No hay duda de que la revolución de la tecnología de la información ha mejorado nuestras vidas. Pero a menos que encontremos una nueva forma de tecnología electrónica que utilice menos energía, la informática se verá limitada por una "crisis energética" en las próximas décadas.

Incluso los eventos más comunes de nuestra vida diaria:hacer una llamada telefónica, enviar un mensaje de texto o consultar un correo electrónico:utilice la potencia informática. Algunas tareas, como ver videos, requieren mucho procesamiento, y por tanto consume mucha energía.

Debido a la energía requerida para alimentar el masivo, centros de datos y redes del tamaño de una fábrica que conectan Internet, la informática consume ya el 5% de la electricidad mundial. Y esa carga de electricidad se duplica cada década.

Afortunadamente, hay nuevas áreas de la física que prometen una reducción masiva del uso de energía.

El fin de la ley de Moore

Los seres humanos tienen una demanda insaciable de potencia informática.

Teléfonos inteligentes por ejemplo, se han convertido en uno de los dispositivos más importantes de nuestras vidas. Los usamos para acceder a las previsiones meteorológicas, trazar la mejor ruta a través del tráfico, y mira la última temporada de nuestra serie favorita.

Y esperamos que nuestros teléfonos inteligentes sean aún más potentes en el futuro. Queremos que traduzcan el idioma en tiempo real, transportarnos a nuevas ubicaciones a través de la realidad virtual, y conectarnos al "Internet de las cosas".

La informática necesaria para hacer realidad estas funciones no ocurre realmente en nuestros teléfonos. Más bien, está habilitado por una enorme red de torres de telefonía móvil, Redes Wi-Fi y masivas, centros de datos del tamaño de una fábrica conocidos como "granjas de servidores".

Durante las últimas cinco décadas, Nuestra creciente necesidad de computación fue satisfecha en gran medida por mejoras incrementales en los sistemas convencionales, tecnología informática basada en silicio:cada vez más pequeña, cada vez más rápido, chips cada vez más eficientes. Nos referimos a esta constante contracción de los componentes del silicio como "Ley de Moore".

La ley de Moore lleva el nombre del cofundador de Intel, Gordon Moore, quien observó que:"el número de transistores en un chip se duplica cada año, mientras que los costos se reducen a la mitad".

Pero a medida que llegamos a los límites de la física y la economía básicas, La ley de Moore está disminuyendo. Podríamos ver el final de las ganancias de eficiencia utilizando tecnología basada en silicio a partir de 2020.

Nuestra creciente demanda de capacidad informática debe satisfacerse con ganancias en eficiencia informática, de lo contrario, la revolución de la información se ralentizará debido al hambre de poder.

Lograr esto de manera sostenible significa encontrar una nueva tecnología que utilice menos energía en la computación. Esto se conoce como una solución "más allá de CMOS", en el sentido de que requiere un cambio radical de la tecnología CMOS (semiconductores de óxido metálico complementario) basada en silicio que ha sido la columna vertebral de la informática durante las últimas cinco décadas.

¿Por qué la informática consume energía en absoluto?

El procesamiento de información requiere energía. Cuando utilice un dispositivo electrónico para ver televisión, escuchar música, modelar el clima o cualquier otra tarea que requiera el procesamiento de información, hay millones y millones de cálculos binarios en segundo plano. Hay ceros y unos volteados, adicional, multiplicado y dividido a velocidades increíbles.

El hecho de que un microprocesador pueda realizar estos cálculos miles de millones de veces por segundo es exactamente la razón por la que las computadoras han revolucionado nuestras vidas.

Pero el procesamiento de la información no es gratuito. La física nos dice que cada vez que realizamos una operación, por ejemplo, sumando dos números, debemos pagar un costo de energía.

Y el costo de hacer cálculos no es el único costo energético de hacer funcionar una computadora. De hecho, Cualquiera que haya usado una computadora portátil en equilibrio sobre sus piernas dará fe de que la mayor parte de la energía se convierte en calor. Este calor proviene de la resistencia que encuentra la electricidad cuando fluye a través de un material.

Es esta energía desperdiciada debido a la resistencia eléctrica lo que los investigadores esperan minimizar.

Los avances recientes apuntan a soluciones

Ejecutar una computadora siempre consumirá algo de energía, pero estamos muy lejos (varios órdenes de magnitud) de las computadoras que son tan eficientes como lo permiten las leyes de la física. Varios avances recientes nos dan la esperanza de encontrar soluciones completamente nuevas a este problema a través de nuevos materiales y nuevos conceptos.

Materiales muy delgados

Un paso reciente en la física y la ciencia de los materiales es poder construir y controlar materiales que tienen solo uno o unos pocos átomos de espesor. Cuando un material forma una capa tan fina, y el movimiento de los electrones se limita a esta hoja, es posible que la electricidad fluya sin resistencia.

Hay una variedad de materiales diferentes que muestran esta propiedad (o pueden mostrarla). Nuestra investigación en el ARC Center for Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) se centra en el estudio de estos materiales.

El estudio de las formas

También hay un emocionante salto conceptual que nos ayuda a comprender esta propiedad del flujo eléctrico sin resistencia.

Esta idea proviene de una rama de las matemáticas llamada "topología". La topología nos dice cómo comparar formas:qué las hace iguales y qué las hace diferentes.

Imagina una taza de café hecha de arcilla blanda. Puede aplastar y apretar lentamente esta forma hasta que parezca una rosquilla. El agujero en el asa de la taza se convierte en el agujero en la rosquilla, y el resto de la taza se aplasta para formar parte de la rosquilla.

La topología nos dice que las rosquillas y las tazas de café son equivalentes porque podemos deformar una en la otra sin cortarla, haciéndole agujeros, o uniendo piezas.

Resulta que las extrañas reglas que gobiernan cómo fluye la electricidad en capas delgadas pueden entenderse en términos de topología. Esta idea fue el tema central del Premio Nobel de 2016, y está impulsando una enorme cantidad de investigación actual en física e ingeniería.

Queremos aprovechar estos nuevos materiales y conocimientos para desarrollar la próxima generación de dispositivos electrónicos de baja energía. que se basará en la ciencia topológica para permitir que la electricidad fluya con una resistencia mínima.

Este trabajo crea la posibilidad de una continuación sostenible de la revolución de las tecnologías de la información, sin el enorme coste energético.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.