Los investigadores han desarrollado un método para fabricar chips de silicio que pueden comunicarse con luz y que no son más caros que la tecnología de chips actual.
La nueva tecnología de microchips capaz de transferir datos ópticamente podría resolver un cuello de botella grave en los dispositivos actuales, al acelerar la transferencia de datos y reducir el consumo de energía en órdenes de magnitud.
El cuello de botella en la señalización eléctrica entre los microchips electrónicos actuales ha dejado la comunicación mediante luz como una de las pocas opciones que quedan para seguir avanzando tecnológicamente. El método tradicional de transferencia de datos, los cables eléctricos, tiene un límite en cuanto a la velocidad y la distancia a la que puede transferir datos. Además, consume mucha energía y genera calor. Ante la exigencia implacable de mayor rendimiento y menor consumo en la electrónica, estos límites se han alcanzado. Sin embargo, con este nuevo desarrollo, ese cuello de botella tiene solución.
«En lugar de un solo cable que transporte unos 10 gigabits por segundo, se puede tener una sola fibra óptica que transporte de 10 a 20 terabits por segundo, es decir, mil veces más en la misma superficie», afirma Milos Popovic, profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Boston, uno de los investigadores principales del estudio, cuyo equipo estuvo anteriormente en la Universidad de Colorado en Boulder, donde se llevó a cabo parte del trabajo.
«Si se sustituye un cable por una fibra óptica, se gana de dos formas», afirma. «En primer lugar, con la luz, se pueden enviar datos a frecuencias mucho más altas sin una pérdida significativa de energía, como ocurre con el cableado de cobre. En segundo lugar, con la óptica, se pueden utilizar muchos colores de luz diferentes en una misma fibra, y cada uno puede transportar un canal de datos. Además, las fibras pueden empaquetarse más juntas que los cables de cobre sin diafonía».
Problemas de fabricación
En el pasado, un obstáculo de fabricación frenaba el avance para integrar una capacidad fotónica en los chips de última generación utilizados en ordenadores y teléfonos inteligentes. Los procesos industriales de fabricación de semiconductores altamente desarrollados, capaces de producir en serie mil millones de transistores que trabajan juntos en un solo chip, hacen posibles los procesadores modernos. Sin embargo, estos procesos de fabricación están muy ajustados, y diseñar un enfoque para incluir dispositivos ópticos en los chips, manteniendo intactas las capacidades eléctricas actuales, resultó difícil.
El primer gran avance para superar este obstáculo se produjo en 2015, cuando el mismo grupo de investigadores publicó un artículo en Nature que resolvía este problema, pero en un entorno de relevancia comercial limitada.
El artículo demostró el primer microprocesador del mundo con capacidad de transferencia de datos fotónica y el enfoque para fabricarlo sin modificar el proceso industrial de fabricación, un concepto que los investigadores han denominado tecnología de cero cambios. Ayar Labs, Inc., una startup de la que Popovic es cofundador y asesor técnico, se ha asociado recientemente con el fabricante líder de la industria de semiconductores GlobalFoundries para comercializar esta tecnología.
Aunque esta solución inicial promete un impacto comercial significativo, especialmente en el sector de la comunicación de datos, su aplicabilidad final es limitada debido al alto coste de su material de partida: el silicio sobre aislante. Para desarrollar una solución para toda la microelectrónica de silicio, los investigadores debieron centrar sus esfuerzos en utilizar el sustrato de partida predominante y de bajo coste: el silicio en bloque. El silicio en bloque se utiliza para fabricar la mayoría de los microchips comunes, y es el que se encuentra en los portátiles y los teléfonos inteligentes. El silicio sobre aislante ofrece un rendimiento superior al del silicio en bloque, pero con un sobrecoste considerable y, por ello, se utiliza principalmente en determinados microprocesadores de gama alta.
Las ventajas del silicio en bloque
La diferencia entre el silicio en bloque y el silicio sobre aislante es que este último tiene una capa de aislante, normalmente vidrio muy puro, justo debajo de una capa fina de silicio, mientras que el primero no la tiene. El vidrio actúa como barrera para las partículas de luz, manteniéndolas confinadas en las guías de onda ópticas del dispositivo. Sin la barrera de vidrio, la señal luminosa se perdería.
En el artículo más reciente, también publicado en Nature, los investigadores presentan una solución de fabricación mediante la introducción de un conjunto de nuevas capas de material en la parte de procesamiento fotónico de un chip de silicio en bloque. Demuestran que este cambio permite la comunicación óptica sin afectar a la electrónica.
Gracias a la colaboración con investigadores en fabricación industrial de semiconductores de los Colleges of Nanoscale Science and Engineering de la Universidad Estatal de Nueva York en Albany para desarrollar esta solución, los científicos garantizaron que cualquier proceso desarrollado pudiera integrarse sin problemas en la fabricación industrial actual.
El resultado culmina un proyecto de varios años que inicialmente dirigió Vladimir Stojanovic, profesor asociado de ingeniería eléctrica en UC Berkeley. Más recientemente, Rajeev Ram, profesor de ingeniería eléctrica en el MIT, ha dirigido el trabajo. Stojanovic y Ram son colaboradores de Popovic en el proyecto.
«Al investigar y optimizar cuidadosamente las propiedades de las capas de material adicionales para los dispositivos fotónicos, logramos demostrar un rendimiento a nivel de sistema de vanguardia en términos de densidad de ancho de banda y consumo de energía, partiendo de un proceso mucho menos costoso en comparación con las tecnologías competidoras», afirma Fabio Pavanello, antiguo investigador posdoctoral del grupo de investigación de Popovic y coprimer autor del artículo, quien dirigió el diseño del dispositivo transmisor fotónico y el ensamblaje del chip en el proyecto.
La nueva plataforma, que lleva la fotónica a los chips microelectrónicos de silicio en bloque de última generación, promete una comunicación más rápida y eficiente energéticamente, que podría mejorar enormemente la computación y los dispositivos móviles. Entre las aplicaciones más allá de la comunicación de datos tradicional se incluyen la aceleración del entrenamiento de redes neuronales artificiales de aprendizaje profundo utilizadas en tareas de reconocimiento de imágenes y voz, así como sensores LIDAR infrarrojos de bajo coste para coches autónomos, identificación facial en teléfonos inteligentes y tecnología de realidad aumentada.
Además, los microchips con capacidades ópticas podrían permitir nuevos tipos de seguridad de datos y autenticación de hardware, chips más potentes para dispositivos móviles que funcionen en redes inalámbricas de quinta generación (5G), y componentes para el procesamiento y la computación de información cuántica.
DARPA financió el trabajo.
