lunes, 5 de enero de 2015

Cerebros de silicio

Brain Art, por Ars Electronica

El cerebro es un órgano ciertamente complejo y fascinante. Está formado por millones de neuronas interconectadas por sinapsis. Cada neurona puede establecer sinapsis con miles de compañeras, y los vínculos se pueden reforzar o debilitar en función de su actividad (plasticidad sináptica).
Aún no somos capaces de crear análogos artificiales o simulaciones que reproduzcan el funcionamiento del cerebro. Sin embargo, últimamente se están produciendo avances en esa dirección. ¿Y para qué queremos un cerebro artificial? En primer lugar, para tener un banco de pruebas para investigar las enfermedades que afectan al cerebro. Además, el inmenso reto que supone conlleva inevitablemente la invención de nuevos paradigmas electrónicos, que al igual que lo hiciera el transistor, supondrán una revolución en nuestras vidas cotidianas.

Transistiendo, que es gerundio

Ya antes del siglo XX existían máquinas mecánicas capaces de realizar cálculos, como la calculadora de Pascal o la máquina analítica de Babbage. El primer computador electrónico fue el ENIAC, construido en 1946, diseñado para la construcción de la bomba de hidrógeno. Su componente fundamental eran las válvulas de vacío, unos dispositivos de gran tamaño que se basaban en el efecto termoiónico, por lo que para funcionar necesitaban calentarse con los consiguientes problemas de consumo y de averías (incluyendo los bichos que se veían atraídos).
Válvulas de vacío en la parte trasera del ENIAC

El gran avance que nos llevó de los computadores que ocupaban habitaciones enteras hasta el estado de la tecnología actual, donde tenemos un potente ordenador en cada rincón, fue la invención del transistor. El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor (ya nos encontramos con los semiconductores en la entrada sobre el LED) capaz de realizar las mismas funciones que una válvula de vacío, pero con un tamaño muchísimo menor (actualmente de unos pocos nanómetros) y de forma mucho más eficiente. Originariamente se usaban transistores bipolares de unión (BJT por sus siglas en inglés), cuya estructura es similar a la de un diodo pero con una región de semiconductor adicional. Actualmente se ha impuesto otro tipo de transistores, basados en el efecto de campo (FET).

Los transistores FET son, básicamente, la evolución de los condensadores de placas planoparalelas. Un condensador está formado por dos placas de metal separadas por un aislante. Al aplicar un potencial eléctrico entre las dos placas, se crea un campo eléctrico en el aislante, pero en el interior del metal no puede haber campo. Para apantallarlo, aparecen cargas eléctricas en la superficie (solo la superficie) de las placas, de signo opuesto. Que quede bien claro que, por efecto del aislante, es imposible que circule ninguna corriente por el dispositivo.
En un transistor FET se sustituye una de las placas de metal por semiconductor, formando la estructura MOS: Metal-Óxido-Semiconductor (el aislante empleado suele ser óxido de silicio, de ahí el nombre. Como semiconductor se usa silicio impurificado, y como metal, polisilicio. En la variedad está el gusto...). El terminal conectado al metal se llama puerta [G], y el que está conectado al semiconductor, cuerpo [B]. En los MOSFET canal-N el semiconductor tiene impurificaciones tipo P, y en los canal-P tiene impurificaciones tipo N - Hay una razón lógica para este trabalenguas un poco más abajo. 
A diferencia de los metales, los semiconductores sí admiten un campo eléctrico en su interior, y actúa creando una redistribución de carga en las cercanías de la frontera. Eligiendo sabiamente el sentido de la tensión y su magnitud, es incluso posible que una parte del material que antes era P (N) ahora sea N (P). Si esto ocurre, diremos  que se ha creado un canal P (N) - y de ahí tanto lío con los nombres.
Estructura de un transistor MOSFET canal-N y símbolos electrónicos



















Una vez que podemos controlar a voluntad el tipo de semiconductor que tenemos, es fácil usarlo como resistencia variable, o incluso como un interruptor controlado por voltaje. Para ello, solo hay que poner, en perpendicular a la dirección del campo, en ambos extremos del semiconductor otro material semiconductor opuesto (estos terminales se llaman fuente [S] y drenador [D], habitualmente la fuente y cuerpo están conectados): cuando no haya canal, las uniones entre semiconductores se comportan como diodos, por lo que no permiten el paso de la corriente (región de corte), mientras que al crearse  el canal, la corriente que circula depende de la tensión entre los terminales de fuente y drenador (región de triodo). Hay otra opción, y es que haya canal en partes del semiconductor, y en otras partes no lo haya; entonces puede circular la corriente, pero está controlada por la tensión entre puerta y base (región de saturación).

El transistor en la región de saturación es capaz de amplificar señales de corriente alterna (por la conservación de la energía, obviamente, necesita una fuente de energía adicional a la señal). Por otra parte, si se restringe su funcionamiento a las regiones de corte y triodo, se puede conseguir que la salida del transistor solo pueda tomar dos valores. Esto se aprovecha para la construcción de puertas lógicas: los bloque básicos que operan con la información digital. La tecnología actual es CMOS, lo que significa que combina transistores canal-N y canal-P para minimizar el consumo energético.

Un cerebro en el laboratorio

Ahora que ya tenemos los transistores, podemos construir un ordenador. Si estás leyendo esto, creo que es un prueba suficiente de que es posible. Y con los ordenadores podemos simular cualquier cosa, ¿no? Pues, ¿por qué no simulamos un cerebro? La respuesta es que es terriblemente costoso. Hay en marcha proyectos (como Human Brain Project) que utilizando los más potentes supercomputadores y modelos para el funcionamiento de las sinapsis bastante simplificados, son capaces de simular sistemas con miles o incluso millones de neuronas. Pero de ahí a un cerebro completo, aún queda mucho.
La otra vía es construir dispositivos electrónicos que se comporten como neuronas. También hay líneas de investigación en esa dirección. Para ello, un equipo de la Universidad de Harvard ha sustituido en los transistores FET los semiconductores tradicionales por niquelato de samario (SmNiO3). Este material presenta interacciones muy fuertes entre los electrones y los fonones de la red, lo que causa que tenga un rango de resistividad muy amplio, y que puede ser controlado por la resistividad de los materiales que estén en contacto con él. De este modo, se puede simular el reforzamiento o debilitamiento de las sinapsis, que es la base del aprendizaje. De momento solo son posibles circuitos de unas pocas neuronas (aunque con un comportamiento mucho más fidedigno que las simulaciones informáticas), pero ya se ha conseguido recrear el condicionamiento a un estímulo.

Para más información

Theodore M. Wong et al.: IBM Research Report:1014