Computación
Magnones: El Futuro de los Chips de Bajo Consumo Energético
Computación por Magnones: Un Nuevo Camino hacia Chips de Bajo Consumo Energético
A medida que aumenta nuestra demanda de mayor potencia de cálculo, los métodos utilizados hasta ahora están quedando lentamente insuficientes. En particular, todos los chips basados en silicio, ya sean CPU, GPU u otros, tienden a consumir mucha energía.
Esta energía consumida se convierte en calor, que debe disiparse de los servidores de centros de datos, de lo contrario pueden dañar los componentes electrónicos.
Esto hace que el suministro de energía y la refrigeración se conviertan en las principales limitaciones para los nuevos centros de datos de IA, tanto o más que el desarrollo y suministro de chips avanzados.
Una forma de reducir el consumo energético de la computación es adoptar la espintrónica, que utiliza los espines de los electrones para realizar cálculos. Esta es una tecnología ya utilizada en discos duros y almacenamiento de datos, pero que está acercándose rápidamente a la aplicación comercial en la computación.
Un nuevo paso hacia este objetivo ha sido dado por investigadores de la Universidad de Delaware y la Universidad de Maryland. Descubrieron cómo las ondas de espín pueden convertirse en corriente eléctrica, revelando un camino hacia una comprensión más profunda de los materiales magnéticos.
Publicaron sus hallazgos en PNAS1, bajo el título “Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects”.
Ventajas de la Espintrónica y Aplicaciones Potenciales
Los componentes electrónicos, como los transistores, se construyen tradicionalmente con silicio y dependen de los semiconductores. Las señales 0 y 1 en binario indican el paso o bloqueo de una corriente eléctrica.
Una forma alternativa de realizar cálculos es mediante dispositivos espintrónicos, que funcionan con el espín de los electrones (una característica cuántica fundamental) en lugar de la corriente eléctrica (el flujo de electrones).
Fuente: Insight IAS
Los datos pueden codificarse tanto en el momento angular de espín, que puede imaginarse como una orientación “arriba” o “abajo” incorporada del electrón, como en el momento angular orbital, que describe cómo los electrones se mueven alrededor de los núcleos atómicos.
Debido a que esto contiene más información que solo 0 y 1, el espín puede almacenar más datos por átomo que la electrónica tradicional.
La espintrónica tiene algunas otras ventajas sobre los sistemas electrónicos clásicos, notablemente:
- Datos más rápidos, ya que el espín puede cambiarse mucho más rápido.
- Menor consumo de energía, ya que el espín puede cambiarse con menos potencia que la necesaria para mantener un flujo de electrones que genere una corriente.
- Se pueden usar metales simples en lugar de materiales semiconductores complejos.
- El espín es menos volátil que el estado del semiconductor, lo que hace que el almacenamiento de datos sea más estable.
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| Característica | Electrónica Tradicional | Espintrónica |
|---|---|---|
| Portador de Información | Corriente eléctrica (0 o 1) | Espín del electrón (arriba/abajo) |
| Eficiencia Energética | Alta demanda de energía | Uso de energía menor |
| Velocidad | Limitada por el flujo de corriente | Conmutación de espín más rápida |
| Materiales | Semiconductores complejos | Metales/óxidos simples |
| Estabilidad de Datos | Almacenamiento volátil | Estable, no volátil |
La espintrónica ya se utiliza en discos duros y ha permitido que la capacidad de almacenamiento de datos crezca durante la última década.
“El espín es una propiedad mecánico-cuántica de los electrones, que es como un pequeño imán transportado por los electrones, apuntando hacia arriba o hacia abajo.
Podemos aprovechar el espín de los electrones para transferir y procesar información en los llamados dispositivos espintrónicos.
Talieh Ghiasi – Investigador Postdoctoral en la Universidad Tecnológica de Delft
Controlando Magnones para la Espintrónica de Próxima Generación
Magnones Explicados
Los investigadores se centraron en las corrientes de espín, también llamadas magnones, que actúan como una onda magnética, moviendo los espines de los electrones a lo largo de su camino.
Fuente: Hubpage
Los magnones son la parte clave de los posibles dispositivos espintrónicos. Esto se debe a que, mientras los propios electrones permanecen estacionarios al pasar los magnones, no se genera calor que disipar, el principal factor limitante en los chips de silicio.
En este estudio, los investigadores descubrieron que el transporte de magnones puede inducir una polarización eléctrica medible. Utilizaron un material estructurado como un panal compuesto de níquel-fósforo-selenio (NiPSe3).
Descubrieron que la polarización eléctrica neta inducida es aproximadamente 1.000 veces mayor que la de materiales previamente utilizados, como el manganeso-fósforo-azufre (MnPS3).
Más Allá de las Corrientes de Espín
Anteriormente, otros equipos de investigación descubrieron que los magnones pueden usarse para convertir la pérdida de espín en energía, aumentando enormemente la eficiencia de los sistemas espintrónicos. Otros avances en espintrónica quiral y en redes de ondas de espín escalables también aportaron prometedoras mejoras a los posibles futuros ordenadores basados en espintrónica.
Este estudio va aún más lejos al demostrar que los magnones, a pesar de su neutralidad de carga, pueden inducir polarización eléctrica mediante sus momentos de espín y orbital.
El mecanismo funciona a través del “Efecto Nernst”, la creación de un campo eléctrico cuando un material se somete simultáneamente a un gradiente de temperatura y a un campo magnético.
Más importante aún, también descubrieron que la polarización eléctrica neta puede controlarse mediante campos magnéticos externos (un método llamado hibridación de magnones).
Estos hallazgos revelan que los campos eléctricos podrían usarse tanto para detectar como para manipular magnones bajo ciertas condiciones, aprovechando sus momentos de espín y angular orbital.
Hacia un Modelo Unificado de Computación Magnética
Este descubrimiento se basó en trabajos previos del mismo equipo que buscaban crear una comprensión unificada del espín, los magnones y las órbitas de los electrones en conjunto.
Este último descubrimiento puede convertir los magnones de fenómenos interesantes subyacentes a la espintrónica en efectos totalmente controlables, mediante campos magnéticos.
También crea un marco teórico que será útil más adelante para descubrir o diseñar materiales con momentos orbitales de magnón sustanciales, facilitando la manipulación a voluntad de sus propiedades magnónicas.
Así, aunque los chips espintrónicos aún no están listos para integrarse rutinariamente en centros de datos y ordenadores de IA, están avanzando rápidamente hacia una comprensión unificada, tanto a nivel teórico como de ingeniería práctica.
A su vez, esto podría tener importantes implicaciones para cómo construimos la próxima generación de ordenadores tanto clásicos como cuánticos.
Mientras tanto, la espintrónica ya es utilizada por empresas para construir electrónica de memoria y sensores, y podrían ser fundamentales para crear chips espintrónicos más avanzados en el futuro.
Invertir en Espintrónica
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin es una rama de Freescale (ahora conocida como NXP
(NXPI )) dedicada al desarrollo de sistemas de memoria MRAM. Se escindió de Freescale y realizó su OPI en 2016.
Everspin es considerada la líder en tecnología MRAM (Memoria de Acceso Aleatorio Magnetorresistiva), heredando la experiencia de Freescale de haber sido la primera en comercializar un chip MRAM en 2006.
Debido a que la MRAM es una memoria que persiste incluso sin corriente, se utiliza cada vez más en casos de uso sensibles donde los datos críticos son demasiado importantes para arriesgar su pérdida.
Impulsado por aplicaciones omnipresentes como análisis de datos, computación en la nube, tanto terrestre como extraterrestre, inteligencia artificial (IA) y Edge AI, incluido el IoT industrial, se proyecta que el mercado de memoria persistente crezca a una tasa compuesta anual (CAGR) del 27,5% entre 2020 y 2030
Fuente: Everspin
La empresa estima que el mercado alcanzará un tamaño de 7,4 mil millones de dólares para 2027. La compañía no ha tenido deudas y ha generado flujo de caja libre positivo desde 2021.
Los productos MRAM de Everspin actualmente ocupan un nicho pequeño pero en crecimiento, sirviendo a mercados donde la fiabilidad es crucial, como aeroespacial, satélites, registradores de datos, dispositivos de monitorización de pacientes, etc.
Fuente: Everspin
El crecimiento de los conjuntos de chips, IA y sistemas sinápticos también podría ser un impulso a largo plazo para la empresa.
2. NVE Corporation
(NVEC )
Otro líder en espintrónica, NVE ha trabajado en esta tecnología desde su primera patente en tecnología MRAM en 1995. Produce sensores y aisladores espintrónicos, utilizados principalmente en sistemas de medición y sensores para automóviles, engranajes, dispositivos médicos, fuentes de alimentación y otros dispositivos industriales.
Fuente: NVE
Esto coloca a NVE en una categoría algo diferente a la de Everspin, siendo NVE más una empresa industrial con una posición fuerte en un mercado nicho (magnetómetro que utiliza espintrónica), mientras que Everspin es más una compañía de memoria/computación que compite con empresas como Intel, Qualcomm, Toshiba y Samsung, que también están desarrollando su propio producto MRAM.
Esto puede hacer que la acción sea más (o menos) atractiva según los perfiles de los inversores, siendo la acción de NVE más propensa a atraer a inversores conservadores que buscan un rendimiento de dividendos y seguridad.
Estudio Referenciado
1. D.Quang To, Federico Garcia-Gaitan, Yafei Ren, et al. Polarización eléctrica inducida por magnones y efectos Nernst de magnones. PNAS. 23 de octubre de 2025. https://doi.org/10.1073/pnas.2507255122
