Gran avance en fotónica de silicio permitirá crecimiento exponencial de microprocesadores

Un microchip que contiene tanto fotónica como electrónica es sometido a pruebas en el laboratorio de Milos Popovic, en la Universidad de Colorado. (Crédito: Casey Cass/CU-Boulder)

Un microchip que contiene tanto fotónica como electrónica es sometido a pruebas en el laboratorio de Milos Popovic, en la Universidad de Colorado. (Crédito: Casey Cass/CU-Boulder)

Investigadores de la Universidad de Colorado Boulder (CU), el Instituto Tecnológico de Massachusetts y Micron Technology Inc., han desarrollado una nueva técnica en fotónica de silicio que podría permitir el crecimiento y mejora exponencial en microprocesadores durante muchos años en el futuro.

La técnica permite que los microprocesadores utilicen luz en lugar de cables eléctricos para comunicarse con los transistores dentro de un chip, un sistema que podría también generar una computación altamente eficiente en energía.

Milos Popovic, investigador de CU, profesor de ingeniería eléctrica y computación, conjuntamente con sus colegas, crearon dos moduladores ópticos distintos –estructuras que detectan señales eléctricas y las traducen en ondas ópticas– que pueden manufacturarse dentro de los mismos procesos que ya existen actualmente en la industria para crear microprocesadores electrónicos de muy alto rendimiento.

La microelectrónica está limitada por el hecho de los cables eléctricos que conducen información en espacios muy pequeños lo que puede conducir a un “cruce de palabras” entre los cables.

En los últimos seis años, los fabricantes de microprocesadores, tales como Intel, han sido capaces de seguir incrementando la velocidad en los cálculos por medio del empaquetamiento de más de un microprocesador en un sólo chip para crear lo que se conoce como “cores” múltiples. Sin embargo, esa técnica está limitada por la cantidad de información que se hace necesario manejar entre los microprocesadores, lo que también requiere mayor consumo de electricidad.

Ventajas de usar fotos en lugar de electrones

El usar ondas de luz en lugar de cables eléctricos para las funciones de comunicación del microprocesador podría ayudar a eliminar las limitaciones que hoy enfrentan los microprocesadores convencionales, dijo Popovic.

Los circuitos de comunicación óptica, conocida como fotónica, tienen dos ventajas principales sobre la comunicación basada en cables convencionales: el uso de la luz tiene el potencial de ser brutalmente eficiente con la energía y un sólo hilo de fibra óptica puede conducir un millar de longitudes distintas de onda de luz al mismo tiempo, lo que permite múltiples comunicaciones  simultáneas en un pequeño espacio y la eliminación del “cruce de palabras” o diafonía.

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

La fotónica tiene que integrarse completamente a la electrónica con el fin de obtener aceptación por parte de la industria de los microprocesadores, dijo Popovic.

“Para convencer a la industria de semiconductores de incorporar la fotónica en la microelectrónica se requiere que los miles de millones de dólares en la infraestructura existente siga siendo utilizada, se pueda adaptar”, dijo Popovic.

Integración con la infraestructura actual

El año pasado, Popovic colaboró con científicos del MIT para demostrar por vez primera que tal integración es posible. “Estamos construyendo fotónica dentro del mismo proceso que se utiliza para la microelectrónica”, dijo Popovic. “Utilizamos este proceso de fabricación  y en lugar de hacer sólo circuitos eléctricos creamos también circuitos fotónicos a la par de los eléctricos para que puedan comunicarse entre sí”.

En dos artículos publicados en Optics Letters conjuntamente Jeffrey Shainline, igualmente de CU, el equipo de investigación afinó aún más sus chips fotónicos electrónicos, indicando cómo el modulador óptico resulta crucial, que es el encargado de codificar los datos sobre corrientes de luz, y se podría mejorar para ser más eficiente en el uso de energía.

El modulador óptico es compatible con un proceso de fabricación – conocido como silicio sobre aislante complementario de óxido de metal semiconductor o SOI CMOS – que se utiliza para crear microprocesadores multicore como el IBM Power7 y Cell, que es utilizado por Sony en PlayStation 3.

Los investigadores también detallaron un segundo tipo de modulador óptico que podría ser utilizado en un proceso distinto de fabricación de chips llamado bulk CMOS, que se utiliza para hacer chips de memoria y la mayoría de los microprocesadores principales usados.

Vladimir Stojanovic, que dirige uno de los equipos del MIT que colaboran en el proyecto y quien es el coordinador global del programa de investigación, dijo que la investigación que el equipo realiza sobre moduladores ópticos es un importante paso adelante.

“Por encima de la de eficiencia en energía y las ventajas de densidad del ancho de banda de la fotónica de silicio sobre los cables eléctricos, la fotónica integrada en los procesos CMOS sin cambios en el proceso de fabricación proporciona enormes beneficios en costo y grandes ventajas respecto a los sistemas fotónicos tradicionales”, dijo Stojanovic.

El esfuerzo de la Universidad de Colorado es parte de un proyecto más amplio en la construcción de un sistema procesador-memoria fotónico completo, que incluye equipos de investigación del MIT, Micron Technology, así como la Universidad de California, Berkeley.

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