Nanotecnología - almacenamiento de datos

Universidad Icesi
Facultad de ciencias naturales
Química
Profesor: Oswaldo Gutiérrez Cárdenas
Trabajo de investigación
Alumnos: Michael Steven Malambo Chacón
Michael Steven Eastmond Vaca
Christian Alexander Buitrón Papamija

Nanotecnología, información sin fronteras
Desde que se tiene conocimiento la humanidad siempre ha buscado avanzar en cada uno de los aspectos de la vida con el fin de hacerla más fácil. Para ello se ha propuesto conocer más acerca del mundo en el que vivimos y ha ido evolucionando a través del tiempo tecnológicamente en busca de respuestas en lugares en los que hasta hace solo 47 años no habíamos estado nunca; el espacio, los planetas, esos lugares más allá de nuestro cielo son uno de los desafíos más grandes de la ciencia. Sin embargo, y aunque siempre se buscaba llegar más lejos, nunca se dejó de lado la idea de que no solo hay un espacio infinito ahí arriba, sino que también "hay mucho espacio ahí abajo", palabras que llevaban como título el discurso del físico Richard Feynman en el año 1959, uno de los pioneros en el campo de la nanotecnología, que hasta el momento no se conocía como tal.
Es en este momento donde Feynman nos plantea que es posible la manipulación de átomos y moléculas para la construcción de sistemas átomo por átomo, pero que a su vez las propiedades de estos sistemas nanométricos serían diferentes a las presentes en la macroescala. Es entonces que en el año 1981, el ingeniero estadounidense Eric Drexler pública un artículo en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences inspirado en Feynman y tan solo 5 años después introduce el término nanotecnología por primera vez en su libro "Motores de la creación: la próxima era de la Nanotecnología" donde habla sobre una máquina nanotecnológica con capacidad de autoreplicarse.
Siendo así, la nanotecnología se define como la ciencia que interviene en el diseño, la producción y el empleo de estructuras y objetos que cuentan con al menos una de sus dimensiones en la escala de 0.1 milésimas de milímetro (100 nanómetros) o menos, esta se clasifica en dos tipos. Por un lado se encuentra la denominada Top-down que quiere de decir reducción de tamaño o simplemente desde arriba hasta abajo y se centra en miniaturizar los mecanismos y estructuras a escala nanométrica, este tipo es el más frecuente actualmente siendo usado en el ámbito de la electrónica. Por el otro lado está el Bottom-up o auto-ensamblado que, al contrario del anterior va desde abajo hasta arriba, en este tipo de comienza con una estructura nanométrica y mediante un proceso de montaje se crea un mecanismo mayor al mecanismo con el que comenzamos. Este tipo de nanotecnología es al que se refería Drexler en su libro y es además considerada como el "verdadero" enfoque de la nanotecnología, el cual permite que la materia pueda ser controlada de manera extremadamente precisa, rompiendo con las barreras de la miniaturización.
Hoy en día la nanotecnología se ha implementado en un sinfín de áreas con el fin de dar respuesta a problemas no han sido solucionados tales como los ambientales, la salud, problemas de abastecimiento, etc. A continuación se presentará un trabajo de investigación sobre la implementación de la nanotecnología en uno de los campos que ha tenido un crecimiento exponencial en los últimos años: la informática y el almacenamiento de datos.
Marco teórico
Estamos en una era donde la tecnología microscópica lidera el mercado de la información, por eso cada día surgen nuevas técnicas que aumentan exponencialmente la capacidad de los discos duros y en general todos los almacenamientos digitales, utilizando propiedades de los átomos de carbono y cloro se puede generar grandes volúmenes de espacio disponible para el almacenamiento de datos sin dejar a un lado la meta de minimizar el espacio.
Esto nos ha llevado a que en los últimos tiempos la búsqueda de estrategias que permitan el control de la materia con precisión atómica sea más ardua. La manipulación de átomos individuales de baja temperatura microscópica de efecto túnel proporciona formas para almacenar datos en átomos codificados. Un claro desafío actual es la integración controlada de estos átomos funcionales individuales en los circuitos atómicos ampliados y escalables ofreciendo una densidad de área de 502 terabits por 2,5 cm2.
Para mediados de la década del 2000 la atención científica comenzó a florecer. Proyectos emergieron para producir una hoja de ruta para la nanotecnología que se centraba en la manipulación atómica precisa de la materia y que discute las capacidades, metas y aplicaciones existentes y proyectadas.
Con la implementación de los nanotubos de carbono que se han sintetizado durante mucho tiempo de la acción de un catalizador sobre el medio ambiente gaseoso procedente de la descomposición térmica de hidrocarburos se abren infinitas posibilidades para el campo del almacenamiento de datos. Estos nanotubos de carbono es el único material conocido por el hombre capaz de sustentar su propio peso de manera indefinida, dando a pensar que se puede construir herramientas útiles que requieran fuerzas tensiles extremas.

Nanotecnología en el almacenamiento de datos
Encaminándose hacia el mundo del almacenamiento de información, se ha logrado crear o tener un aproximación a un ordenador de tamaño nanometrico, ya que cerca de los años 1959 el físico Richard Feynman, en una legendaria y visionaria charla, sentó los cimientos de la nanotecnología, hablando de un futuro en el que máquinas diminutas podrían llevar a cabo prodigios o acciones increíbles sin importar su diminuto tamaño. Actualmente el equipo de Gina Adam y Dmitri Strukov, de la Universidad de California en Santa Bárbara, Estados Unidos, ha diseñado un dispositivo de computación funcional de tamaño nanométrico.
El concepto de esta computadora se basa en un circuito denso tridimensional que opera sobre un tipo de lógica no convencional. La nanocomputadora podría ocupar un espacio de tamaño no superior a 50 X 50 X 50 nanómetros. Un recurso esencial para este singular ordenador es el uso de memorresistores, que se define como elementos de circuito cuya resistencia depende de las cargas y direcciones más recientes de las corrientes que han fluido a través de ellos.

Imagen 1
Ilustración de memorresistores apilados en un conjunto cuyas dimensiones podrían cumplir las condiciones impuestas por el Gran Reto de Feynman.

La forma de computación empleada por este nanocomputador, las operaciones lógicas, y el almacenamiento de información suceden de forma simultánea y local. Esto reduce en gran medida la necesidad de componentes y espacio empleados habitualmente para llevar a cabo operaciones lógicas y desplazar datos entre el sitio donde se almacenan y el sitio donde se procesan. El resultado de la computación es almacenado inmediatamente en un elemento de memoria, lo cual evita la pérdida de datos en caso de cortes de energía, una función crítica en sistemas autónomos como los robots. Los investigadores han reconfigurado la arquitectura tradicional bidimensional del memorresistor, convirtiéndola en un bloque tridimensional, que podía después ser apilado y empaquetado con otros componentes en ese espacio de 50 nanómetros por cada lado.
Nanotubos de carbono
Una de los principales estructuras de la nanotecnología enfocada al almacenamiento de información son los nanotubos de carbono los cuales poseen propiedades y simetría únicas que determinan sus potenciales aplicaciones en campos que van desde la electrónica, almacenamiento de energía, sensores o biomedicina.
Por otro lado en cuanto a su estructura los nanotubos presentan diferentes estructuras en función de la orientación de los hexágonos del grafeno, es una sustancia formada por carbono puro, con átomos dispuestos en patrón regular hexagonal, similar al grafito, pero en una hoja de un átomo de espesor. Se considera 100 veces más fuerte que el acero y su densidad es aproximadamente la misma que la de la fibra de carbono, y es aproximadamente cinco veces más ligero que el aluminio, una lámina de 1 metro cuadrado pesa tan solo 0,77 miligramos, respecto del eje. Estos Presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser de monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas).

Esfera de fullereno
Las propiedades de los nanotubos dependen principalmente de los siguientes factores: el número de capas concéntricas que posee, la manera en que es enrollado y del diámetro del nanotubo. Estas son:
Propiedades electrónicas: Transportan bien la corriente eléctrica, pueden actuar con característica metálica, semiconductora o también superconductora.
Propiedades mecánicas: Uno de los materiales más duros conocidos (similar a los diamantes), presenta una altísima resistencia mecánica y una altísima flexibilidad.
Propiedades elásticas: Por su geometría, podría esperarse que los nanotubos sean extremadamente duros en la dirección del eje, pero por el contrario son flexibles a deformaciones perpendiculares al eje. La curvatura causa un aumento de energía: los nanotubos son menos estables que el grafito, y cuanto menor es el diámetro menor es la estabilidad. Para grandes deformaciones radiales, los nanotubos pueden ser inestables (colapso), esto ocurre principalmente para nanotubos de gran diámetro. Las características mecánicas de los nanotubos son superiores a las fibras de carbono; resistencia a deformaciones parciales, flexibilidad, etc. las cuales las hacen idóneas para muchas aplicaciones posibles.
Propiedades térmicas: Presenta altísima conductibilidad térmica en la dirección del eje del nanotubo.
El dióxido de silicio (sílice)
Uno de los componentes principales usado para los recubrimientos de nanoestructuras es el dióxido de silicio, el cual es uno de los compuestos más abundantes en el planeta. Es el principal componente de los materiales naturales como la arena y el cuarzo. Posee una estructura tetraédrica (figura 1).

Figura 1
Estructura tetraédrica del dióxido de silicio.

En color rojo se ilustran los átomos de oxígeno y en azul el átomo de silicio. Está conformada por 4 átomos de oxígeno y un átomo de silicio, que generan una red tridimensional muy resistente, pero a su vez variable, ya que el enlace formado entre el oxígeno y el silicio es flexible y su ángulo puede encontrarse entre 100° y 170°. La fabricación de nano-recubrimientos de dióxido de silicio se realiza mediante el proceso conocido como sol-gel, una técnica de polimerización inorgánica (figura 2).

Aquí una solución coloidal es sometida a diversos cambios químicos (hidrólisis, oxolación, olación) y físicos (envejecimiento y secado), para finalmente generar productos adaptables a cada tipo de necesidad. La función principal de la mayoría de los nano-recubrimientos de dióxido de silicio disponibles en el mercado, es brindar protección duradera y efectiva contra la humedad, las grasas y la contaminación, para cualquier tipo de material. Entre algunas de las ventajas que ofrece el óxido de silicio como material para la manufactura de recubrimientos están:
i) Son nano-recubrimientos invisibles al ojo humano y no alteran la percepción visual del material tratado.
ii) Protección contra la humedad, la grasa y la contaminación, esto como resultado de las modificaciones a nivel nanométrico que se realizan en las moléculas de dióxido de silicio.
iii) Pueden ser aplicados a una gran variedad de materiales, absorbentes y no absorbentes. Aunque el principio activo de estos recubrimientos sea siempre el dióxido de silicio, hay ciertos grupos de anclaje que son modificados para generar mayor afinidad con cada tipo de sustrato tratado.
iv) Se caracterizan por su baja toxicidad.
v) Son resistentes a los rayos solares y cambios de temperatura como ocurre con el cuarzo y la arena.
Para finalizar se mencionaran algunos más de los ejemplos más claros de la nanotecnología con respecto al almacenamiento de datos, entre ellos se encuentra SONOS, efecto de cuerpo flotante, T-RAM, Memristor, Memorias magnéticas y espintronica, entre otros.
En primer lugar SONOS cuyo significado es Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon es un tipo de memoria no volátil muy similar a las memorias FLASH (tecnología detrás de los pendrives, memorias SD y discos rígidos SSD), distinguiéndose de ésta por el uso de nitrato de silicio (SI3N4) en vez de polisilicio como material usado en la puerta flotante del transistor MOSFET en el que se basa el funcionamiento de la memoria. El polisilicio posee la desventaja de presentar pequeñas irregularidades en su superficie, necesitando entre 9 a 12 pasos en su fabricación, por lo que es un reto, además de costoso fabricar por debajo de los 55nm; en cambio el nitrato de silicio al poseer una superficie completamente plana, su fabricación en mucho más sencilla y por ende más barata, pudiendo llegar a fabricaciones por debajo de los 55nm fácilmente. Además, las memorias SONOS requieren entre 5 y 8 V, contra los 9 a 20 V de FLASH, aguantando hasta 100000000 ciclos de escritura antes de presentar errores, 1000 a 10000 veces más que las FLASH. Sin embargo el límite teórico de esta tecnología se encuentra entre los 7nm, por lo que sería una mejora momentánea.
Efecto de cuerpo flotante
El efecto de cuerpo flotante (floating body effect) es un efecto producido en la tecnología SOI (Silicon On Insulator). La tecnología SOI sustituye la fabricación de obleas de silicio mono-cristalino, por el uso de una capa de aislante entre dos capas de semiconductores adoptando una forma de sándwich, esto trae la ventaja de reducir las capacidades parásitas y gracias a ello pueden alcanzarse mayores frecuencias de trabajo y menores tamaños de fabricación en transistores. Pero junto a esto ocurre un pequeño efecto capacitivo, el llamado efecto de cuerpo flotante, que mientras para las memorias RAM convencionales puede causar una pérdida de datos, las TT-RAM (Twin Transistor RAM) y Z-RAM (Zero capacitor RAM) transforman esa desventaja en el pilar básico de su funcionamiento, ya que prescinden del capacitor usado en el tradicional modelo transistor-capacitor de las DRAM en pos de un transistor que puede almacenar energía mediante este efecto mencionado, pudiendo así cumplir las dos funciones al mismo tiempo. Gracias a esto la densidad de la memoria es casi del doble de las DRAM, o sea que teóricamente con un proceso de fabricación de 20nm como el del futuro DDR4, podrían tenerse memorias de hasta 64GB en un solo peine y además con velocidades más rápidas que las SRAM (memorias caché). Lamentablemente los costes de fabricación de los waffers SOI son muy altos por lo que pese a sus ventajas no han tenido una gran aceptación en la industria.
T - RAM
Las T-RAM son un tipo de memoria volátil desarrollada por © T-RAM Semiconductor Inc., que consiste en celdas de memorias compuestas por 1 solo tiristor basado en el efecto de resistencia diferencial negativa, también llamado efecto Gunn, que es un fenómeno que presentan ciertos materiales semiconductores que al aplicarles voltaje y llegar a un cierto umbral, la corriente en vez de aumentar disminuye, al contrario del funcionamiento de una resistencia normal; el tiristor PNPN recibe el nombre de TCCT (Thin Capacitively Coupled Thyristor). Gracias al efecto de resistencia negativa mencionado anteriormente, este nano-tiristor presenta un amplio margen de escritura, lo que reduce errores, aumenta las velocidades (1000 veces mayores que un tiristor convencional) y permite escalar su proceso de fabricación por debajo de los 22nm (las SRAM presentan una limitación por debajo de los 45nm), llegando a velocidades más rápidas que las SRAM y a densidades similares a las DRAM, además de presentar lectura no destructiva (la celda no pierde su contenido al leerse, como ocurre en DRAMs convencionales) y necesidad de energía solo en los procesos de lectura/ escritura, pudiendo quedar en estado de stand by con bajos consumos enegéticos. Como corolario, es compatible con las tecnologías de fabricación SOI y BULK, por lo que no representaría una gran inversión para la empresa.
N-RAM
La Nanotube RAM es una memoria de carácter no volátil, desarrollada por la empresa Nantero y entre sus características se encuentran:
Gran densidad.
Velocidades de escritura por el orden de los 20nanosegundos.
Duración de más de 1000 años a 30°C y más de 10 años a 300°C.
Resistencia a interferencias.
Bajo consumo de energía.
Posibilidad de fabricación 3D (varias capas de celdas).
Cada celda de memoria, denominada CNT, se compone de 2 electrodos conformados cada uno de ellos por nanotubos de carbono. Estos electrodos están separados uno de otro por unos pocos nanómetros restringiendo el paso de la corriente, formando un 0 (OFF), o estar adherido uno con otro permitiendo el paso de la corriente, formando un 1 (ON).

Para cambiar entre los estados, se aplica una tensión (que debe ser mayor a la de lectura) que provoca lo siguiente: 1. Si está en estado OFF, la corriente causa una atracción electrostática entre los electrodos uniéndolos y formando el estado ON. 2. Si está en estado ON, la corriente causa una excitación fonónica que provoca la separación de los electrodos formando el estado OFF.
La Universidad de Berkley ha desarrollado una memoria no volátil que se conforma de una nanopartícula de hierro encerrada dentro de un nanotubo de carbono, al aplicarse corriente la nanopartícula de desliza de un extremo al otro y dependiendo de su posición se lee un 1 o un 0.
CNT-MRAM
La memoria Carbon Nanotube Magnetoresistive RAM es un nuevo tipo de memoria no volátil magnetorresistiva (M-RAM) propuesto por el doctor Pramanik de la Universidad de Alberta, Canadá. Esta memoria funciona en base al fenómeno de magnetorresistencia que presentan los nanotubos de carbono, este fenómeno consiste en la propiedad de algunos materiales de variar su resistencia al ser sometidos a un campo magnético; según la resistencia que presente el nanotubo se considera un 0 o un 1. Sus ventajas son: mucha durabilidad (al no poseer partes mecánicas), bajo consumo, almacenamiento de 1Terabyte/centímetro² y bajo coste de fabricación.
Memristores
Los memristores pueden usarse en memorias, tomando como valor 1 a una resistencia elevada y como 0 a una baja resistencia, sin embargo al ser un componente analógico pueden almacenarse muchos valores en un solo memristor, aumentando claramente la densidad. Además, pueden funcionar como las neuronas, lo que daría un cambio en la concepción de la computación, ya que podrían asemejarse al funcionamiento de un cerebro orgánico, los cuales no poseen unidades de almacenamiento y proceso separadas como en la electrónica digital, además de darle a los robots capacidad de aprendizaje. Entre las memorias que se sirven de memristores están:
RRAM: La Resistive RAM es una memoria que está siendo desarrollada por HP en conjunto con Hynix con velocidades menores a 10 ns, durabilidad de más de 1 millón de años y bajo consumo energético, su salida está planeada para fines de 2013.
PRAM: La Phase-change RAM o también llamada memoria ovónica es una memoria no volátil que consiste en celdas de memoria compuestas de un vidrio cálcogeno similar al usado en los CD-ROM, capaz de cambiar de un estado cristalino de baja resistencia (1), a un estado amorfo de mayor resistencia (0) mediante la aplicación de corriente; podría considerarse como un semi-memristor debido a que solo posee 2 estados de variación de su resistencia.
Conclusión
Si llegásemos a pensar en una memoria universal, un dispositivo que sea capaz de ir a la par con los millones de datos que se generan día a día, y que incluso pueda llegar a un más lejos, hay que resaltar que no todos los mecanismos o estructuras nombradas anteriormente que son usadas en el desarrollo nanotecnológico del almacenamiento de información, son capaces de llegar a tal punto y es por esa misma razón que no se le da tanto protagonismo en este trabajo como a los nanotubos de carbono. Se dice que no son capaces de cumplir con esa denominación ya que estas solo permitirían ganar algo de tiempo en la carrera contra este y además, algunas de sus características no son las más favorables como por ejemplo un alto consumo del espacio debido a su volatilidad en el caso de SONOS, las T-RAM, entre otras. Son, en cambio, los nanotubos o los memristores los que brindan unas altas velocidades, densidades mayores y duraciones más extensas, las candidatas a ser esta memoria. Caben resaltar además otros tipos de estructuras más jóvenes en el campo de la nanotecnología y que por ello no hemos mencionado como por ejemplo las estructuras basadas en ADN que necesitan de condiciones muy especiales y largos tiempos de desarrollo y fabricación, que hacen imposible la implementación de estos, por lo menos a corto plazo. Esto nos hace pensar que tal vez en un futuro seamos capaces de andar por las calles con esta tecnología en nuestras manos, así como hace 100 años no pensábamos siquiera en despegar nuestros pies de la tierra o quizás hace 40 años donde no imaginaríamos que podríamos cargar toda nuestra información en un dispositivo de 5 cm.









Bibliografía


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