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Incorporan la fotónica a la fabricación de microprocesadores

Las comunicaciones ópticas resolverán el problema de sobrecalentamiento de la cada vez mayor densidad de los transistores en la electrónica


Científicos estadounidenses han conseguido incorporar la fotónica (comunicación mediante ondas de luz) al proceso de fabricación de los microprocesadores. De ese modo, podrán solventar de manera barata, y sin tener que rehacer las infraestructuras existentes, el problema de recalentamiento provocado por la cada vez mayor densidad de transistores de los aparatos electrónicos. Las comunicaciones ópticas son más eficientes energéticamente que las comunicaciones por cables, y además transmiten mejor los datos.





Los transistores cada vez ocupan menos espacio, lo cual provoca sobrecalentamientos. Fuente: Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.).
Los transistores cada vez ocupan menos espacio, lo cual provoca sobrecalentamientos. Fuente: Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.).
Un par de avances en el campo de la fotónica de silicio conseguidos por investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder (EE.UU.), del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y de la empresa Micron Technology podría hacer que la mejora exponencial de los microprocesadores iniciada hace casi medio siglo - conocida como Ley de Moore - continúe en el futuro.

De esta manera, los aparatos electrónicos, desde los superordenadores a los ordenadores portátiles y los teléfonos inteligentes, serán cada vez más rápidos.

El equipo de investigación, dirigido por el investigador de la Universidad de Colorado, Milos Popovic, desarrolló una nueva técnica que permite a los microprocesadores utilizar la luz, en lugar de los cables eléctricos, para comunicarse con los transistores en un solo chip, un sistema que podría dar lugar a una informática extremadamente eficientes y una continua subida de su velocidad en el futuro.

Popovic y sus colaboradores crearon dos moduladores diferentes -estructuras que detectan las señales eléctricas y las traducen en ondas ópticas- que pueden ser fabricados en los mismos procesos que ya se utilizan en la industria para crear los microprocesadores electrónicos actuales. Los moduladores se describen en un número reciente de la revista Optics Letters.

El problema del calor

Enunciada por primera vez en 1965, la Ley de Moore predice que el tamaño de los transistores usados ​​en los microprocesadores se podría reducir a la mitad cada dos años con el mismo coste de producción, lo que permitiría que el doble de transistores pudieran ser colocados en un chip de silicio del mismo tamaño. El efecto neto sería una duplicación de la velocidad de computación cada dos años.

La proyección se ha cumplido hasta hace relativamente poco. Mientras que los transistores siguen haciéndose más pequeños, reducir a la mitad su tamaño ya no da lugar a una duplicación de la velocidad de computación. Eso es debido a que el factor limitante en la microelectrónica es ahora la energía que se necesita para mantener a los microprocesadores funcionando. La gran cantidad de electricidad necesaria para que funcionen en espacios cada vez más pequeños provoca una acumulación de calor excesiva.

"Los transistores seguirán reduciéndose y serán capaces de seguir dando más y más rendimiento del equipo", explica Popovic en la nota de prensa de la Universidad de Colorado. "Sin embargo, para ser capaces de aprovecharse de eso es necesario habilitar vías de comunicación eficientes energéticamente."

La microelectrónica también está limitada por el hecho de que la colocación de cables eléctricos que transportan datos demasiado juntos puede provocar diafonía (interferencias) entre los alambres.

Se hace la luz

En la última media docena de años, los fabricantes de microprocesadores, tales como Intel, han sido capaces de continuar aumentando la velocidad de computación empaquetando más de un microprocesador en un solo chip para crear múltiples "núcleos". Sin embargo, esa técnica está limitada por la cantidad de comunicación necesaria entre los microprocesadores, lo que también requiere un considerable consumo de electricidad .

El uso de las ondas de luz en lugar de cables eléctricos para las funciones de comunicación del microprocesador podría eliminar las limitaciones a las que ahora se enfrentan los microprocesadores convencionales y así prolongar la Ley de Moore hacia el futuro, señala Popovic .

Los circuitos de comunicación óptica, conocidos como fotónica, tienen dos ventajas principales sobre la comunicación basada en cables convencionales: El uso de la luz tiene la capacidad de ser radicalmente eficiente energéticamente, y un solo hilo de fibra óptica puede transportar un millar de diferentes longitudes de onda de luz al mismo tiempo, lo que permite múltiples comunicaciones que deben realizarse simultáneamente en un pequeño espacio, y la eliminación de la diafonía.

Hacia la fotónica sin necesidad de invertir

La comunicación óptica ya es la base de Internet y la mayoría de las líneas telefónicas. Pero para que la comunicación óptica sea una opción económicamente viable para los microprocesadores, la tecnología fotónica tiene que ser fabricada en las mismas fundiciones que se utilizan para crear los microprocesadores.

La fotónica tiene que integrarse codo con codo con la electrónica con el fin de obtener su aceptación por parte de la industria de los microprocesadores, explica Popovic. "Para convencer a la industria de semiconductores de que incorpore la fotónica en la microelectrónica hace falta conseguir que los miles de millones de dólares invertidos en la infraestructura existente puedan aprovecharse", añade.

El año pasado, Popovic colaboró ​​con científicos del MIT para mostrar, por primera vez, que dicha integración es posible. "Estamos construyendo la fotónica dentro de exactamente el mismo proceso en el que se construye la microelectrónica", afirma Popovic . "Utilizamos este proceso de fabricación y en vez de hacer sólo circuitos eléctricos, hacemos fotónica también, para que los circuitos puedan comunicarse entre sí."

Chip fotónico-electrónico inicial

En dos artículos publicados el mes pasado en Optics Letters con el investigador de la Universidad de Colorado Jeffrey Shainline como autor principal, el equipo de investigación refinó aún más su chip fotónico-electrónico inicial, detallando cómo el crucial modulador óptico, que codifica los datos sobre corrientes de luz, podría ser mejorado para ser más eficiente energéticamente.

Ese modulador óptico es compatible con un proceso de fabricación -conocido como SOI CMOS - utilizado para crear microprocesadores multinúcleo como IBM Power7, y Cell, usado en la Sony PlayStation 3.

Los investigadores también detallan un segundo tipo de modulador óptico que podría ser utilizado en un proceso de fabricación de chips algo más sencillo, llamado CMOS a secas, que se utiliza para hacer chips de memoria y la mayoría de los microprocesadores de gama alta del mundo .

Referencias bibliográficas:

Jeffrey M. Shainline, Jason S. Orcutt, Mark T. Wade, Kareem Nammari, Benjamin Moss, Michael Georgas, Chen Sun, Rajeev J. Ram, Vladimir Stojanović, Miloš A. Popović. Depletion-mode carrier-plasma optical modulator in zero-change advanced CMOS. Optics Letters (2013). DOI: 10.1364/OL.38.002657.

Jeffrey M. Shainline, Jason S. Orcutt, Mark T. Wade, Kareem Nammari, Ofer Tehar-Zahav, Zvi Sternberg, Roy Meade, Rajeev J. Ram, Vladimir Stojanović, Miloš A. Popović. Depletion-mode polysilicon optical modulators in a bulk complementary metal-oxide semiconductor process. Optics Letters (2013). DOI: 10.1364/OL.38.002729.


Miércoles, 2 de Octubre 2013
Universidad de Colorado/T21
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