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Fotónica

Un nuevo microchip conecta sus procesadores con fibra en vez de cobre

La combinación de transistores electrónicos y dispositivos fotónicos en un mismo circuito acelerará la transmisión de datos reduciendo su consumo energético

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La imagen muestra el chip híbrido entre electrónica y fotónica, con sus procesadores de memoria y CPU formando una L al revés.

Cualquiera que haya cambiado su viejo y lento ADSL por la veloz fibra óptica en su conexión a Internet puede imaginar la relevancia del nuevo microchip que han creado un grupo de investigadores estadounidenses: las conexiones entre sus componentes no son mediante hilos de cobre sino por medio de nanofibras ópticas por las que los datos viajan en pulsos de luz y no como señales eléctricas. El nuevo chip promete acelerar la transmisión de datos varios órdenes de magnitud a la vez que reducir el consumo de energía.

Desde la invención del transistor en los años cuarenta, las revoluciones de la computación y las telecomunicaciones han ido de la mano de la electrónica. Sin el movimiento de los electrones sobre un soporte físico, generalmente cable de cobre para transmitir instrucciones o datos y ejecutar programas, no habría habido ni la una ni la otra. Una de sus características claves ha sido la miniaturización: siguiendo una especie de ley, la industria del silicio ha metido millones de transistores cada vez más pequeños en circuitos integrados o microchip también más reducidos. Sin embargo, el cobre que conecta todo el circuito no puede empequeñecerse más.

Las limitaciones físicas del cobre han llevado a científicos e ingenieros de universidades y grandes empresas como Intel e IBM a fijarse en la capacidad de los fotones de la luz para transmitir información (fotónica). Al sector de las telecomunicaciones le ha ido muy bien el uso de la fibra óptica para canalizar estos pulsos de luz. El problema es reducir la fotónica a un microchip de unos milímetros con millones de transistores que operan con corriente eléctrica sobre cobre. Además, a pesar de sus cualidades como material semiconductor, el silicio del que está hecho todo chip no destaca por sus propiedades ópticas. Y, encima, los dispositivos fotónicos son aún más grandes que los electrónicos. Es casi como mezclar agua y aceite, pero alguien lo ha conseguido.

Los fotones pueden transmitir datos sobre fibra, como los electrones sobre el cobre, pero sin sus limitaciones

Un grupo de investigadores de algunas de las universidades más prestigiosas de EE UU ha creado un microchip de 6x3 milímetros donde han metido 70 millones de transistores y, sobre la misma placa de silicio, otros 850 componentes fotónicos. En esta unión entre electrónica y fotónica, los transistores se encargaban de procesar la información y los dispositivos fotónicos de transportarla entre los distintos procesadores.

"Se trata de todo un hito. Es el primer procesador que usa luz para comunicarse con el mundo exterior", afirma el profesor de ingeniería electrónica de la Universidad de California Berkeley,  Vladimir Stojanović, que ha liderado el desarrollo del chip. "No hay otro procesador que tenga I/O fotónica en el chip", añade. Por I/O se refiere a Input/Output (sistema de entrada/salida en español), la base del funcionamiento de un circuito integrado.

El microchip logró una velocidad de transferencia (medida como densidad de ancho de banda por mm2) de 300 gigabits por segundo, hasta 50 veces más que algunos de los procesadores electrónicos que se pueden encontrar en el mercado. Además, se mostró muy eficiente, usando apenas 1,3 picojulios (picojulio es la billonésima parte de un julio, unidad para medir la energía)

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El chip fotónico fue impreso en una cadena convencional de microchips electrónicos de silicio.

El circuito estaba formado esencialmente por un procesador que hacía las veces de CPU y otro que funcionaba como memoria RAM. La comunicación entre ambos fue 100% óptica: en cada extremo había un fotodetector y un modulador óptico. El primero capta los pulsos de luz y el segundo los convierte en señal electrónica. Los investigadores consiguieron ejecutar dos sencillos programas con su microchip.

Pero, como explican los autores en Nature, su creación tiene una ventaja añadida. Fabricaron su microchip en una planta de las que imprimen circuitos sobre obleas de silicio. Es decir, no necesitaron montar un nuevo sistema de producción para integrar electrónica y fotónica. Como sucede con el petróleo y la industria automovilística, uno de los grandes problemas para diseñar chips 100% fotónicos es que habría que crear todo una nueva infraestructura de fabricación diferente de la del silicio. Y este es un sector muy de tecnología punta, que trabaja en la nanoescala y con grandes volúmenes.

Para el científico del Instituto de Electrónica Fundamental del CNRS francés, Laurent Vivien, uno de los aspectos más relevantes de este microchip es precisamente que se apoya en la tecnología actual de fabricación de chips electrónicos para crear uno híbrido fotónico. "Como primer paso, obviamente aún queda mucho trabajo por hacer antes de tener algo terminado pero puede abrir una nueva perspectiva en las comunicaciones electrónicas en el chip: han identificado una alternativa en la que la fotónica dentro de los circuitos integrados", dice.

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