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¿Emitirán luz en vez de calor las CPUs del futuro?
Enviado el 03/05/03 a las 02:00 por Noticias

Agalisa

Mucho se ha hablado sobre la convergencia de la computación y las comunicaciones en los últimos años, aunque principalmente sobre el mayor escollo a salvar: las comunicaciones actuales se transmiten sobre pulsos de luz mientras que los ordenadores se basan en el movimiento de los electrones sobre silicio o cobre.

Sin embargo, es posible que muy pronto se consiga combinar ambos, ofreciendo un bus óptico para las CPUs de silicio, o incluso usar la propia luz para computar. Esta es la idea de la computación óptica o fotónica sobre silicio, la cual está pasando de los laboratorios académicos a los fabricantes de chips.

"La microelectrónica se enfrenta al problema de que el principal retardo en los circuitos no se debe a la velocidad de las puertas lógicas, sino al cableado" explica Lorenzo Pavesi, un profesor de física experimental de la Universidad de Trento. Es lo que se llama "cuello de botella de interconexión". Por si fuera poco, los diseñadores de PCs y de procesadores están preocupados por la potencia disipada en forma de calor; potencia que, de seguir creciendo al ritmo actual, podría hacer que una CPU ardiera. Pavesi asegura que "la fotónica jugará un importante papel en la resolución de estos cuellos de botella".

La luz es inherentemente más eficiente que la electricidad. Es más rápida y se puede multiplexar (una fibra puede transportar varios canales a diferentes frecuencias). Y como cualquier poseedor de un portatil con Pentium 4 puede asegurar, los electrones que se mueven por cables metálicos producen mucho más calor que la luz a través de fibras ópticas.

El laser es la mejor fuente de luz para la transmisión de datos. Si su PC tiene un lector de CD o de DVD, hay un pequeño laser también. Para conseguir la promesa de la fotónica, sin embargo, los fabricantes de chips necesitan poner un laser no en el interior del ordenador, sino en el interior de un chip de silicio: han de construir un laser de silicio.

Hoy en día los lasers son relativamente fáciles de fabricar, y son bastante comunes en comunicaciones, pero aún son demasiado grandes y caros como para caber en un chip. Para conseguir computación fotónica asequible en un chip, los fabricantes han de conseguir que el propio silicio emita luz laser que se pueda activar y desactivar para transmitir información digital. Desgraciadamente, el silicio no es un buen material para fabricar un laser: no emite luz tan fácilmente como otros materiales populares del estilo del arseniuro de galio (GaAs). Por si fuera poco, combinar silicio y GaAs en un sólo chip es difícil y caro.

Se han intentado varias estrategias para conseguir que el silicio emita luz, incluido el uso de nanocristales de silicio para emitir luz visible como un LED (encabezados por el grupo de Pavesi en el 2000), así como silicio dopado con erbio (semiconductores dopados con iones de tierras raras) para emisión en la banda de 1'5 nanómetros. Pavesi afirma que él y otros investigadores han demostrado que ambos métodos permiten no solo generar luz, sino también amplificarla.

"Lo que todavía queda por hacer es implementar estos sistemas con una cavidad óptica (una matriz de espejos que convierte en coherente la luz) en la que inyectar corriente eléctrica (estimulando el silicio con electricidad en vez de con luz) para tener un laser de inyección" dice Pavesi. "Estoy convencido de que los nanocristales de silicio finalmente serán capaces de emitir luz laser. Otros investigadores apuestan, sin embargo, por el erbio." STMicroelectronics, por ejemplo, afirma que tendrá un laser de silicio-erbio operativo en un año.

Intel ve la luz

Integrar la fotónica en un chip de silicio no es un simple ejercicio académico. Intel Labs está invirtiendo gran cantidad de dinero en la investigación de la fotónica con silicio, habiendo gastado unos 4.000 millones de dólares en I+D sólo en 2002. El vicepresidente de Intel Pat Gelsinger mostró un filtro óptico sintonizable construido directamente en silicio.

Los filtros ópticos sintonizables pueden modular rápidamente longitudes de onda ópticas para así incrementar las velocidades de transferencia. Aunque es sólo un prototipo, el chip óptico de Intel sólo necesita 1 dolar en componentes, y como es programable, puede ajustarse para filtrar diferentes frecuencias por software.

Este dispositivo mide tan solo unas micras de ancho por un par de milimetros de largo, y permite filtrar longitudes de onda en el espectro DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing, multiplexación por división densa de longitud de onda), cuando los filtros actuales capaces de hacer lo mismo cuestan más de 10.000 dólares. "El silicio muestra una difracción óptica distinta según su temperatura" explica Gelsinger. "y lo que hacemos es cambiar este índice de difracción para seleccionar diferentes frecuencias de paso".

En la misma conferencia, Gelsinger predijo que Intel podría llegar a fabricar chips de silicio completamente ópticos, que procesen con luz en vez de electrones. "Queremos llevar la fotónica desde la WAN hasta la LAN, a los racks y finalmente de un chip a otro chip" ha afirmado. "Hoy día, hacer una conexión óptica cuesta varias decenas de miles de dolares. Nuestro trabajo es convertirlos en céntimos, consiguiendo finalmente un opto-procesador -- un microprocesador con interfaces ópticas".

Una revolución evolutiva

A pesar del potencial, hasta los visionarios como Pavesi ven grandes retos en la construcción de un procesador completamente óptico para computación. Pavesi cree que los transistores ópticos serán complicados de fabricar a gran escala, pero que aún así, es posible reducir la distancia entre óptica y electrónica: "Lo que yo creo es que la fotónica se usará en los procesadores no para computar, sino para transferir información".

Agilent Labs, oficialmente parde de la división de I+D de HP, está trabajando en una serie de dispositivos optoelectrónicos, incluyendo algunos diseñados específicamente para computación. A mediados de 2002, Waguih Ishak, director del laboratorio de investigación de comunicación y óptica de Agilent, afirmó que la compañía estaba desarrollando un "interruptor on-off de silicio" que podía trabajar como transistor óptico. Una agrupación de estos cristales fotónicos programables podrían constituir una CPU completamente óptica. Agilent también trabaja en la creación de un bus de sistema completamente óptico para transmitir datos a todo el sistema.

Cuando este bus óptico esté terminado, el chip podrá tener conexión directa con un cable de fibra óptica, saltando la barrera opto-electrónica y aumentando drásticamente la velocidad de comunicación.

Fuente: CPU Planet (en inglés).


 
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