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El avance de Intel
La Ley de Moore, que celebró su 40 aniversario esta primavera, ha sido la mayor bendición de la industria de los semiconductores. En 1965, el cofundador de Intel, Gordon Moore, proyectó que la cantidad de transistores en un chip de computadora se duplicaría cada dos años. En ese momento, un chip contenía solo unas pocas docenas de transistores. En la actualidad, el chip de gama alta de Intel contiene más de 1.700 millones de transistores, y se espera que esa cifra supere los 10.000 millones para 2012. Esta marcha constante de cuatro décadas ha impulsado la revolución informática moderna y ha convertido a Intel en una potencia tecnológica.
Pero la capacidad de empaquetar más y más transistores y otros circuitos en chips está exacerbando una serie de problemas que podrían, si se vuelven lo suficientemente graves, amenazar el crecimiento de la economía digital existente basada en el silicio. Solo algunas de las áreas problemáticas: acumulación de calor, fugas de corrientes eléctricas de los circuitos, diafonía eléctrica entre cables vecinos. Las últimas CPU para computadoras de escritorio, por ejemplo, consumen 100 vatios de energía. Las CPU de las computadoras portátiles son generalmente más eficientes, ya que están diseñadas para maximizar la duración de la batería. Pero incluso ahora consumen hasta 75 vatios. Es como poner una tostadora en su regazo, dice Pat Gelsinger, vicepresidente senior de Intel. Una solución que se espera que se generalice es aumentar la cantidad de transistores en un chip, no haciéndolos más pequeños, sino simplemente introduciendo el mismo patrón de circuito dos o más veces en la misma placa de silicio. Intel lanzó sus primeros chips de doble núcleo esta primavera. Y los ejecutivos de Intel visualizan un futuro de muchos chips centrales, con hasta mil procesadores uno al lado del otro.
Pero hay un problema. Los cables de cobre que transmiten la corriente de lo digital 1 arena 0 s dentro y fuera de una computadora, y entre procesadores en algunas computadoras, solo pueden transportar cierta cantidad de datos con tanta rapidez. Si doblo el rendimiento [de un procesador], necesito duplicar el rendimiento dentro y fuera del chip, dice Gelsinger. El cobre, nuestra tecnología de interconexión tradicional, se está quedando sin velocidad.
El problema es que los pulsos eléctricos que viajan a través de un cable de cobre encuentran resistencia eléctrica, lo que degrada la información que transportan. Como resultado, los bits de datos que viajan a través del cobre deben estar lo suficientemente separados y moverse lo suficientemente lento como para que los dispositivos en el otro extremo del cable puedan recogerlos. Esta limitación ya está produciendo atascos de tráfico de datos en las redes de área local que utilizan cables de cobre para conectar computadoras. Y muchos expertos predicen que creará cuellos de botella para el tráfico de datos entre múltiples procesadores dentro de computadoras individuales. El resultado es que incluso si la Ley de Moore se mantiene, las computadoras ya no podrán aprovechar el aumento de potencia que ofrece, ya que no podrán mover datos dentro y fuera de los chips lo suficientemente rápido para mantenerse al día con los procesadores. . Es un desafío fundamental: las computadoras necesitan encontrar una manera más rápida de mover una gran cantidad de datos tanto dentro como entre chips.
Introduzca el láser de silicio. Las conexiones ópticas pueden transportar miles de veces más datos por segundo que los cables de cobre. Pero los componentes ópticos existentes, que están hechos de semiconductores tan exóticos como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio, son demasiado costosos para su uso en computadoras individuales o incluso en redes locales. Si pudieras fabricar dispositivos ópticos con silicio, que es barato y, al menos para una empresa como Intel, fácil de fabricar, eso cambiaría todo. El paso a la óptica de silicio agregaría una nueva capacidad básica a los chips de silicio: la capacidad de manipular y responder a la luz. Es probable que las empresas exploten esa capacidad primero reemplazando las conexiones de cobre con enlaces ópticos en las redes. Pero eventualmente, la fotónica de silicio también podría reemplazar los cables de cobre entre procesadores dentro de un solo chip. Los diseñadores de chips también imaginaron el uso de óptica de silicio en los relojes internos que utilizan los microprocesadores para ejecutar instrucciones, lo que aumenta drásticamente las velocidades de reloj y, por lo tanto, las velocidades de cálculo.
Hasta hace poco, toda esa especulación sobre el potencial de la óptica de silicio era hipotética: no existían láseres de silicio adecuados. Pero las cosas cambiaron el invierno pasado cuando el laboratorio del científico de Intel Mario Paniccia informó sobre el primer láser continuo de silicio. Construido utilizando los mismos métodos de fabricación que producen chips de silicio, el dispositivo experimental produjo un flujo constante de fotones infrarrojos, un logro que muchos investigadores habían creído imposible en el silicio.
Aún son los primeros días de la fotónica de silicio. Pero el resultado de Intel, que se basó en los hallazgos informados el año pasado en una serie de artículos que describen avances en componentes ópticos basados en silicio, está convenciendo a muchos expertos de que podría resultar práctico vincular estrechamente la tecnología óptica y electrónica a nivel informático. El progreso realizado por el equipo de Paniccia ha sido notable, dice Graham Reed, un pionero de la fotónica de silicio en la Universidad de Surrey en Inglaterra. Ahora todos los escépticos están empezando a creer que el silicio tendrá un impacto real en la óptica.
Es casi seguro que los avances anticipados en la tecnología de silicio mantendrán la Ley de Moore en marcha en el futuro previsible, creando computadoras cada vez más rápidas. Al acelerar inmensas cantidades de datos dentro y fuera de chips y entre máquinas, la fotónica de silicio podría ayudar a las personas a acceder a este enorme poder computacional.
Pésimo emisor
Las fibras ópticas constituyen la columna vertebral de las redes de telecomunicaciones de larga distancia y son en gran parte responsables de la velocidad de Internet. Pero los componentes ópticos no son baratos. El envío y recepción de datos ópticamente requiere un láser que crea un haz de luz; un modulador que corta ese haz en ráfagas de encendido / apagado que representan digital 1 arena 0 s; guías de ondas que conducen la luz a través de chips; y fotodetectores que capturan la luz y la convierten de nuevo en una señal electrónica. Actualmente, estos dispositivos no están hechos de silicio y su instalación cuesta miles de dólares. Los proveedores de telecomunicaciones pueden pagar esos precios, pero hacer que la tecnología sea viable para mover datos dentro de una computadora significa reducir los precios en órdenes de magnitud.
El silicio puede ser la respuesta. Para nosotros, el silicio tal vez no sea una experiencia religiosa, pero está bastante cerca, dice Gelsinger. El silicio ha demostrado ser rentable, escalable, duradero, fabricable y tiene todo tipo de otras características maravillosas. Las piezas fotónicas hechas de silicio harían que la óptica fuera más asequible y ampliaría los usos potenciales. Hoy, la óptica es una tecnología de nicho. Mañana es la corriente principal de todos los chips que construimos, dice Gelsinger.
Hasta hace aproximadamente un año, parecía que el silicio nunca jugaría un papel importante en la óptica. El silicio no es intrínsecamente el mejor material óptico, explica Reed. Entre sus deficiencias más obvias está que es un pésimo emisor de luz. Cuando los electrones del silicio se excitan, en lugar de liberar fotones, hacen vibrar la red cristalina del silicio. El resultado es calor, no luz. Por el contrario, los semiconductores como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio emiten luz cuando se excitan eléctricamente. Entonces, si bien los investigadores han estado fascinados por las perspectivas de un chip óptico durante años, el consenso fue que el silicio no era el material adecuado para construirlo.
Luego, a fines de la década de 1990, los investigadores informaron de una serie de avances alentadores, aunque preliminares, en la óptica de silicio (ver Upstream, Technology Review, junio de 2001 ). En Intel, el progreso realizado por el equipo de Paniccia convenció a los ejecutivos de incrementar el programa de fotónica de silicio de la empresa. El primer avance de Intel se produjo en febrero de 2004, cuando Paniccia informó en la revista Naturaleza que su grupo había fabricado un modulador de silicio capaz de convertir un flujo constante de luz de un láser en pulsos rápidos de unos y ceros digitales a una velocidad de mil millones de hercios, o un gigahercio, un avance de 50 veces sobre el récord anterior demostrado experimentalmente para silicio. Pero todavía no fue lo suficientemente rápido, dice Reed. Luego, esta primavera, los investigadores de Intel dirigidos por el científico de materiales Ling Liao informaron sobre un modulador de silicio que funciona a 10 gigahercios, aproximadamente a la par con otros moduladores ópticos.
Pero el componente fotónico de silicio crucial seguía siendo el láser. En septiembre pasado, cuatro grupos separados, incluido el de Paniccia, informaron láseres de silicio que disparan pulsos de luz en staccato. Debido a que el silicio no convierte las cargas eléctricas en luz, todos estos láseres de silicio se basaron en láseres externos como fuentes de energía. Como todos los láseres basados en chips, los láseres de silicio funcionan convirtiendo energía, en este caso, fotones de otra fuente de luz, en una ráfaga de fotones con esencialmente la misma longitud de onda y fase. Los investigadores de Intel explotaron un principio conocido desde hace mucho tiempo llamado efecto Raman, en el que los fotones obtienen energía de las colisiones con los átomos que vibran.
Sin embargo, los láseres pulsados no son excelentes para transmitir datos. Los ingenieros ópticos prefieren los láseres continuos, que pueden cortar y cortar con moduladores para crear señales de datos. Pero todos los grupos lucharon con el mismo problema. A medida que aumentaban la cantidad de luz láser continua que alimentaban a los chips de silicio, también aumentaba la probabilidad de que pares de fotones entrantes golpearan un solo átomo de silicio al mismo tiempo. Cuando eso sucedió, los átomos de silicio sacaron a los electrones de sus órbitas atómicas y esas cargas móviles devoraron vorazmente los fotones. El láser entrante tuvo que ser pulsado para dar a los electrones las millonésimas de segundos que necesitaban para ceder su exceso de energía y volver a relajarse a sus estados de reposo.
Al equipo de Paniccia se le ocurrió una respuesta que fue brillante y, para aquellos familiarizados con la tecnología del silicio, conceptualmente simple. Grabado en el chip láser de Intel había un canal de guía de ondas de silicio en el que la luz rebotaba hacia adelante y hacia atrás, ganando en intensidad. Los investigadores implantaron electrodos a ambos lados del canal. Cuando encendieron un voltaje entre los electrodos, creó un campo eléctrico que condujo los electrones cargados negativamente hacia el electrodo cargado positivamente, sacándolos del camino de manera efectiva. Como resultado, los fotones pudieron acumularse sin obstáculos, hasta que produjeron un rayo láser continuo.
El invierno pasado, tres días antes de Navidad, los colegas de Paniccia, Haisheng Rong y Richard Jones, vieron la primera señal de que la estrategia estaba funcionando: una línea en la pantalla de un analizador de espectro óptico que mostraba que los fotones infrarrojos producidos por el láser estaban saliendo en un flujo constante.
En el interior
Los investigadores de Intel todavía tienen que encontrar formas de fabricar láseres de silicio junto con componentes electrónicos en chips. Los circuitos electrónicos se construyen mediante el meticuloso proceso de colocar y grabar docenas de capas de materiales. Algunos de estos pasos requieren temperaturas muy superiores a los 1000 ° C o exposición a productos químicos cáusticos. Por lo tanto, los ingenieros de Intel deberán asegurarse de que los pasos necesarios para construir los dispositivos ópticos no degraden los circuitos electrónicos y viceversa.
Como demostración inicial de la utilidad de la fotónica de silicio, Paniccia planea a finales de este año integrar varios moduladores y otros componentes ópticos en una pieza de silicio; esta configuración debería permitir velocidades de transferencia de datos de 100 gigabits por segundo. Tal prototipo, espera Paniccia, ilustrará el potencial de la fotónica de silicio para transportar datos dentro y fuera de los chips de manera mucho más eficiente que cualquier cosa que se encuentre actualmente en el mercado.
Al caminar por uno de sus laboratorios recientemente renovados esta primavera, Paniccia mostró una maqueta de un cable Ethernet óptico que usaría fotónica de silicio. Si bien Paniccia normalmente mantiene la conducta modesta y cuidadosa de un científico, está claro que le encanta usar el accesorio para vender su visión del nuevo papel del silicio. En el extremo del cable delgado como un espagueti se encuentra un conector que se asemeja al extremo de un cable telefónico, con almohadillas de metal debajo de pequeñas ranuras en una cubierta de silicona. En una versión funcional del cable, las señales eléctricas viajarían desde un chip de computadora a través de esas almohadillas metálicas hasta un chip fotónico de silicio dentro del pequeño conector, donde se convertirían en una corriente de pulsos de luz.
Mientras que en el exterior el cable se asemeja a una tecnología familiar, agregarle fotónica de silicio barata brindaría una velocidad y potencia sin precedentes a las computadoras. Y permitiría a Intel agregar su famoso logotipo de marca interna de Intel a otra tecnología transformadora. Darse cuenta de esa visión no será fácil. Aún así, Paniccia está convencido de que sucederá. Ya no hay duda de si podemos hacer esto. Es cuándo y cómo. Ese ha sido el cambio en el último año. Y cuando caiga la última barrera técnica, dice, la fotónica de silicio estará en todas partes.
Robert Service es un escritor con sede en Portland, Oregón, que cubre la química y la ciencia de los materiales para Ciencias.