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El silicio y la luz, nuevos avances para una electrónica más rápida y eficiente

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Un microprocesador que emplea circuitos ópticos y eléctricos y se comunica con otros chips usando la luz en lugar de la electricidad ha sido descrito en la última edición de la revista Nature. Lo importante es que el estudio informa sobre los procesos de fabricación a emplear de forma que los chips sean integrados en la producción de chips de silicio de la actualidad, siendo potencialmente un paso para la llegada de nuevos chips más rápidos y eficientes para nuestros ordenadores, smartphones y dispositivos del Internet de las Cosas.

Desde la demostración del primer microprocesador en operación sólo hemos conocido chips más pequeños, baratos y rápidos. Pero ahora existe un notable cuello de botella en términos de velocidad y consumo para las comunicaciones entre los chips. Las conexiones tradicionales tienen pérdidas energéticas y se reduce la velocidad de las comunicaciones.

¿Por qué emplear la luz?

El transporte de datos a través de pequeñas conexiones eléctricas está limitado por el ancho de banda y la densidad energética, lo que crea este cuello de botella en el rendimiento de los chips y los sistemas de computación modernos desde los smartphones a los data centers más grandes del mundo.

Estas limitaciones pueden superarse empleando comunicaciones ópticas basadas en sistemas fotónicos del tamaño de un chip habilitados por dispositivos nanofotónicos basados en silicio. El problema es que combinar comunicaciones eléctricas y fotónicas crea varios problemas debido a los conflictos de fabricación de microchips entre la electrónica y la fotónica. En consecuencia, los chips electrónico-fotónicos actuales se limitan a procesos de fabricación de nicho e incluyen sólo unos pocos dispositivos ópticos junto con circuitos demasiado simples.

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Chen Sun y sus compañeros presentan un enfoque totalmente compatible con los procesos de producción comercial de la microelectrónica contemporánea; dicha compatibilidad ha sido la mayor barrera a superar en los avances de la fotónica basada en el silicio.

Han desarrollado un microprocesador de 70 millones de transistores y 850 componentes fotónicos que se comunican con otros chips empleando la luz. Lo mejor: este enfoque de integración entre los complejos circuitos ópticos nanométricos, junto a los avanzados circuitos necesarios en la actualidad requieren cambios mínimos a los procesos de fabricación de chips.

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Glenn Asakawa, University of Colorado

A pesar del creciente interés en la fotónica basada en silicio y el desarrollo de circuitos integrados más eficientes, pocas muestras existen que combinen los avances.

Esto se debe a que el sustrato de silicio usado en fotónica es muy diferente de los sustratos estándar empleados en la electrónica. Incluso el cambio más pequeño en la tecnología CMOS puede degradar significativamente el rendimiento de los transistores empleados en los chips. Por ello, el desarrollo de un proceso que permita combinar electrónica con fotónica era altamente complicado.

Esto es porque el sustrato de silicio para la fotónica es muy diferente de los sustratos estándar utilizados en la electrónica – e incluso ligeros cambios a la tecnología CMOS puede degradar el rendimiento de los transistores utilizados en microchips. Como tal, el desarrollo de un proceso para combinar la electrónica y la fotónica en un solo chip es altamente desafiante

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El proceso

La primera estrategia de la industria fue emplazar los transistores y los dispositivos fotónicos en la misma capa de un chip de silicio. El método estaba basado en un proceso electrónico CMOS a través de un sustrato no estándar en la industria que permitía una propagación rápida de la luz.

Pero aunque la integración fuese posible para desarrollar comunicaciones de entrada y salida a través de la luz, se requeriría inversiones enormes de dinero para adaptar la producción de chips avanzados como los que emplea nuestro smartphone a este desarrollo.

Chen Sun y su equipo con su estrategia «cero-cambios» desafían ese planteamiento. Han logrado emplear un proceso CMOS comercial, y utilizado en la actualidad para fabricar electrónica, acomodando los dispositivos fotónicos sin etapas o desarrollos extra.

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Esto permite que los diseños electrónicos actuales puedan ser usados y combinados con componentes fotónicos sin procesos adicionales lo que podría incrementar drásticamente la eficiencia y fiabilidad del sistema en chip (SoC) resultante.

Los autores informan de grandes ventajas en la intercomunicación de un microprocesador. Su SoC integra millones de transistores y cientos de dispositivos fotónicos para formar un procesador y una memoria que se comunican entre sí usando la luz a una velocidad de 2.5 gigabits por segundo.

Los componentes fotónicos se usan para guiar codificar y detectar la información en combinación con los materiales estándar en la industria de la electrónica como el silicio y el silicio-germanio (SiGe).

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Los investigadores han usado una fuente externa de luz para alimentar a los dispositivos fotónicos a una longitud de onda de 1.180nm para ser conducida sin problemas por el silicio. Tanto la memoria como el procesador incluyen un modulador compacto de silicio para codificar y decodificar la información de punto a punto.

Estudio mostrado en la revista Nature 10.1038/nature16454. Paper online.

 

 

 

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