIRGE, experto en dispositivos electrónicos de base proteínica y en ordenadores híbridos, enseña química en la Universidad de Syracusa.
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partido de ciertas propiedades especiales de las moléculas biológicas —en especial de las proteínas— para la construcción de componentes informáticos que sean más pequeños, potentes y veloces que cualesquiera dispositivos electrónicos que hasta ahora se hayan paseado por los tableros de diseño. La cuestión del tamaño es acuciante. Desde los años sesenta este sector industrial se ha visto compelido a reducir cada vez más los componentes de los microcircuitos semiconductores, para fabricar memorias mayores y procesadores más potentes. Tales microcircuitos consisten, en esencia, en matrices de conmutadores, puertas lógicas normalmente, que van tomando uno de dos estados (0 y 1) en respuesta a cambios en la corriente eléctrica que pasa a su través. (Lo típico es representar toda la información mediante tales dígitos binarios, o bits.) De proseguir la tendencia hacia la miniaturización, el tamaño de una puerta
lógica será, antes de 40 años, el de una molécula. Pero existe un grave obstáculo. Cada vez que se duplica la miniaturización, el costo de fabricación del microcircuito se multiplica por cinco. Puede llegar el punto en que la búsqueda de dispositivos electrónicos cada vez menores se vea limitada más por consideraciones económicas que por consideraciones físicas. Por otra parte, es posible que al utilizar moléculas biológicas con carácter de componentes activos de la circuitería de los ordenadores aparezcan opciones técnicas menos caras. Las moléculas pueden actuar de conmutadores lógicos porque sus átomos son móviles y cambian de posición de forma predictible. Si logramos dirigir ese movimiento atómico y generar sistemáticamente en cada molécula al menos dos estados, podremos valernos de cada uno para representar, ora 0, ora 1. Tales conmutadores ofrecen
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reducciones del tamaño de los equipos porque son intrínsecamente pequeños: una milésima del tamaño de los transistores de semiconductor utilizados hoy como puertas (cuyo diámetro ronda la micra, o sea, una millonésima de metro). De hecho, un ordenador biomole cular podría, en teoría, ser la quincuagésima parte de un ordenador actual de semiconductores que contu vier a similar núme ro de elementos lógicos. La reducción del tamaño de las puertas desemboca en dispositivos más veloces; los ordenadores de base proteínica podrían, en teoría, operar a velocidades mil veces mayores que los ordenadores modernos. Nadie propone todavía un ordenador puramente molecular. Es mucho más probable, al menos en un futuro cercano, que se utilice una tecnología híbrida, que combine moléculas y semiconductores. Tal proceder debería proporcionar ordenadores cincuenta veces menores que los actuales y centuplicar su velocidad. Las moléculas biológicas también resultan atractivas porque pueden diseñarse átomo a átomo, confiriendo así a los ingenieros el control necesario para crear puertas que funcionen de acuerdo con los requerimientos de una aplicación. Los ordenadores bioelectrónicos facilitarían además la búsqueda de prototipos más adaptables. Se está reforzando la versatilidad de los dispositivos electrónicos con equipos de nueva configuración o, como se dice en la jerga, de nueva arquitectura. Se han introducido arquitecturas de procesamiento en paralelo, que permiten la manipulación simultánea de
múltiples sistemas de datos. Para ampliar la capacidad de las memorias se están ideando elementos que almacenen datos en tres dimensiones, en lugar de las dos habituales. Y se han construido redes neuronales que remedan la facultad de aprendizaje por asociación que posee el cerebro, facultad que es necesaria para lograr avances de importancia hacia la inteligencia artificial. La capacidad de ciertas proteínas para cambiar sus propiedades en respuesta a la luz debería simplificar los equipos físicos necesarios para llevar a la práctica dichas arquitecturas.
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unque todavía no existen en el mercado componentes informáticos formados, en todo o en parte, por proteínas, los continuados esfuerzos de la investigación se están abriendo paso hacia esa meta. Parece razonable pronosticar que la técnica híbrida, que conjuga microcircuitos semiconductores y moléculas biológicas, pasará bastante pronto del dominio de la fantasía científica a las aplicaciones comerciales. Las pantallas de cristal líquido ofrecen un espléndido ejemplo de sistema híbrido que ha triunfado. Casi todos los ordenadores portátiles de nuestros días se basan en pantallas de cristal líquido, que combinan dispositivos semiconductores con moléculas orgánicas para controlar la intensidad de la imagen en la pantalla. Son varias las moléculas biológicas
que se están estudiando con vistas a su utilización en componentes informáticos, pero ha sido una proteína bacteriana, la bacteriorrodopsina, la que ha suscitado mayor interés. A lo largo de los diez últimos años, mi laboratorio, y otros de Norteamérica, Europa y Japón, han construido prototipos de dispositivos de procesamiento en paralelo, elementos de almacenamiento volumétrico y redes neuronales que se basan en esta proteína. El interés por la bacteriorrodopsina se remonta a los años setenta, cuando Walther Stoeckenius y Dieter Oesterhelt descubrieron que exhibía insólitas propiedades al ser expuesta a la luz. La bacteriorrodopsina, que se en cuentra en la membrana de Halobacterium salinarium, permite el crecimiento de la bacteria cuando la concentración de oxígeno es insuficiente para mantener al microorganismo. Al incidir la luz sobre ella, la proteína modifica su estructura y transporta un protón a través de la membrana, aportando así energía para alimentar el metabolismo celular. Los científicos soviéticos reconocieron y abordaron las posibilidades que la bacteriorrodopsina ofrece en computación. Al poco de su descubrimiento,
1. LAS AGUAS SALOBRES del californiano lago de Owens (izquierda) presentan un matiz azulado, causado por bacterias (inserto) que contienen bacteriorrodopsina. Esta proteína, aquí representada por una cinta (centro), porta un cromóforo (estructura esquelética de esferas y enlaces lineales ) que absorbe la luz. Cuando este segmento se excita por la luz, su estructura cambia (derecha) alterando la configuración del resto de la proteína. Puesto que la bacteriorrodopsina responde a la luz adoptando estados diferentes y fácilmente detectables, puede servir para puertas lógi cas, o conmutadores, en ordenadores ópticos de base proteínica.
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2. FOTOCICLO de la bacteriorrodopsina: secuencia de cambios estructurales inducidos por la luz. El fotociclo permite el almacenamiento de datos en la memoria. La luz verde transforma el estado inicial de reposo, conocido por bR, convirtiéndolo en el intermedio K . A continuación, K se relaja, formando primero M y luego O. Al exponer a la luz roja el intermedio O, se produce una reacción de ramificación. La estructura O pasa al estado P, que rápidamente se relaja al Q, forma que permanece estable. Sin embargo, la luz azul devolverá Q al estado bR. Se les pueden asignar los valores binarios 0 y 1 a dos estados cualesquiera de larga duración, lo que permite almacenar información mediante series de moléculas de bacteriorrodopsina en uno u otro estado.
dos los detalles de su logro más impresionante: un procesador para radares militares.
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Yuri A. Ovc hin nik ov org anizó un equipo de expertos procedentes de cinco instituciones soviéticas, que habría de trabajar en bioelectrónica, integrados en el “proyecto Rodopsina”. Ovchinnikov consiguió que los altos mandos militares le escucharan y les convenció de que, al explorar la bioelectrónica, la ciencia soviética se adelantaría a la tecnología informática del Oeste.
Son muchos los aspectos de este ambicioso proyecto que permanecen bajo secreto militar. Sabemos de cierto que el ejército rojo hizo películas de microfilmación, llamadas biocromo, a partir de bacteriorrodopsina. Informes extraoficiales de antiguos científicos soviéticos hoy residentes en los Estados Unidos indican que se construyeron también procesadores ópticos de datos con técnicas proteínicas. Siguen veda-
3. LA ESCRITURA DE INFORMACION en cubos de bacteriorrodopsina (violeta) y la lectura de tal información se consiguen mediante haces de láser. El proceso de escritura comienza disparando haces de láser de color verde a través de un plano
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mpecé a interesarme por la bacteriorrodopsina en los años setenta, mientras estudiaba las bases bioquímicas de la visión en la Universidad de California en Riverside. Mi trabajo se había centrado en una proteína afín, la rodopsina, presente en la retina de los mamíferos. Tanto la rodopsina como la bacteriorrodopsina son proteínas complejas que contienen un componente que absorbe la luz, que recibe el nombre de cromóforo. El cromóforo absorbe energía de la luz, desencadenando una serie de movimientos internos que modifican la estructura de la proteína que lo contiene. Dichas modificaciones alteran las características ópticas y eléctricas de la proteína. Por ejemplo, en el interior del ojo humano, cuando la rodopsina absorbe luz, su cambio de estructura libera energía, que sirve de señal eléctrica para el transporte de información visual hasta el cerebro. Al principio, me interesaba cómo se
del cubo (1); este paso inicia el fotociclo de la proteína. A continuación se disparan láseres rojos ( 2) sobre el conjunto de moléculas de dicho plano (verde) que han de convertirse al estado binario 1; las moléculas restantes representan el estado 0.
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producían en la rodopsina tales cam- no pasan hasta el detector. Puesto que De los estados intermedios que se bios activados por la luz. Pero muy podemos alterar la estructura de la producen tras la exposición inicial de pronto dirigí la mirada hacia la bacte- bacteriorrodopsina con un láser y la bacteriorrodopsina a la luz, algunos riorrodopsina. Había decidido aplicar determinar determinar después, después, con otro láser, qué pasan a adoptar estructuras insólitas mi conocimiento de sus propiedades al estados intermedios se han formado, cuando absorben energía procedente diseño de memorias y procesadores de disponemos de la base necesaria para de un segundo haz de láser, en un ordenador que se basaran en esa pro- grabar la memoria y después leerla. proceso de arquitectura secuencial teína. Albert F. Laurence me convenmonofotónica. Se producen, por ejemció de las posibilidades de la bioeleca mayoría de los dispositivos se plo, reacciones de ramificación de este trónica. Se incorporó durante un año basan en el estado de reposo y en tipo a partir del intermedio O, formána mi laboratorio para explorar la uti- un intermedio de la bacteriorrodopsina. dose P y Q. Estas estructuras las genelización de materiales biológicos en Uno de los estados se designa 0, y el ran dos pulsos consecutivos de luz memorias ópticas. otro, 1; la conmutación entre estados se láser, primero verde y después roja. Nos centramos en la bacteriorrodop- controla mediante un haz de láser. Aunque el estado P es bastante efísina, y no en la rodopsina, porque la Muchos de los primeros dispositivos de mero, se relaja relaja a una forma conocida primera pri mera posee mayor estabilidad y memoria basados en la bacteriorrodop- por Q, que es estable durante períodos me jores jo res propiedades ópticas. Podía, sina sólo podían operar a la tempera- largos, inclu in cluso so de algunos años. A además, además, prepararse en grandes canti- tura, bajísima, del nitrógeno líquido, a causa de su prolongada estabilidad, el dades. Los componentes de los ordena- la cual resultaba controlable la transi- estado Q es de gran relevancia en la dores han de poder soportar cambios de ción entre la estructura bR inicial y un búsqueda de memorias memorias no volátiles de su ambiente ambiente sin estropearse. En con- estado K intermedio. intermedio. Dichos dispositi- alta densidad. diciones naturales la bacteriorro bacterio rrodopdop- vos eran rápidos en comparación con Los estados intermedios P y Q, que sina sina opera en las marismas, cuyas tem- los conmutadores de semiconductores se forman en el proceso secuencial peraturas pueden superar los 65 grados gra dos (la transición de bR a K se se produce en monofotónico, revisten particular utiy donde la molécula queda expuesta pocas billonésimas de segundo —pico- lidad para el procesamiento en paramuchas veces a la luz intensa. segundos— frente a las milmillonési- lelo. Al objeto de escribir datos en Las aplicaciones estudiadas con mas —nanosegundos— que requieren paralelo, pa ralelo, nuestro método incorpora miras a obtener procesadores de orde- los dispositivos ordinarios de semicon- otra innovación: el almacenamiento nador y las memorias sobre las que ductores). Pero la necesidad de tan tridimensional de datos. Un cubo de éstos operan se apoyan en el fotociclo, bajas temperaturas impedía que fue- bacteriorrodopsina está rodeado por serie de cambios estructurales que ran de aplicación general. dos matrices de haces de láseres, disexperimenta la bacteriorrodopsina en Hoy la mayoría de los dispositivos puestas perpendicularmente. Una de respuesta a la luz. (En estado de reposo re poso basados en bacteriorrodopsina funcio- las matrices de láser, de elementos la molécula se denomina bR ; cada nan a la temperatura ambiente o cer- sintonizados todos en luz verde, la llaestado intermedio de la serie se iden- cana a ella, condición en la cual es mada matriz de paginación, activa el tifica mediante una letra del alfabeto.) estable estable otro estado intermedio, llamado llamado fotociclo de la proteína en la sección Los distintos intermedios —abrevia- M . Aunque casi todos los dispositivos transversal cuadrada que se seleccione tura de estados intermedios— pueden de memoria basados en la bacterio- en el interior del cubo (una “página”). utilizarse para la representación de rodopsina incorporan el conmutador conmutador bR Transcurridas algunas milésimas de bits de datos. a M , puede que para sistemas de cóm- segundo, cuando el número de estados Los intermedios absorben luz en dis- puto de base proteínica resulten más intermedios O está próximo al má máximo, ximo, tintas regiones del espectro. Podemos, útiles en la práctica otras estructuras. se dispara la otra matriz de láseres, en consecuencia, leer los datos ilumirojos esta vez. nando las moléculas con haces de láser Esta segunda matriz está progray observando qué longitudes de onda mada de forma que sólo ilumine la
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3), relajándose en la Las moléculas diana forman el estado P ( 3 4). La lectura desde la memoria de base proteíniestructura Q ( 4 ca comienza activando el plano con luz verde (5). Se disparan láseres rojos de baja intensidad. Las moléculas en el estado bR
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absorben la luz roja, mientras que las moléculas en el estado P o Q dejan pasar los bajos niveles luminosos. La configuración resultante de luz y oscuridad puede recogerse en un detector situado frente a la matriz de láser rojo (6).
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4. LOS ORDENADORES del futuro podrían ser equipos híbri púrpura) y dos, consistentes en tarjetas dotadas de proteínas ( púrpura
de semiconductores. Las que vemos aquí, no construidas aún, podrían proporcionar memoria asociativa (a) y memoria volu-
región del cuadrado activado en el que varse a cabo, lo que significa una tasa po demos grabar en la memoria se habrán de escribir bits de datos, de 10 megabytes por segundo y página 1.048.576 bits de datos, o sea, unos 105 conmutando a la estructura P las molémolé- de memoria. kilobytes en un ciclo de 10 milisegunculas que hay en ellas. Seguida Seguidamente, mente, Además de facilitar facilit ar el proceso en dos. Tales valores equivalen a una el intermedio P relaja su estructura, paralelo, los cubos tridimensionales de velo cidad glob al de escritura escr itura de 10 formando el estado Q, muy estable. Si bacteriorrodopsina proporcionan millones de caracteres caracteres por segundo, asignamos la estructura bR al estado mucho mucho más espacio de memoria que comparables a memorias de semiconbinario 0 y tanto la P como la Q al las memorias ópticas bidimensionales. ductor lentas. Sin embargo, cada disestado binario 1, el proceso es análogo Cierto sistema de memoria no biológi ca ca positivo de memoria memoria puede acceder a a la conmutación binaria que tiene incorpora una delgada película de más de un cubo de datos y la velocidad lugar lugar en las memorias de semiconduc- material magnético que se graba de la memoria es proporcional al tores o magnéticas. Dado que la matriz mediante me diante un haz láser y se borra número de cubos que operen en parade láser puede activar moléculas en median mediante te un campo magnético. Estas lelo. En consecuencia, consecuencia, una memoria de diversos lugares, cualquiera que sea memorias son bidimensionales, por- ocho cubos operaría mucho más rápisu posición en la página iluminada que los datos se almacenan sobre la damente, a unos 80 millones de caracelegida, es posible escribir simultánea- superficie del disco. Tales memorias teres por segundo. mente —o sea, en paralelo— múltiples bidimensionales tienen una capacidad localizaciones de datos, a las que se de almacenamiento limitada a unos ara garantizar la exactitud de la denomina direcciones. 100 millones de bits por centímetro lectura y la escritura, los cubos de memoria han de tener una composicuadrado. uestro sistema para la lectura En contraste las memorias ópticas ción uniforme; si en una región hay de lo almacenado en la memoria tridimensionales pueden en teoría demasiadas moléculas, o excesiva—sea durante el procesamiento o alcanzar densidades de almacena- mente pocas, la información almacedurante du rante la extracción de un resul- miento de hasta un billón (1012) de bits nada en ella sufrirá distorsión. La tado— se basa en la absorción selec- por centímetro cúbico. En la práctica las manufactura de los cubos en baja grativa de luz roja por el estado interme- limitaciones ópticas y de los dispositivos vedad puede producir la homogeneidio O. Para leer en paralelo múltiples rebajan las densidades posibles para las dad necesaria para los dispositivos de bits de datos, se empieza igual que en memorias volumétricas. Pero parecen memoria. En otro orden de cosas las el proceso de escritura. Primero, se realizables capacidades de almacena- moléculas biológicas ofrecen esperandispara un haz verde de paginación miento 300 veces superiores a las de los zas de servir de componentes para la s contra el cuadrado de proteína que ha dispositivos bidimensionales. A corto memorias asociativas necesarias para de leerse, iniciando el fotociclo normal plazo el principal impacto de la bioelec- redes neuronales y, en definitiva, para de las moléculas en el estado bR. Al trónica sobre los equipos informáticos la inteligencia artificial. cabo de dos milisegundos la matriz corresponderá, en mi opinión, al campo Las memorias asociativas difieren entera de láser se activa a una inten- de la memoria volumétrica. bastante en su modo de operar de las sidad muy baja de luz roja. Las moléLa velocidad constituye también un memorias que predominan en los sisculas que se encuentran en el estado importante beneficio de las memorias temas informáticos actuales. Las de binario 1 (estados intermedios P y Q) vo lumé lu mé tri ca s. La comb co mb inac in ació ió n de aquel tipo toman un conjunto de datos, no absorben los haces, ni cambian de almacenamiento al macenamiento tridimensional y con frecuencia en forma de una imaestado. arquitecturas en paralelo potencia la gen, y exploran en su totalidad el banco Pero las moléculas que partían del velocidad de tales memorias, de igual de memoria hasta encontrar un conestado binario original 0 ( bR) sí absor- manera que el proceso paralelo del junto de datos concordante. En alguben los haces (aunque sin modificación cerebro humano compensa holgada- nos casos, si no encuentra una concorde su estructura), porque han realizado realiza do mente los procesos neuronales, lentos, dancia exacta, el ordenador presenta el ciclo al estado intermedio O, que y permite que el cerebro sea una la más parecida, efectuando una suerte absorbe la luz roja. Un detector crea máquina máquina pensante de reflejos veloces de conjetura razonable de posible resuna imagen de la luz que atraviesa el y capaz de tomar decisiones con agi- puesta. Dado que el cerebro humano cubo de memoria y registra las ubica- lidad. Todo el proceso de escritura funciona en modalidad neuronal, asociones de las estructuras O y de las P descrito antes se desarrolla en unos ciativa, muchos creen que, para conseo Q; en términos de código binario, el 10 milisegundos. Si iluminamos un guir inteligencia artificial, serán necedetector lee ceros y unos. El proceso cuadrado que mida 1024 por 1024 bits sarias memorias asociativas de gran tarda unos 10 milisegundos en lle- en el interior del cubo de proteína, capacidad.
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métrica: unos 32 gigabytes de memoria permanente (b) y ocho gigabytes de memoria removible (c). Combinadas con una uni-
dad central de procesamiento de semiconductor (d), estas tar jetas forman un ordenador completo de grandes grandes capacidades.
Mi laboratorio ha desarrollado un de ser la generación de sistemas híbri- datos, efectuar simulaciones compledispositivo de memoria asociativa que dos que conjuguen las mejores caracte- jas o servir de plataforma excepcional se basa en las propiedades holográfi- rísticas de las arquitecturas molecular para investigaciones de inteligencia cas de las películas delgadas de bacte- y de semiconductores. En particular particular la artificial. Provista de cerca de un terariorrodopsina. Los hologramas permi- técnica híbrida, compuesta en parte byte (1012 bytes) de memoria en cubos ten el almacenamiento de imágenes por memoria de alta densidad y base de bacteriorrodopsina esta máquina má quina múltiples en el mismo segmento de proteínica, puede contribuir a resolver podría manejar grandes bases de memoria, lo que posibilita el análisis el pertinaz problema de la capacidad datos. La combinación de procesasimultáneo de vastos conjuntos de de la memoria. miento por memoria asociativa con datos. El sistema de memoria está A lo largo de de los últimos diez años años la memoria volumétrica haría que la conbasado basado en el clásico diseño de Eung velocidad velocidad de los procesadores de orde- sulta de bases de datos fuera varios G. Paek y Demetri Psaltis. Hemos nador se ha multiplicado casi por mil, órdenes de magnitud más rápida de lo hallado ha llado que la bacteriorrodopsina mientras que las capacidades de los que es posible en la actualidad. Dado ofrece ventajas bien caracterizadas dispositivos de almacenamiento externo externo que este modelo híbrido puede operar frente a los cristales fotorrefractivos sólo aumentaron en un factor de 50. Por como ordenador híbrido asociativo y utilizados para fabricar estas memo- otra parte, la transferencia de datos en neuronal, capaz de aprender y analirias. Dado que la proteína es más sen- el seno del ordenador sigue constitu- zar datos de forma similar a como lo sible a la luz que los cristales inorgá- yendo el principal cuello de botella que hace el cerebro humano, no cabe subnicos, pueden emplearse niveles de limita el rendimiento. El procesamiento estimar la posible importancia de los iluminación más bajos. En consecuen- en paralelo y las interconexiones computadores híbridos en inteligencia cia, para escribir y leer en la memoria mediante señales luminosas, acelera- artificial. hace falta menos energía, mejorando dos ambos merced a ordenadores ordenadores híbrila velocidad de estos procesos. Además dos que saquen partido de la eficaz unque mi grupo y otros han tenido la bacteriorrodopsina bacteriorrodopsina puede grabarse conmutación de las moléculas biológinotable éxito en el desarrollo de y leerse muchas muchas veces más que los cas, permiten el almacenamiento, la memorias volumétricas y procesadores cristales, los cuales, tras repetidos transferencia y la manipulación de asocia asociativos, tivos, se requiere ahondar más ciclos de lectura-escritura, acusan ingentes cantidades de datos. antes antes de que pueda construirse un ordeor defenómenos de fatiga. Con el propósito de explorar el valor nador híbrido operativo. En el cami camino no di seño de los ordenadores híbridos mi labora- conducente al desarrollo de un diseño l tiempo que continúan los estu- torio está diseñando uno que contiene potente y de precio razonable, puede dios de la bacteriorrodopsina, cuatro tipos de unidades de memoria que otras arquitecturas reemplacen muchos laboratorios están explorando o de procesadores, denominados tarje- muchos de los componentes físicos que el valor de formas modificadas de la tas. La tarjeta de la unidad central de hemos descrito. Confiamos, sin embar embargo, go, proteína para dispositivos informáti- procesamiento de este ordenador uti- en que antes de ocho años habrá comcos. Concretamente se están investi- lizará las técnicas tradicionales de putadores híbridos de algún tipo. gando versiones de la proteína obteni- semiconductores. semiconductores. Dos tarjetas contendas por ingeniería genética, en las drán memoria volumétrica de base cuales un aminoácido reemplaza a otro proteínica, con una capacidad total en BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA con el fin de reforzar las propiedades torno a 40 gigabytes. Una de estas necesarias para una determinada apli- tarjetas será una memoria de acceso BACTERIORHODOPSIN: A BIOLOGICAL M ATERIAL FOR INFORMATION PROCESSING. cación. Por ejemplo, por eliminación aleatorio, alea torio, permanente, sin partes Dieter Oesterhelt, Christoph Bräuchle y en la proteína de un aminoácido móviles; la otra ofrecerá un almacenaNorbert Hampp en Quarterly Reviews of interno es posible prolongar la pervi- miento de datos a largo plazo, más Biophysics, vol. 24, n.o 4, págs. 425-478; vencia venci a del estado esta do M en el fotociclo, económica y removible. La cuarta tarnoviembre de 1991. como han demostrado Norbert Hampp jeta contendrá una memoria asociaPROTEIN-BASED OPTICAL COMPUTING AND y Christoph Bräuchle en colaboración tiva basada en películas de bacterioMEMORIES. Robert R. Birge en Compucon Oesterhelt. rrodopsina. ter, vol. 25, n.o 11, páginas 56-67; noviembre de 1992. Evidentemente la meta última son El ordenador híbrido que imaginaPROTEIN-BASED THREE-DIMENSIONAL MElos ordenadores biomoleculares. Pero mos sería sumamente versátil. AproMORY . Robert R. Birge en Amer ican la mayoría de los expertos consideran vechando las combinaciones de memoScientist , vol. 82, n.o 4, páginas 348-355; que el primer paso en el desarrollo de ria descritas, el ordenador debería julio-agosto de 1994. ordenadores de base proteínica habrá poder manejar grandes bancos de
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Computación mecánico-cuántica Seth Lloyd Si algún día llegan a construirse, los ordenadores mecánico-cuánticos lograrán lo que ningún ordenador en uso puede hacer
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urante el último medio siglo, los ordenadores han ido duplican do su velocidad cada dos años, al tiempo que el tamaño de sus componentes se reducía a la mitad. Los circuitos actuales contienen transistores y líneas de conducción cuya anchura es sólo una centésima parte de la de un cabello humano. Las máquinas de nuestros días son millones de veces más potentes que sus rudimentarias antepasadas a causa de tan explosivo progreso. Pero las explosiones acaban disipándose y las técnicas de integración de microcircuitos
están empezando a tropezar con sus límites. Mediante técnicas litográficas avanzadas podrían producirse elementos cien veces menores que los hoy disponibles. Pero a tal escala, en la que la materia se presenta como una muchedumbre de átomos disgregados, los circuitos integrados apenas consiguen funcionar. Al reducir la escala diez veces más, los átomos manifiestan ya su identidad individual y basta un solo defecto para provocar una catástrofe. Por consiguiente, si se pretende que los ordenadores del futuro mengüen
de tamaño, preciso habrá de ser que la técnica en uso se reemplace o suplemente con otras nuevas. Hace ya bastantes años que Rolf Landauer y Charles H. Bennett empezaron a investigar la física de los circuitos de procesamiento de información y plantearse hacia dónde podría conducirnos la miniaturización: ¿cuál sería el tamaño mínimo de los componentes circuitales? ¿Cuánta energía es preciso utilizar en el curso de una computación? Por ser dispositivos mecánicos, el funcionamiento básico de los ordenadores está descrito por la física. La naturaleza de las cosas impone que, al hacerse muy pequeños los compo-
1. LOS ATOMOS DE HIDROGENO podrían servir para almacenar bits de información en una computadora cuántica. Un átomo en estado fundamental, cuyo electrón se encuentra en el nivel energético más bajo posible (azul), puede representar un 0; el mismo electrón en estado excitado, con su electrón en un nivel energético superior (verde), puede representar un 1. El bit del átomo, 0 o 1, puede “virarse” (invertirse hacia el valor opuesto) mediante un pulso de luz láser (amarillo). Si los fotones del pulso tienen la energía exacta que diferencia los estados fundamental y excitado del átomo, el electrón saltará de uno a otro.
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TEMAS 4
nentes de los circuitos de cómputo, su descripción debe dejarse en manos de la mecánica cuántica. A comienzos de los años oche nta Paul Benioff, partiendo de resultados obtenidos por Landauer y Bennett, demostró que, al menos en principio, un ordenador podría funcionar de modo puramente mecánico-cuántico. Poco después David Deutsch y otros comenzaron a modelizar computadoras mecánico-cuánticas para averiguar en qué divergerían de las clásicas. Se preguntaron, en particular, si cabría sacar provecho de los efectos mecánico-cuánticos para acelerar las comunicaciones o para efectuar cómputos mediante nuevos procedimientos.
otros sistemas cuánticos (por ejemplo, formas de materia nuevas o inobser vadas), no estaba claro que lograran resolver problemas matemáticos con mayor velocidad que sus parientes, los ordenadores clásicos. La imagen ha cambiado en los últimos años. En 1993 describí una amplia clase de sistemas físicos, bien conocidos, que podrían actuar a modo de computadoras cuánticas, y hacerlo ahorrándome algunas de las objeciones de Landauer. Peter W. Shor demostró que podría utilizarse un ordenador cuántico para descomponer números grandes en factores primos, tarea que desborda incluso a las máquinas más potentes. En el Instituto para el Intercambio Científico de Turín se han engendrado a especialidad languideció a me- numerosos diseños para la construcción diados del decenio por una serie de de circuitería cuántica. En fin, los grurazones. Ante todo porque, en lugar de pos de H. Jeff Kimble y de David J. estudiar sistemas físicos tangibles, se Wineland han fabricado algunos de habían considerado las computadoras estos componentes prototípicos. cuánticas en sentido abstracto, pecado Explicaré aquí de qué forma podrían en el que Landauer incurrió no pocas ensamblarse ordenadores cuánticos y veces. Resultó también evidente que me ocuparé de algunas tareas que un ordenador mecánico-cuántico sería podrían llevar a cabo y son irrealizables propenso a errores y que la corrección por los ordenadores digitales. de los mismos plantearía serios proble Aceptemos de entrada que la mecámas. Y aparte de una sugerencia de nica cuántica produce desconcierto. Richard P. Feynman, en el sentido de Niels Bohr, que tanto contribuyó a su que las computadoras cuánticas creación, confesaba: “Quien pueda conpodrían servir para la simulación de templar la mecánica cuántica sin sen-
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SETH LLOYD desempeña funciones docentes en el departamento de ingeniería mecánica del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Se graduó en filosofía por la Universidad de Cambridge en 1984 y se doctoró en física por la Rockefeller en 1988.
sación de mareo es que no la ha comprendido adecuadamente.” Por suerte o por desgracia, la mecánica cuántica predice cierto número de efectos contrarios a la intuición, pero que se han corroborado una y otra vez. Para apreciar de qué extrañas cosas son capaces los ordenadores mecánico-cuánticos, basta con abordar el fenómeno de la dualidad onda-partícula.
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a dualidad onda-partícula significa que, en ciertas circunstancias, cosas normalmente consideradas partículas sólidas se comportan como si fueran ondas, mientras que cosas que describimos mediante ondas (sonido o luz) se comportan como partículas. En esencia, la teoría mecánico-cuántica establece las clases de ondas asociadas a los distintos tipos de partículas, y recíprocamente. La primera y extraña consecuencia de la dualidad onda-partícula es que los sistemas físicos pequeños, como los
2. LA LECTURA del bit almacenado en un átomo se logra mediante un pulso de láser cuyos fotones tienen la energía que separa el estado excitado del átomo, llamémoslo E1, y otro estado excitado aún más elevado e inestable, E2. Si el átomo se encuentra en su estado fundamental, que representa un 0, este pulso carece de efecto. Pero si se halla en el estado E1, representativo de un 1, el pulso lo eleva hasta E2. El átomo retornará entonces a E1, emitiendo un fotón revelador de tal estado.
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Puertas lógico-cuánticas
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as puertas lógicas realizan operaciones elementales sobre bits de información. George Boole demostró en el siglo XIX que toda tarea lógica o aritmética, por compleja
PUERTA NO
ESTADO INICIAL
ESTADO FINAL
NOTACION CIRCUITAL ESTANDAR
que fuese, era realizable por combinación de tres operaci ones: NO, COPIAR e Y. Los átomos, o cualquier otro sistema cuántico, pueden efectuar estas operaciones.
PUERTA COPIAR
ESTADOS INICIALES
ESTADOS FINALES
NOTACION CIRCUITAL ESTANDAR
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1
1 1 B ABSORBE UN FOTON
A ABSORBE UN FOTON
0 1
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0 0
A
A
A
La operación NO sólo entraña la inversión de bits, como indica la notación de la derecha: si A es 0, se convierte en 1, y viceversa. En el caso de los átomos, la negación puede efectuarse aplicando un pulso cuya energía sea igual a la diferencia entre el estado fundamental de A (su electrón se halla en el estado de mínima energía, representado por el círculo interior) y su estado excitado (el círculo exterior). Las puertas NO cuánticas, a diferencia de las ordinarias, pueden también invertir los bits sólo a medias.
átomos, sólo pueden existir en estados de energía discretos, bien caracterizados. Así, cuando un átomo salta de un estado energético a otro, absorbe o emite energía en cantidades exactas, llamadas fotones, que podrían considerarse partículas que componen las ondas de luz. Una segunda consecuencia es que las ondas mecánico-cuánticas, como las ondas de agua, pueden superponerse, vale decir, sumarse. Tomadas individualmente, estas ondas ofrecen una descripción burda de la posición de una partícula dada. Empero, al combinar dos o más de tales ondas, la posición de la partícula se vuelve incierta. Así pues, en cierto y misterioso sentido, un electrón puede en ocasiones encontrarse aquí y allí al mismo tiempo. La ubicación de un electrón tal permanecerá incógnita hasta que alguna interacción (como el rebote de un fotón al chocar con el electrón) revele que se encuentra aquí o allí, pero no en ambos lugares. Cuando dos ondas cuánticas superpuestas se comportan como una sola onda se dice que son coherentes; el proceso por el cual dos ondas coherentes recuperan su respectiva identidad individual se denomina descoheren-
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B
A
B
COPIAR, en el mundo cuántico, se basa en la interacción entre dos átomos. Imaginemos que uno de los átomos, el A, que almacena un 0 o un 1, se encuentre junto a otro átomo, B, que se halla en su estado fundamental. La diferencia de energía entre los estados de B tendrá determinado valor si A es 0 y un valor distinto si A es 1. Apliquemos ahora un pulso luminoso cuyos fotones posean energía igual a este último valor. Si el pulso tiene la intensidad y la duración adecuadas, y si A es 1, B absorberá un fotón y cambiará de estado (línea superior ); si A es 0, B no puede absorber un fotón del pulso y permanece invariable (línea inferior ). Así, como vemos en el diagrama de la derecha, si A es 1, B se convierte en 1; si A es 0, B sigue siendo 0.
cia. En el caso de un electrón que se un bit de información está representado encuentre en superposición de dos por la diferencia de potencial entre la s estados energéticos diferentes (o por placas de un condensador: un condendecirlo sin precisión, en dos posiciones sador cargado representa, por ejemplo, distintas en el seno de un átomo), la un 1, y un condensador descargado, un descoherencia puede requerir largo 0. Un ordenador cuántico funciona tiempo. Pueden transcurrir días antes asociando el conocido carácter discreto de que un fotón, pongamos por caso, del procesamiento de información digichoque contra un electrón y revele, al tal con el extraño carácter discreto de hacerlo, cuál es su verdadera posición. la mecánica cuántica. En teoría los balones de baloncesto podrían también encontrarse a la vez n efecto, una ristra de átomos de hidrógeno puede alojar bits igual aquí y allá. En la práctica, sin embargo, el tiempo que tarda un fotón en rebotar de bien que una serie de condensadode un balón es demasiado breve para res. Un átomo en estado fundamental que no lo detecte el ojo o algún instru- electrónico podría ser la codificación mento. El balón es, sencillamente, de un 0, y en estado excitado, de un 1. demasiado grande para que su posi- Mas para que tal sistema cuántico ción exacta pueda permanecer indetec- pueda funcionar como un ordenador no tada durante un tiempo perceptible. debe limitarse a almacenar bits. Quien En consecuencia, la regla general es lo maneje ha de poder cargar informaque tan sólo los objetos muy pequeños ción en el sistema, ha de poder procey sutiles pueden exhibir la incertidum- sar tal información mediante manipubre cuántica. laciones lógicas sencillas y ha de poder La información se presenta en pie- descargar la información procesada. zas discretas, como los niveles energé- Es decir, los sistemas cuánticos han de ticos de los átomos en la mecánica poder leer, escribir y efectuar operacuántica. El cuanto de información es ciones aritméticas. el bit. Un bit de información es una Isidor Isaac Rabi enseñó a escribir simple distinción entre dos opciones información en un sistema cuántico. alternativas: sí o no, 0 o 1, verdadero Aplicado a átomos de hidrógeno, su o falso. En los ordenadores digitales, método opera como sigue. Imaginemos
E
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PUERTA Y
ESTADOS INICIALES
NOTACION CIRCUITAL ESTANDAR
ESTADOS FINALES
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B ABSORBE UN FOTON 0 0
0 1
1 0
A
B
A
A
B
0
0
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un cubit semivirado abre el camino a nuevas formas de computación. La lectura de bits en un sistema cuántico procede de forma parecida. Se empuja al átomo hasta un estado energético todavía más elevado y menos estable, al que llamaremos E2. Ello se consigue sometiendo el átomo a luz que tenga una energía igual a la diferencia entre E1 y E2: si el átomo se encuentra en E1, se excitará hasta E2, pero retornará rápidamente a E 1, emitiendo un fotón. Si el átomo se e ncuentra ya en el estado fundamental, na da ocurre. Si se halla en el estado “semivirado” tiene iguales probabilidades de emitir un fotón, revelando que es un 1, como de no emitirlo, indicando que es un 0. Entre la lectura y escritura de información en un sistema cuántico y la computación sólo media un breve paso.
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L También la conjunción Y depende de interacciones atómicas. Imaginemos tres átomos, A, B y A, adyacentes entre sí. La diferencia de energía entre los estados fundamental y excitado de B es función de los estados de los dos A. Supongamos que B se halle en su estado fundamental. Apliquemos ahora un pulso cuya energía sea igual a la diferencia entre los dos estados de B solamente cuando los átomos A vecinos sean sendos unos. Si realmente ambos A son unos, este pulso invertirá el estado de B (línea superior ); de no ser así, B quedará sin cambios (todas las demás líneas ).
un átomo de hidrógeno en su estado joncito al electrón. Cuando los fotones fundamental, en el que posee una can- del campo tienen la misma energía que tidad de energía igual a E0. Para escri- la diferencia entre E 0 y E1, estos pulsos bir un bit 0 en este átomo no se hace coinciden con el “vaivén” del electrón nada. Para registrar un 1 en él, excite- y gradualmente convierten la onda mos el átomo hasta un nivel energético correspondiente al electrón en una superior, E 1 . Podemos conseguirlo superposición de ondas que poseen bañándolo en luz láser compuesta por diferentes energías. La amplitud de la fotones cuya energía sea igual a la dife- onda asociada con el estado fundamenrencia entre E1 y E0. Si el haz de láser tal del electrón disminuirá conforme posee la intensidad adecuada y se aplica aumenta la de la onda asociada con el durante el tiempo necesario, el átomo estado excitado. En el proceso, el bit pasará gradualmente desde el estado registrado en el átomo “vira” desde el fundamental hasta el estado excitado, estado fundamental hacia el excitado. al absorber el electrón un fotón. Si el Cuando la frecuencia de los fotones no átomo se encuentra ya en el estado es adecuada, sus empujones no están excitado, el mismo pulso lu mínico pro- sincronizados con el electrón y nada vocará que emita un fotón y regrese al ocurre. estado fundamental. Desde el punto de Si se aplica la luz adecuada, pero se vista del almacenamiento de informa- hace durante la mitad del tiempo nececión, el pulso le dice al átomo que sario para llevar al átomo desde el invierta el estado de su bit. estado 0 al 1, el átomo se encuentra en ¿Qué significa “gradualmente” en un estado igual a la superposición de este contexto? Un campo eléctrico osci- la onda correspondiente al 0 y de la lante, como es el de la luz láser, con- onda correspondiente al 1, que tienen duce un electrón de un átomo desde un ambas iguales amplitudes. Tal bit estado de energía inferior hacia otro cuántico, al que llamamos cubit, ha de energía más elevada a la manera virado sólo a medias. Un bit clásico, del adulto que, impulsando a un niño por el contrario, dará siempre una lecen un columpio, lo sube cada vez a tura de 0 o de 1. En los ordenadores mayor altura. Siempre que llega la corrientes un condensador cargado a oscilación de la onda, le da un empu- medias provoca errores, mientras que
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os circuitos electrónicos están formados por elementos lineales (conductores, resistencias y condensadores) y por elementos no lineales (diodos y transistores) que manipulan los bits de diversas maneras. Los dispositivos lineales alteran individualmente las señales de entrada. Los dispositivos no lineales, por otra parte, hacen que interactúen entre sí las señales de entrada que pasan a su través. Por ejemplo, de no ser porque nuestro equipo estereofónico contiene transistores no lineales, no podríamos cambiar el nivel de graves de la música que reproduce. Hacerlo así requiere cierta coordinación de la información procedente del lector de discos compactos y de la información que llega del ajuste del mando correspondiente del equipo. Los circuitos realizan cómputos por iteración, a gran velocidad, de un pequeño número de tareas, tanto lineales como no lineales. Entre ellas se cuenta la inversión de un bit, que equivale a la operación lógica llamada NO: verdadero se torna en falso y falso se trueca en verdadero. Otra de ellas es la operación de COPIAR, que hace que el valor del segundo bit sea igual que el del primero. Estas dos operaciones son ambas lineales, porque en ambas la salida refleja el valor de una sola entrada. Efectuar la conjunción (la “Y”) de dos bits —otra tarea útil— constituye, en cambio, una operación no lineal: si los dos bits de entrada son ambos 1, se hace que un tercer bit sea también igual a 1; en los demás casos, el tercer bit se hace igual a 0. El tercer bit depende ahora de cierta interacción entre las entradas. Los dispositivos que ejecutan estas operaciones se denominan puertas lógicas. Si un ordenador digital posee
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A=0
A =1
B=0
B =1
LOS DATOS, CUAL HAN SIDO ESCRITOS
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0
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LA LUZ CAMBIA A B EN 1, SI EL A DE SU IZQUIERDA ES 1
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LOS DATOS SE HAN DESPLAZADO UN LUGAR HACIA LA DERECHA
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INVIERTE A, Y LO HACE 0, SI EL B DE SU DERECHA ES 1
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INVIERTE A, Y LO HACE 1, SI EL B DE SU IZQUIERDA ES 1
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LOS DATOS SE HAN DESPLAZADO UN LUGAR MAS HACIA LA DERECHA
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INVIERTE B, Y LO HACE 0, SI EL A DE SU DERECHA ES 1
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0
puertas lineales, como la NO y la COPIAR, y puertas no lineales, tales como las puertas Y, entonces puede llevar a cabo cualquier tarea lógica o aritmética. Las computadoras cuánticas han de cumplir los mismos requisitos. Artur Ekert, Deutsch y Adriano Barenco, por un lado, y quien esto
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3. UN CRISTAL SALINO podría realizar cómputos actuando sobre pares de iones vecinos. Se invierte el bit almacenado en cada B si el A de su izquierda contiene un 1; seguidamente, se invierte cada A si el B a su derecha es 1. Se traslada así la información desde cada A hasta el B situado a su derecha. Ahora, utilizando la misma táctica, se traslada la información desde cada B al A de su derecha. El proceso permite que una línea de átomos actúe de “conductor” cuántico. Dado que un cristal puede realizar estas operaciones de “doble resonancia” en todas las direcciones simultáneamente con cada ion vecino, el cristal puede remedar la dinámica de cualquier sistema, actuando así de computadora cuántica analógica de uso general.
firma, por otro, han demostrado que tones y electrones a voluntad y luego prácticamente cualquier interacción ha de volver a ensamblarlos sin perno lineal entre bits cuánticos será ade- turbar los espines de las partículas. cuada. A decir verdad, con tal de que o hace mucho que se han ideado un ordenador cuántico pueda invertir bits, cualquier interacción cuántica no medios más sencillos para concalineal lo faculta para llevar a cabo tenar puertas lógico-cuánticas. Por cualquier cómputo. Para la construc- ejemplo, fotones individuales conducición de ordenadores cuánticos podría dos por fibras ópticas o enviados a trasacarse provecho, pues, de muy distin- vés del aire podrían transferir bits de información desde una puerta hasta tos fenómenos físicos. ¡La verdad es que ha habido puertas otra. Un descubrimiento muy promelógico-cuánticas disponibles y se han tedor se ha hecho en el Instituto de usado habitualmente desde hace casi Tecnología de California: concentrando tanto tiempo como hay transistores! A fotones en un volumen diminuto junto finales de los años cincuenta los inves- con un solo átomo, el grupo de Kimble tigadores lograron realizar sencillas ha conseguido intensificar la interacoperaciones de lógica cuántica con dos ción no lineal entre fotones, que por lo bits valiéndose del espín de las partí- común es muy pequeña. El resultado culas. Estos espines —que consisten en es una puerta logico-cuántica: un bit de la orientación del movimiento de rota- un fotón puede “virarse” parcialmente ción de una partícula con respecto a cuando otro fotón lee un 1. Un ordenacierto campo magnético—se encuen- dor construido con puertas lógico-cuántran, al igual que los niveles energéti- ticas de este tipo sería rápido y bascos, cuantizados. Así pues, un espín en tante inmune a las perturbaciones del una dirección puede representar un 1, medio que destruirían la coherencia, y en la otra, un 0. Se aprovechó la inte- pero habría que superar todavía cierto racción entre el espín del electrón y el número de obstáculos predichos por espín del protón en un átomo de hidró- Landauer. El más importante es que geno; se puso a punto un sistema en el las tolerancias en la longitud de todos cual sólo se invertía el espín del protón los caminos ópticos del sistema tensi el espín del electrón representaba un drían que ser de una minúscula frac1. Como los investigadores no estaban ción de la longitud de onda utilizada. pensando en lógica cuántica, bautizaEl problema del “cableado” admite ron al efecto con el nombre de “doble otras soluciones. J. Ignacio Cirac y resonancia”. Aun así se valieron de ella Peter Zoller han propuesto un diseño para efectuar las operaciones lineales que aislaría cubits en una trampa de de negación y copia. iones, aislándolos de influencias exterDesde entonces, Barenco, David nas indeseables. Antes de procesarlo, DiVincenzo, Tycho Sleator y Harald el bit se transferiría a un registro Weinfurter han mostrado cómo, común, a un “bus”. En concreto, la virando sólo parcialmente los espines información que contuviera se del protón y el electrón, se puede uti- representaría por un temblequeo en el lizar la doble resonancia para crear que participarían todos los iones de la también una puerta lógica Y. Tales trampa. El grupo de Wineland ha dado puertas logico-cuánticas, interconec- ya el primer paso hacia la construcción tadas, podrían constituir una compu- de un tal ordenador cuántico, realitadora cuántica. Inútil decir que los zando operaciones tanto lineales como “conductores” cuánticos son difíciles no lineales sobre bits codificados de construir. Los conductores de un mediante iones y por el temblequeo. ordenador corriente pueden ser meras La construcción de computadoras tirillas de metal, que transmiten sin capaces de operar con unas pocas decedificultad las señales eléctricas de una nas o centenas de bits mediante trampa puerta lógica a otra. La interconexión iónica ofrece buenas perspectivas. Se de puertas de doble resonancia, por el han realizado ya operaciones binarias contrario, entraña una dificultad exas- y el número de bits de la computadora perante: el conductor ha de poder des- puede aumentarse sin más que añadir ensamblar átomos para trasladar pro- iones a la trampa.
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4. LA PRESENTACION del resultado de un cómputo cuántico podría ofrecer el aspecto de la banda superior. Cada lunar coloreado corresponde a la fluorescencia de un solo ion mercúrico atrapado en una trampa iónica (izquierda). La luz indica que cada uno de los iones se encuentra en el mismo estado, por lo que la ristra completa se lee como una serie de unos.
Así las cosas, los científicos pueden manejar operaciones de lógica cuántica con unos pocos bits y es muy posible que en un futuro cercano efectúen cómputos cuánticos en los que inter vengan algunas decenas o centenares de bits. ¿En qué sentido puede ello representar un avance sobre los ordenadores clásicos, que manejan sin dificultad miles de millones de bits? La verdad es que, incluso con un solo bit, una computadora cuántica puede realizar cosas que no están al alcance de ningún ordenador clásico. Fijémonos en lo siguiente. Tomemos un átomo en superposición de 0 y 1. Averigüemos ahora si el bit es un 0 o un 1 provocando su fluorescencia. La mitad de las veces el átomo emite un fotón y el bit es un 1. En la otra mitad no hay emisión fotónica y el bit es un 0. Es decir, e l bit es un bit aleatorio, algo que ningún ordenador clásico puede crear. Los programas de números aleatorios de los ordenadores digitales generan en realidad números pseudoaleatorios, valiéndo se para ello de una función cuyo resultado es tan irregular que parece producir bits por azar.
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maginemos lo que un ordenador cuántico puede hacer con dos bits. El copiado se realiza juntando dos bits, uno con el valor a copiar y otro cuyo valor inicial es 0; al serle aplicado un pulso, el segundo bit cambia a 1 solamente en el caso de que el primer bit también sea un 1. Pero si el valor del primer bit es una superposición de 0 y 1, la aplicación del pulso crea una superposición en la que participan ambos bits, de forma tal que ambos son 1 o ambos son 0. Fijémonos en que el valor final del primer bit ya no es el
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mismo que inicialmente tenía; la superposición ha cambiado. En cada componente de esta superposición el segundo bit es el mismo que el primero, pero ninguno de ellos es el mismo que el bit original. Albert Einstein hizo notar que tales estados infringirían todas las ideas intuitivas tradicionales sobre causalidad. En una tal superposición, ninguno de los bits se encuentra en un estado definido; empero, si medimos uno de ellos, situándolo en consecuencia en un estado definido, el otro bit pasa también a un estado definido. El cambio del primer bit no es la causa del cambio del segundo. Pero en virtud de la destrucción de la coherencia entre ambos, la medición del primero también despoja al segundo de su ambigüedad. Con tres cu bits se pueden establecer estados imbricados todavía más complejos. En efecto, dados tan sólo dos o tres cubits y una o dos puertas lógico-cuánticas, resulta posible la creación de estados cuánticos fascinantes. He demostrado que, con mayor número de bits, podría utilizarse una computadora cuántica para simular el comportamiento de cualquier sistema cuántico. Programada adecuadamente, la dinámica de la computadora remedaría la dinámica de cierto sistema postulado y, en particular, de la interacción del sistema con su entorno. Además el número de pasos que tal computadora tendría que dar para registrar la evolución de este sistema a lo largo del tiempo sería directamente proporcional al tamaño del sistema. Todavía más notable es que, si una computadora cuántica tuviera arquitectura en paralelo, lo que pudiera ser factible por doble resonancia entre
pares vecinos de espines en los átomos de un cristal, podría remedar en tiempo real a cualquier sistema cuántico, cualquiera que fuera su tamaño. Esta clase de computación cuántica en paralelo, de ser posible, supondría una enorme aceleración sobre los métodos al uso. Según advirtiera Feynman, para simular un sistema cuántico en un ordenador clásico se precisa, en general, un número de pasos que crece exponencialmente con el tamaño del sistema y con el lapso de tiempo invertido en rastrear sus evoluciones. La verdad es que una computadora cuántica de 40 bits podría recrear un sistema cuántico en poco más de un centenar de pasos; esta misma simulación exigiría años en un ordenador clásico provisto de un billón de bits. ¿Qué puede llegar a hacer una computadora cuántica, dotada de muchas operaciones lógicas, sobre muchos cubits? Empecemos colocando todos los bits de entrada en idéntica superposición de ceros y unos, todos iguales. La computadora se encuentra entonces en otra superposición de todas las entradas posibles. Hagamos pasar esta entrada a través de un circuito lógico que ejecute un determinado cómputo. El resultado es una superposición de todos los posibles resultados de ese cómputo. En cierto y extravagante sentido cuántico, la computadora efectúa a la vez todos los cómputos posibles. Deutsch ha denominado a este efecto “paralelismo cuántico”. Aun que el par ale lis mo cuá nti co pueda parecer extraño, pensemos por un momento en el comportamiento general de las ondas. Si las ondas mecánico-cuánticas fuesen ondas sonoras, las correspondientes a 0 y a 1 —que oscilan cada una a una sola frecuencia— constituirían tonos puros. Una onda correspondiente a una superposición de 0 y 1 sería entonces un acorde. Así como los acordes musicales suenan cualitativamente distintos de los tonos individuales que los integran, una superposición de 0 y 1 se diferencia del 0 y el 1 tomados por
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separado: en ambos casos, las ondas corrección de errores. Los distintos siscombinadas se interfieren entre sí. temas que podrían utilizarse para el Una computadora cuántica que rea- registro y procesamiento de informalice un cómputo ordinario, en el que no ción son sensibles al ruido, que puede haya superposición de bits, genera una invertir bits de modo aleatorio. Los secuencia de ondas análogas al sonido métodos clásicos de corrección de errode un “cambio de repique” de los cam- res entrañan la medición de bits para panarios, en que las campanas se ver si son erróneos, lo que en una comtañen una por vez. La secuencia de putadora cuántica provocaría la descosonidos se atiene a reglas matemáticas herencia. Los grupos de Ekert y de estrictas. Un cómputo realizado en Deutsch han mostrado que la correcmodo cuántico paralelo viene a ser ción de errores es posible en teoría, pero como una sinfonía: su “sonido” corres- muy costosa de llevar a la práctica. Así ponde a una multitud de ondas que se pues, aun cuando puedan construirse interfieren entre sí. computadoras cuánticas, tal vez no Shor demostró que el efecto sinfó- sean capaces de realizar cómputos con nico del paralelismo cuántico podría muchos bits durante períodos largos. servir para descomponer muy rápidamente números grandes en factores ara sobrepasar la capacidad de facprimos, cosa que los ordenadores clátorización de los superordenadosicos e incluso los superordenadores no res actuales, las computadoras cuánsiempre logran. Puso de manifiesto ticas que utilizasen el algoritmo de cómo orquestar una computación Shor podrían tener que seguir la pista cuántica de forma que los posibles fac- de centenares de bits durante millares tores destaquen en la superposición, de pasos, manteniendo en todo al igual que, en una sinfonía, una momento la coherencia cuántica. Por melodía tocada por los cellos, las violas culpa de los problemas técnicos de que y los violines con separación de una hablaba ya Landauer, entre los que se octava destacaría sobre el sonido de cuentan la descoherencia, las variaciofondo creado por los demás instrumen- nes incontrolables en los pulsos de tos. Su algoritmo haría que la factori- láser y la carencia de una corrección zación resultase tarea sencilla para de errores eficaz, es muy verosímil que una computadora cuántica, de poder la construcción de un ordenador capaz construirse. Dado que la mayoría de de efectuar semejante cómputo resulte los sistemas criptográficos de clave difícil. Sin embargo, para superar las pública —como los de protección de las simulaciones clásicas de los sistemas cuentas bancarias electrónicas— se cuánticos bastaría con seguir la pista basan en que los ordenadores clásicos a unas decenas de bits durante alguno pueden hallar factores primos que nas decenas de pasos, objetivo mucho tengan, sea por caso, más de 100 dígi- más alcanzable. Y la utilización de tos, los merodeadores informático- lógica cuántica para la creación y cuánticos podrían darle motivo de exploración de las propiedades de preocupación a mucha gente. extraños estados cuánticos con multiLa cuestión de si llegará a haber tud de partículas es meta que ya se computadoras cuánticas (y sus corres- encuentra en el horizonte. pondientes merodeadores) es cuestión debatida con ardor. Recordemos que la naturaleza cuántica de una superposiBIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA ción subsiste tan sólo mientras el QUANTUM THEORY: THE CHURCH-TURING entorno se abstiene de revelar el estado PRINCIPLE AND THE UNIVERSAL QUANTUM del sistema. Habida cuenta de que las COMPUTER. David Deutsch en Proceecomputadoras cuánticas podrían condings of the Royal Society of London, serie sistir en miles o millones de átomos y A, vol. 400, n.o 1818, páginas 97-117; de que para lesionar la coherencia 1985. cuántica basta la perturbación de uno A P OTENTIALLY R EALIZABLE Q UANTUM solo de ellos, no está claro cuánto COMPUTER. Seth Lloyd en Science vol. 261, páginas 1569-1571; 17 de septiemtiempo pueden durar en auténtica bre de 1993. superposición los sistemas cuánticos A LGORITHMS FOR QUANTUM COMPUTATION: interactuantes. Las pruebas experiDISCRETE L OGARITHMS AND F ACTORING. mentales inducen a pensar que ciertos Peter W. Shor en 35th Annual Symposium sistemas pueden mantener superposion Foundations of Computer Science: ciones cuánticas durante varias horas. Proceedings . Recopilación de Shafi Shor y sus colaboradores han demosGoldwasser. IEEE Computer Society Press, 1994. trado que su algoritmo sigue funcioQUANTUM COMPUTATIONS WITH COLD RAnando incluso con niveles modestos de PPED IONS. J. I. Cirac y P. Zoller en Physidescoherencia. cal Review Letters, volumen 74, n.o 20, Otro de los problemas a que se páginas 4091-4094; 15 de mayo de 1995. enfrenta la computación cuántica es la
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Ordenador óptico W. Wayt Gibbs
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l cálculo digital dio un paso de gigante cuando se terminó, en la Universidad de Manchester, allá por 1948, el Mark I, primer computador enteramente electrónico capaz de almacenar en memoria su propio programa. No menos audaz —y vacilante— fue el avance operado en computación óptica, tan en su infancia aún, a princ ipios de 1993 cuando Harry F. Jordan y Vincent P. Heuring, de la Universidad de Colorado, presentaron un ordenador (casi) óptico que almacena y maneja sus instrucciones y datos en forma de impulsos luminosos. Como el Mark I, el ordenador óptico de bits seriados (OOBS) es grande y obtuso, y se ha construido sólo para probar un principio de la arquitectura de ordenadores. Apenas hace otra cosa que conmutaciones, recuentos y o peraciones de aritmética de carácter básico, y sólo tiene 128 bytes de memoria. Ahora bien, todo eso lo hace de un modo radicalmente distinto de cualquier ordenador que jamás se haya construido. La digital y electrónica prole del Mark I ha venido almacenando sus datos en los biestables o basculadores (“flip-flops”), dispositivos que toman y retienen cargas por medio de relés, tubos de vacío o circuitos de semiconductores. En ellos, la información queda confinada físicamente. Sin embargo, los equivalentes ópticos del biestable electrónico todavía operan muy lentamente, y por eso el OOBS utiliza en su lugar una memoria dinámica: los impulsos de radiación infrarroja que constituyen sus bits se mueven incesantemente por un circuito de fibras ópticas a la velocidad de la luz. “La información está siempre en movimiento; en cierto sentido, se almacena dondequiera que se encuentre, tanto en el espacio como en el tiempo”, explica Heuring. “El quid está en disponer las cosas de tal modo que la información interaccione en el mismo lugar del espacio al mismo tiempo.” El OOBS logra esta proeza de sincronización valiéndose de un reloj que funciona a 50 megahertz y conduciendo la luz por un trayecto que cubre distancias entre conmutadores cuidadosamente medidas. Antes de cada tic del reloj, los impulsos de control accionan conmutadores que dirigen de un trayecto a otro los bits que llegan, haciéndolos entrar y salir de líneas de retardo formadas por bobinas de fibra óptica con metros de longitud. Al contrario que el procesador electrónico, que recoge la información que necesita de una dirección de su memoria, el procesador óptico del OOBS espera que le lleguen los datos. Los contadores guardan registro de qué hay y dónde. Los conmutadores son la única parte no enteramente óptica del sistema. AT&T, suministrador del grupo de Colorado, los construye difundiendo titanio por una superficie de niobato de litio, que es un sólido transparente, a fin de formar dos canales para la luz. Cuando se aplica una tensión eléctrica, los canales se hacen paralelos, y cuando cesa, se cruzan. Para accionar el c onmutador, debe transformarse el impulso de control luminoso en un impulso eléctrico, y amplificarlo después. Jordan utiliza un ordenador corriente de sobremesa conectado a los amplificadores de conmutación para programar el OOBS y representar sus resultados, aunque en teoría un interfaz de fibra óptica funcionaría con pareja perfección. El OOBS necesita, pues, electricidad para operar. Pero al relegar los electrones a un papel menor y prescindir por
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completo del almacenamiento estático, la estructura del ordenador se simplifica bastante. “Tal vez sea ésta la primera vez que puede representarse un ordenador completo en una sola transparencia de retroproyector”, se ufana Heuring. “Normalmente, eso es imposible; hay tantos biestables, puertas y buses, y tantas otras cosas...” La memoria dinámica ofrece otras ventajas: una de ellas es la velocidad ajustable de la máquina. Dado que el diseño se basa en el tiempo que tardan los impulsos de luz en pasar de un procesador al siguiente, un diseño funcionará igual a mitad de tamaño y doble velocidad de reloj; afortunadamente, ya que en su versión actual el OOBS ocupa un a mesa entera. Jordan y Heuring lo están ahora integrando en un cilindro de niobato de litio, adherido a un disco de silicio o arseniuro de galio que contendría la electrónica de conmutación. El ordenador, que cabrá en la palma de la mano, se habrá achicado unas 400 veces y trabajará 400 veces más deprisa, a 20 gigahertz. El simple aumento de velocidad sin cambio de tamaño produce también resultados interesantes, como ha descubierto Jordan. “Si se cuenta con conmutadores rápidos, se puede duplicar la velocidad de reloj y acabar teniendo dos máquinas con un solo soporte físico, actuando aparentemente en paralelo, pero en realidad intercaladas en el tiempo.” A 100 megahertz, en otras palabras, el OOBS desarrolla una doble personalidad. Las ventajas de la memoria dinámica han de pagarse, no obstante, en capacidad y en rendimiento, pues el almacenamiento espaciotemporal de información requiere gran cantidad de la una o la otra. Y cuanto más largo sea el circuito, más tiempo tendrá que esperar un procesador a que le lleguen nuevos datos. Heuring admite que esto limita la complejidad de las posibles aplicaciones. “Un OOBS sería ideal para una red de conmutación telefónica o de televisión por cable que encauzara y redistribuyera información secuencial procedente de cinco ciudades con destino a otras cinco, pero no valdría para el procesamiento de textos.” Es casi seguro que las primeras máquinas ópticas que se realicen tendrán un carácter híbrido, con conmutadores optoelectrónicos y algún tipo de almacenamiento estático. Conscientes de ello, Jordan y Heuring trabajan ya en un proyecto de procesador en paralelo en el que las bobinas de fibras se sustituyen por espacios vacíos y los conmutadores en serie por circuitos integrados optoelectrónicos (CIOE), unas formaciones cuadradas que por una cara tienen fotodetectores en miniatura y por la otra microláseres. Descansarán sobre sus bordes, a modo de fichas de dominó; tomarán la alimentación eléctrica por la base y recibirán los impulsos de control por arriba. En este nuevo diseño de Heuring, se utilizan hologramas generados por ordenador para redistribuir los bits desde un CIOE al siguiente. Los investigadores de Colorado creen que el poder construir un ordenador con pastillas CIOE que contuviesen al menos un millón de conmutadores sería ya todo un logro. “El vídeo se ha de leer serialmente, y ése es el verdadero cuello de botella de la realidad virtual y de tantos y tantos gráficos y animaciones por ordenador”, observa Heuring. “Con los CIOE, podríamos en principio trabajar, de una sola vez, sobre una trama de vídeo entera, o sobre un polígono completo generado por ordenador.”
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