Fabrican el primer microchip que funciona con luz

Investigadores consiguen instalar 800 componentes fotónicos en un procesador sin cambiar el proceso industrial. El nuevo chip multiplica el ancho de banda por 50, a la vez que reduce el consumo y las pérdidas de calor respecto a los circuitos eléctricos

Todos conocemos las ventajas de la fibra óptica ha traído consigo. Gracias a ella en pocos años hemos pasado de disfrutar de conexiones de datos en nuestros dispositivos de uno o dos MB a 200-300 MB. La comunicación basada en fotones ocupa aproximadamente un 95 por ciento del mercado de las telecomunicaciones, aunque de momento la transmisión de luz acaba donde termina el calbe de fibra óptica, luego se transforma en corriente eléctrica que va hast el interior del sipositivo. Sin embargo, esto podría ser parte del pasado gracias a un desarrollo entre la Universidad de Berkeley en California, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Colorado. Juntas han fabricado el primer chip que integra componentes ópticos entre sus circuitos electrónicos (en un proporción de 850 ópticos y 70 millones de transistores eléctricos) en un único microchip de tres por seis milímetros de tamaño.

Es la primera vez que se produce tal integración, aunque el avance va más allá: el equipo ha sido capaz de introducir componentes fotónicos sin cambiar en nada el proceso de fabricación que se utiliza para la tecnología actual basada de circuitos electrónicos. Los chips de los ordenadores se componen principalmente de dos partes unidas entre sí. El procesador, como el cerebro humano, realiza las actividades y procesos, mientras que la memoria, fundamental para el funcionamiento del primero, contiene los datos imprescindibles para su actividad (desde los programas o aplicaciones al archivo de las acciones del pasado). Lo que ha hecho el equipo es desconectar la memoria instalada, que en los PC modernos se comunica con el procesador a través de electricidad (el código binario O-1 representa el encendido y apagado de un sistema eléctrico), y cambiarla por una memoria externa que envía los datos al cerebro a través de luz. «Los ordenadores cada vez integran más transistores que comunican procesador y memoria, pero esto tiene un límite, porque al crecer el número de componentes, aumenta el calor disipado por el chip. El equipo propone un procesador y una memoria bidireccionales conectadas con fibra. En el mismo material integran componentes electrónicos y ópticos combinados en fábrica sin cambiar el proceso, algo que sería carísimo. Esto lo logran cambiando el diseño de la parte óptica. El resultado es un chip con 70 millones de transistores de silicio y 850 componentes ópticos. Todavía son pocos. Hoy la fotónica está al nivel de la electrónica de los años 70», explica José Capmany, catedrático del departamento de Comunicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia y director del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM). El experimento ha sido todo un éxito, puesto que han conseguido probar el correcto funcionamiento de un programa con su chip y la correcta comunicación óptica entre los dos dispositivos colocados a una distancia de 10 metros.

Fibra

La comunicación entre ordenadores de un centro de datos, por ejemplo, se realiza desde hace tiempo con fibra óptica. Incluso a nivel interno, las tarjetas de los ordenadores están conectadas por sistemas de comunicaciones basadas en luz. Sin embargo, «todavía no existe la fotónica dentro de los chips. Este trabajo anuncia la primera conexión a este nivel. La fibra llega hasta las máquinas actualmente pero no entra en el dispositivo, al menos hasta esta publicación», afirma Javier Martín, director del Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia. Lo que han conseguido es una densidad de ancho de banda entre 10 y 50 veces mayor que los procesadores actuales del mercado; es decir que transmite 300 GB por segundo por milímetro cuadrado. «La ventaja de estos dispositivos es que puede transportar las mismas cantidades de datos entre un metro o un kilómetro sin perder energía. Para uniones eléctricas a gran velocidad el límite para colocar un repetidor en un metro», explica el equipo en su publicación en la revista Nature.

Ventajas

La primera ventaja de la fotónica frente a la electrónica es el aumento en el ancho de banda, como se afirma arriba. Para entenderlo fácilmente, este ancho es como el diámetro de la cañería que transporta el agua. Cuanto más grande, más cantidad de datos llegan (no tiene que ver con la velocidad sino con la cantidad). Algo que se traduciría en mayor calidad y definición en un vídeo que se arranque en un ordenador. «Los electrones tienen masa finita y son el constituyente principal de la corriente electrica, similarmente a que las moleculas de agua forman corrientes. Sin embargo los electrones no pueden moverse como uno quiera ya que su masa finita lo impide. En el caso de los fotones, la ausencia de masa en principio nos proporcionaría una ancho de banda intrinseco mucho mayor», explica Sebastián Reparaz, investigador Senior en el Instituto Catalàn de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) dentro del Grupo de Nanoestructuras Fonónicas y Fotónicas.

En este sentido también se limitan las pérdidas, es decir, la señal se va reduciendo conforme aumenta la distancia. «En los medios metálicos, como los cables coaxiales, el ancho de banda aumenta las pérdidas. Esto se evita poniendo repetidores. Un cable coaxial pierde el 90 por ciento de la potencia de la señal eléctrica en tan sólo un kilómetro. Si se transmite con luz las pérdidas son menores independientemente de la banda. Teniendo en cuenta su ancho, si un cable coaxial transmite 200 MB por segundo, el 90 por ciento de dichos bits se perderían en sólo 60 metros. En fibra óptica, en un kilómetro se pierde sólo un cinco por ciento y es igual para transmitir 300 MB, 1GB o un Terabit. Si le añades que la fibra óptica es como un cabello humano, fácil de instalar, barata y más segura ya que evita los picos de tensión, las ventajas son evidentes», explica Capmany.

La segunda ventaja es la reducción de consumo, aparte de que la instalación necesitaría menos material. Como se decía anteriormente, «el límite para poner un repetidor de señal en los enlaces eléctricos es de un metro. Además, se ahorra potencia porque las pérdidas son menores, es decir, que gracias a la luz se necesita menos potencia para comunicar dos ordenadores distantes entre sí varios metros en un centro de datos, por ejemplo. Algo así como dividir por mil veces el consumo. Si con un cable eléctrico se necesita 1,3 kW por terabit por segundo, con luz y según datos del grupo de investigadores en Nature serían necesarios sólo 1,3 W por terabit por segundo», explica Capmany. Hay que recordar que el dos por ciento de la electricidad consumida en Estados Unidos en 2013 provenía de los centros de datos, según el Consejo de Defensa de los Recursos Naurales americano. Y las necesidades energéticas del sector crecen exponencialmente. «Reducir sólo un 10 por ciento el consumo ya supondría un ahorro de miles de kWh al año», afirma Martín.

Otro punto fuerte de la fotónica es que elimina la disipación del calor. Los electrones al chocar liberan calor, un detalle que representa uno de los principales problemas actuales de los ordenadores. La pérdida de energía en forma de calor no está cuantificada exactamente pero se calcula que puede ser más de la mitad. Es por esto que los grandes centros de datos se encuentran siempre al lado de profundas masas de agua, ya que necesitan de grandes volúmenes de líquido para impedir que los circuitos se fundan. «Con fotónica el problema se reduciría y la necesidad de circuitos de refrigeración no sería tan elevada. Además aumentaría la duración de las baterías de los dispositivos. En vez de un día, las tendríamos una semana dando servicio», explica Raparaz. Como el equipo ha sido capaz de utilizar el proceso industrial del silicio (material en el que se basa el 99 por ciento de la electrónica actual) es probable que los primeros chips con fotónica puedan llegar la mercado en menos tiempo del habitual, es decir en unos cinco o diez años, según los expertos. También en breve tiempo la fibra óptica ayudará a la aparición de la tecnología 5G en telefonía móvil; unos desarrollos muy exigentes en cuanto a consumo y transmisión de datos que tiene que estar operativo por petición de la Comisión Europea en 2020.

¿Fin del silicio?

Se prevé que en 2020 las existencias de silicio empiecen a escasear. Además, la fabricación con silicio permite reducir los circuitos y aumentar la cantidad de ellos dentro de un chip hasta un cierto punto. Para acabar con estos problemas, los investigadores estudian el grafeno, otro material óptimo para la conducción eléctrica. Ambos materiales son muy malos emisiores de luz, por lo que es fácil imaginar que la fotónica, sea cual sea el material eléctrico de base, permita aumentar las prestaciones de las próximas generaciones de procesadores tanto de silicio como de grafeno. Es decir, que los chips del futuro serán híbridos (eléctricos y fotónicos) casi con toda seguridad.

Li Fi, el wireless fotónico

La fotónica está haciéndose un hueco en los ámbitos propios de la electrónica. Es el caso también del Li Fi, un término que acuñó el investigador Harald Haas en el año 2011 y que pretende ser el heredero del Wi Fi. Lo que propone es sustituir los router que hay en las casas y que transmiten la información hasta nuestros dispositivos a través de ondas electromagnéticas por luces Led que envíen luz. Es decir, que se podría aprovechar cualquier punto de luz de una habitación para enviar datos de la red. El cableado hasta el rooter no tiene importancia puesto que la propuesta es sólo para ese tramo final entre router, en este caso, bombilla LED, dispositivo (teléfono, ordenador, etc.). Por una parte evitaría los problemas de salud derivados de la exposición a ondas electromagnéticas, minimizaría la cantidad des instalaciones puesto que cualquier elemento del alumbrado público podría convertirse en puntos de transmisión de datos, aunque tiene alguna desventaja; que donde no hay luz no podría haber conectividad y que la luz no atraviesa paredes, por lo que la cobertura sería limitada.A cambio, la velocidad es cien veces más elevada que con Wi FI