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Chips láser de silicona autoalimentados
Un científico informático de la UCLA ha transformado un componente de un láser de silicio que consume mucha energía en un generador de energía, lo que podría ayudar a los ingenieros que intentan incorporar elementos ópticos más rápidos en procesadores comerciales.
Bahram Jalali, profesor de ingeniería eléctrica en UCLA, ha demostrado una forma de reducir las necesidades de energía en los chips láser de silicio, lo que podría hacerlos más factibles comercialmente para aplicaciones de computación óptica. (Cortesía de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA).
No solo no estamos vertiendo energía, sino que en realidad la estamos recuperando, dice Bahram Jalali , profesor de ingeniería eléctrica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA. Suena demasiado bueno para ser verdad, pero es cierto.
A medida que los fabricantes de chips de computadora empaquetan más y más transistores en un chip de silicio, se encuentran con un límite fundamental: cuántos datos pueden sacar del chip, o de una placa base a otra, a través de cables de cobre. A medida que aumentan la potencia y la cantidad de datos, aumenta la resistencia eléctrica, hasta que los cables alcanzan su límite de velocidad.
Las empresas de telecomunicaciones superaron este problema hace años cuando reemplazaron los cables de cobre con haces de luz transportados a través de fibras de vidrio en las comunicaciones de larga distancia. Ahora, los fabricantes de chips como Intel están construyendo versiones diminutas de estos sistemas más rápidos, aprovechando, en distancias mucho más cortas, la mayor capacidad de carga de las ondas de luz, que no se ven afectadas por la resistencia eléctrica.
Hace dos años, Jalali logró un gran avance cuando hizo un láser de silicona. La mayoría de los láseres están hechos de otros materiales; debido a su física, el silicio no emite luz fácilmente. Pero generar señales ópticas sería más barato y más fácil si los láseres pudieran fabricarse a partir de silicio, cuyas propiedades ya son bien conocidas por la industria de los semiconductores. Luego, el año pasado, Intel siguió el trabajo de Jalali con una mejor versión de un láser de silicio, así como un modulador para codificar señales en el haz de luz, y nació el campo de la fotónica de silicio (ver Breakthrough de Intel, julio de 2005).
Pero había un problema. Para obtener el efecto láser, tanto Jalali como Intel utilizaron un láser externo y lo dispararon al silicio, donde la energía del haz de luz interactuó con el material para producir nueva luz. Sin embargo, golpear el silicio con luz láser de alta intensidad hace que el silicio genere electrones no deseados, que a su vez pueden absorber los fotones que se están produciendo, socavando el efecto láser. El material se vuelve como una esponja, absorbiendo la luz, dice Jalali.
Intel abordó el problema conectando un diodo eléctrico y ejecutando una corriente a través del chip para esencialmente aspirar los electrones. Pero eso requirió alrededor de un vatio de energía eléctrica, suficiente para hacer funcionar un millón de transistores en el chip. La corriente que atraviesa el chip también produce calor residual que podría hacer que el chip deje de funcionar.
Jalali se preguntó qué pasaría si invirtiera la polarización de voltaje de la potencia del diodo, que revertiría el campo eléctrico dentro del silicio. El resultado: el sesgo inverso todavía barrió los electrones perdidos, pero lo hizo sin consumir ese vatio de potencia.
De la misma manera que una célula solar genera electricidad cuando es golpeada por fotones en la luz solar, los electrones adicionales en los láseres de silicio se liberan cuando dos fotones del láser se combinan dentro del silicio. El dispositivo de Jalali recoge los electrones libres y los usa para ejecutar transistores en el chip. Alrededor de dos tercios de la potencia óptica que se perdió al generar electrones se pueden recuperar y utilizar, dice Jalali. En lugar de utilizar un vatio de potencia en la limpieza de electrones y generar calor adicional, su método produce varios milivatios de potencia.
Jalali, cuyo trabajo está financiado por un programa de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para promover la fotónica de silicio, anunció sus resultados en una conferencia en Canadá la semana pasada. Él dice que para ser práctico, el equipo de recolección de electrones tendría que reducirse a una décima parte de su tamaño actual, lo que espera podría llevar unos tres años.
Mario Paniccia, director de Intel's Laboratorio de tecnología fotónica , dice que el trabajo de Jalali muestra que la fotónica de silicio está en camino de volverse práctica. Está en la dirección correcta ... Cómo exactamente usarías [el efecto generador] y lo aplicarías aún tiene que optimizarse, dice. No es algo que uno pensaría que sucedería, pero una vez que lo ve, tiene sentido.
Intel está trabajando en un programa para desarrollar varios componentes clave de un sistema fotónico de silicio, incluidas no solo las fuentes de luz, sino también moduladores para agregar una señal, amplificadores ópticos para aumentarla, fotodetectores y guías de onda de baja pérdida. Paniccia espera que el trabajo de laboratorio pueda traducirse en productos del mundo real para el 2010, comenzando con la comunicación entre racks de computadoras, luego a lo largo del backplane de una computadora (la placa de circuito que permite conectar otras placas, como tarjetas de audio) y finalmente de un chip a otro.
Sin embargo, el enfoque de Jalali no es una panacea. A intensidades ópticas muy altas, la cantidad de electrones perdidos se vuelve tan alta que la polarización inversa no es suficiente para eliminarlos todos sin usar más energía. Y para algunas aplicaciones, los diseñadores de chips preferirían un láser colocado en el chip y funcionando con electricidad, en lugar de ser bombeado por la luz de otro láser, como requieren los chips de láser de silicio actuales. Pero, en muchos casos, dice Jalali, la fuente láser externa es una ventaja porque reduce el uso de energía en el chip.
Paniccia compara el desarrollo de la fotónica de silicio con la creación del transistor. Las computadoras basadas en tubos de vacío solían llenar habitaciones enteras, hasta que los transistores las encogían, y el circuito integrado finalmente condujo a computadoras enormemente poderosas que podían llevarse en bolsas de hombro. Asimismo, imagina que la fotónica de silicio algún día reducirá los enrutadores y otros equipos que llenan una sala de conmutación al tamaño de un chip. Paniccia dice: Permitirá que la óptica, y los beneficios de la óptica, vayan a lugares a los que antes no podían ir.