Creando circuitos autorreparables indestructibles - principal


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Imagine que los chips de su teléfono inteligente o computadora se pudiesen reparar y defenderse sobre la marcha, recuperándose en microsegundos de problemas desde una batería no muy ideal a una falla total de un transistor. Puede sonar como ciencia ficción, pero un equipo de ingenieros del Instituto de Tecnología de California (Caltech), por primera vez, ha desarrollado uno de esos chips integrados auto-sanables

El equipo, formado por miembros del Laboratorio de Circuitos Integrados de Alta Velocidad en la división de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech, ha demostrado esta capacidad de auto-sanación en pequeños amplificadores de potencia. Los amplificadores son tan pequeños, de hecho, que 76 de estos chips —incluyendo todo lo necesario para la auto-sanación— cabrían en una moneda de un centavo de dólar (19 mm). En el que sería el más dramático de sus experimentos, el equipo destruyó varias partes de sus chips disparándoles varias veces con un láser de alta potencia, y luego observó cómo los chips desarrollaban automáticamente una solución en menos de un segundo.

“Fue increíble la primera vez que el sistema fue impactado y se reparó a sí mismo. Me sentí como si estuviéramos presenciando el paso siguiente en la evolución de los circuitos integrados”, dijo Ali Hajimiri, profesor de Ingeniería Eléctrica en Caltech. “Literalmente habíamos vaporizado la mitad del amplificador y muchos de sus componentes, tales como los transistores, y pudo recuperarse hasta casi su rendimiento óptimo”.

Los resultados del equipo son presentados en la edición de marzo de IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.

Hasta ahora, ni una solo falla ha dejado un chip de circuito integrado completamente inútil. Los ingenieros de Caltech quería dotar a los chips de circuitos integrados una capacidad de curación similar a la de nuestro propio sistema inmune; capaz de detectar y responder rápidamente a cualquier cantidad de agresiones posibles con el fin de mantener el sistema funcionando de manera óptima. El amplificador de potencia que idearon emplea una multitud de robustos sensores de temperatura en chip que monitorean corriente, voltaje y potencia. La información de estos sensores se alimenta en un circuito integrado de diseño especial hecho específicamente para la aplicación en el mismo chip, el procesador central que actúa como “cerebro” del sistema. El cerebro analiza el rendimiento general del amplificador y determina si se necesita ajustar cualquiera de los actuadores del sistema; las partes recambiables del chip.

Curiosamente, el cerebro del chip no funciona basado en algoritmos que sepann cómo responder a cada situación posible. En su lugar, se extraen conclusiones sobre la base de la respuesta global de los sensores. “Usted le dice al chip de los resultados que quiere obtener y deja que encuentre la manera de producir esos resultados”, dice Steven Bowers, un estudiante graduado en el laboratorio de Hajimiri y autor principal del nuevo estudio. “El desafío es que hay más de 100.000 transistores en cada chip. No sabemos todas las cosas que pueden salir mal, y no hace falta. Hemos diseñado el sistema de una manera tan general que encuentra el estado óptimo para todos los accionadores en cualquier situación sin intervención externa.”

Observando 20 chips diferentes, el equipo encontró que los amplificadores con capacidad de auto-sanación consumián la mitad de la potencia de aquellos que no la tienen, y su desempeño general fue mucho más predecible y reproducible. “Hemos demostrado que la auto-reparación aborda cuatro clases muy diferentes de problemas”, dice Kaushik Dasgupta, otro estudiante graduado que también trabaja en el proyecto. Entre las clases de problemas se incluye la variación estática producto de la variación en los componentes, los problemas de envejecimiento a largo plazo que surgen gradualmente cuado el uso repetido cambia las propiedades internas del sistema, y las variaciones a corto plazo inducidas por las condiciones ambientales tales como cambios en la carga, temperatura, y las diferencias en la tensión de alimentación, y, finalmente, la destrucción catastrófica deliberada o accidental de partes de los circuitos.

El equipo de Caltech eligió para demostrar esta capacidad de auto-sanación un amplificador de potencia para frecuencias de ondas milimétricas. Estos chips integrados de alta frecuencia están en la vanguardia de la investigación y son útiles para la próxima generación de comunicaciones, imágenes, sensores y aplicaciones de radar. Demostrando una capacidad de auto-sanación funcionando bien en un sistema tan avanzado, los investigadores esperan mostrar que el enfoque de auto-curación puede ser extendido a prácticamente cualquier otro sistema electrónico.

“Brindar este tipo de sistema inmune electrónico a los chips de circuito integrado abre un mundo de posibilidades”, dice Hajimiri. “Es realmente un cambio en la manera de ver los circuitos y su capacidad para operar de forma independiente. Ahora pueden diagnosticar y solucionar problemas por sí mismos sin intervención humana, dando un paso más cerca de los circuitos indestructibles”.

Junto con Hajimiri, Bowers y Dasgupta, el ex erudito postdoctoral de Caltech Kaushik Sengupta (PhD ’12), quien es ahora un profesor asistente en la Universidad de Princeton, es también co-autor del artículo “Integrated Self-Healing for mm-Wave Power Amplifiers”. Un informe preliminar de este trabajo ganó el premio al mejor trabajo en el 2012 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium. El trabajo fue financiado por la Defense Advanced Research Projects Agency y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EEUU.

Hay que decirlo: es estremecedor pensar que este es un gran paso a una evolución circuital similar a los seres vivos: sólo hace falta que la autorreparación no sea perfecta, es decir, que sume defectos que puedan convertirse en ventajas en sistemas que compitan entre sí… Y estaremos al borde de la llegada Skynet.

Fuente: Science Daily. Aportado por Eduardo J. Carletti

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