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Redes neuronales con ‘grafeno blanco’ de origen español

Mario Lanza, portada este mes de ‘Nature Electronics’, logra fabricar un dispositivo con ‘grafeno blanco’ que puede albergar la próxima generación de la inteligencia artificial

26 OCT. 2020
10 minutos
El líder de la investigación publicada en ‘Nature Electronics’, Mario Lanza.
El líder de la investigación publicada en ‘Nature Electronics’, Mario Lanza.

La investigación es así, a veces se obtienen los resultados esperados y otras solo genera frustración. Pocas, muchas menos de lo deseado por cualquier científico, se produce un avance disruptivo que rompa con el statu quo, que cambie las cosas de verdad, que dé un salto exponencial hacia el futuro. Pues el ingeniero electrónico español Mario Lanza acaba de conseguir ese adelanto singular. Su último trabajo en su laboratorio de la Universidad de Suzhou (China) ha protagonizado la portada de este mes de la prestigiosa revista Nature Electronics, la mejor del mundo en el campo de la electrónica.  

Para llamar la atención de la comunidad científica mundial se necesitan concentrar varios elementos: incorporar materias o tecnologías que estén en boga, llevar a cabo un experimento único que sea capaz de poner patas arriba el orden establecido y, obviamente, obtener resultados positivos. Lanza ha reunido los tres requisitos. "Hemos puesto todos los temas de moda juntos y nos ha salido una cosa muy guay", comenta a INNOVADORES por videoconferencia. 

Usa materiales bidimensionales para romper la arquitectura Von Neumann

Esta especie de cóctel perfecto contiene ingredientes tales como el ‘grafeno blanco’, las redes neuronales artificiales o los memristores. Juntos, en esta investigación liderada por el ingeniero español, dan la combinación perfecta. Vayamos parte por parte. 

La primera, el ‘grafeno blanco’. Los materiales bidimensionales (con uno o varios átomos de espesor), como el grafeno, El trabajo encaja a la perfección con la iniciativa científica Graphene Flagship de la Unión Europea, que tiene el objetivo de llevar materiales bidimensionales a aplicaciones comerciales. Sin embargo, no es una tarea fácil, ya que los dispositivos fabricados con estos materiales normalmente muestran mejores prestaciones si se hacen de forma manual uno a uno, utilizando un método llamado exfoliación mecánica. Según Lanza, "esto es muy lento e incompatible con la industria, ya que no permite producir dispositivos en masa".

El grupo que lidera Lanza ha fabricado circuitos de alta densidad que contienen miles de dispositivos creados a partir de un material bidimensional llamado nitruro de boro hexagonal (también conocido como ‘grafeno blanco’). "Se trata de un grafeno que es aislante de la electricidad", explica. 

Además, han sido capaces, por primera vez, de reportar estadísticas de rendimiento y la variabilidad. "Normalmente, la gente mide uno, dos o 10 y escribe un artículo; pero no dice ni cuántos han medido ni cuántos han funcionado y tampoco aclaran cuál es la variabilidad de sus parámetros más importantes», comenta. Sin embargo, el grupo dirigido por el español ha medido grandes cantidades de dispositivos y ha conseguido que el 98% funcione correctamente, algo que «se creía imposible hace menos de un años". 

De ahí que Graphene 2020, "la conferencia sobre materiales bidimensionales más prestigiosa del mundo", haya elegido a Lanza para su charla inaugural que tuvo lugar este pasado 19 de octubre. "Ha sido un reconocimiento muy grande, no me lo esperaba", reconoce.

La segunda, los memristores. Los circuitos diseñados por Lanza no contienen componentes convencionales. "Para este trabajo hemos diseñado matrices de memristores". No te asustes por el nombre, aunque hoy son unos completos desconocidos para el común de los mortales, tienen muchas opciones de convertirse en el futuro de la electrónica. Cada uno es una celda-unidad, que permite procesar o almacenar información, tanto de forma digital (unos y ceros) como de forma analógica. Pues bien, al integrar ‘grafeno blanco’ en estos dispositivos el equipo de Lanza ha conseguido reducir enormemente su consumo. "Hemos fabricado unos dispositivos cuya energía de conmutación es 1.000 veces inferior al récord anterior y que se acerca a los límites fundamentales de la física". Además, han conseguido transiciones progresivas entre multiples estados, los cuales muestran una buena estabilidad. 

Hacia la red neuronal

La tercera vertiente en auge donde ha entrado el equipo de Lanza tiene que ver con las redes neuronales. Imaginemos un ordenador convencional. Cualquiera. Todos están formados por dos partes: la CPU, que se encarga de procesar la información, y la memoria, que la almacena. Esta es la arquitectura Von Neumann, que ha dominado la electrónica desde mitad del siglo pasado. Pero, aunque durante este tiempo ha cumplido su papel, se empiezan a percibir sus limitaciones, sobre todo, en cuanto a velocidad y consumo de energía. Por ejemplo, no es suficiente para que la inteligencia artificial logre alcanzar todo su potencial.

"Existe una arquitectura computacional mucho más eficiente que son las redes neuronales, como las del cerebro humano", adelanta Lanza. Tanto el almacenamiento como el procesamiento se ejecutan en el mismo dispositivo, sin distinciones entre CPU y memoria. Grandes empresas como IBM, HP o Samsung están intentando dar ese salto. ¿Cómo? Hay "muchas maneras" de hacerlo y -aquí es donde el puzle termina de encajar- una de las más eficientes es asociando memristores. El problema es que las prestaciones de los que están fabricados con materiales tradicionales no son suficientes. Sin embargo, sus memristores de ‘grafeno blanco’ son «idelaes para la implementación de redes neuronales artificiales". Y han demostrado que funciona. Los investigadores han entrenado una red neuronal realizando operaciones de identificación de imágenes y, sorpresa, "distingue el 98% de ellas". 

No es un avance baladí. Hasta ahora, los dispositivos con materiales bidimensionales se habían utilizado únicamente en aplicaciones simples, pero ellos han elegido el uso "más difícil posible". ¿Por qué? "Porque las redes neuronales artificiales y la inteligencia artificial en general realmente pueden mejorar la calidad de vida de las personas en muchos aspectos, como la economía, el bienestar y la seguridad", subraya Lanza.

"Ahora mismo los fondos para investigación en este campo son prácticamente ilimitados, al menos en China y Estados Unidos". Una empresa líder en el campo de la nanoelectrónica ya ha mostrado interés en implementar los memristores de ‘grafeno blanco’ ideados por Lanza en sus prototipos, que ahora espera "poder ajustar las prestaciones aún más para generalizar su uso en otras aplicaciones".

Para el ingeniero español este artículo ha sido el broche de oro que cierra una etapa de siete años en China, ya que acaba de fichar por la prestigiosa Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdalá (KAUST, por sus siglas en inglés), en Arabia Saudí. Allí dirigirá un laboratorio de nanoelectrónica aplicada y dispondrá de los fondos necesarios para seguir optimizando sus prototipos. "Los laboratorios de KAUST son de los mejores del planeta, al mismo nivel que los que usé en la Universidad de Stanford cuando hice mi postdoctorado, si no mejores", comenta. "Estoy seguro de que será una experiencia muy interesante y productiva".