Foto: Un procesador que integre circuitos electrónicos y tecnología óptica en un mismo chip podría ayudar a ahorrar energía en los centros de de procesamiento de datos.

Los centros de procesamiento de datos consumen una gran cantidad de energía y son responsables de enormes emisiones de dióxido de carbono. Los diseñadores de chips llevan mucho tiempo soñando con un microprocesador que utilice conexiones ópticas en vez de cables eléctricos para transportar datos (ver Computación a la velocidad de la luz). Sin embargo, los intentos de fabricar uno habían resultado frustrados a lo largo de los años.

Ahora existe un prototipo, descrito en la revista Nature, que ofrece una prometedora y práctica posibilidad. El microprocesador optoelectrónico, desarrollado por un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de California en Berkeley y la Universidad de Colorado en Boulder (todos en EEUU), integra unos 70 millones de transistores y 850 componentes ópticos. El sistema utiliza fibras ópticas, emisores y receptores para enviar datos entre un chip procesador y un chip de memoria. En una demostración, el microprocesador ha lograso ejecutar un programa de gráficos para proyectar y manipular una imagen en 3D, labor que requiere utilizar las conexiones ópticas internas para recuperar datos desde la memoria y obtener las instrucciones.

Las conexiones ópticas transportan una mayor cantidad de datos en menos tiempo que las eléctricas con el mismo consumo energético. El prototipo logró una velocidad de transferencia (medida como densidad de ancho de banda por milímetro cuadrado) de 300 gigabits por segundo. Según los investigadores, se trataría de una velocidad entre 10 y 50 veces mayor que la que ofrecería un microprocesador electrónico al uso en el mercado actual. El investigador de la Universidad de California en Berkeley Chen Sun afirma que esta ampliación del ancho de banda podría ahorrar mucha energía en los centros de procesamiento de datos. Sun calcula que entre un 20% y un 30% de la energía que se utiliza en los centros de procesamiento de datos se dedica a la transferencia de datos entre el procesador, la memoria y las tarjetas de red. Según un análisis del Consejo para la Defensa de Recursos Naturales (NRDC por sus siglas en inglés), los centros de procesamiento de datos en Estados Unidos consumirán 140.000 millones de kilovatios-hora de electricidad al año en 2020, lo cual supondrá un coste de 13.000 millones de dólares (casi 12.000 millones de euros) y una emisión de 100 millones de toneladas métricas de dióxido de carbono.

Aunque el uso de conexiones ópticas en telecomunicaciones de larga distancia ya está muy extendido, aplicarlas en servidores y chips siempre ha sido complicado. Fabricar componentes ópticos resulta muy caro, ya que supone trabajar con procesos y materiales que son difíciles, si no imposibles, de integrar en las cadenas de fabricación de semiconductores vigentes en la actualidad.

Foto: El chip visto de cerca.

Combinar componentes ópticos y componentes electrónicos en un mismo chip es particularmente arduo. Según Sun, hasta la fecha, los científicos tan solo habían conseguido combinar circuitos muy sencillos con partes ópticas. Estos sistemas seguirían siendo muy caros. Sus colaboradores y él esperan mantener los costes bajos fabricando sus dispositivos en instalaciones convencionales de fabricación de semiconductores. Los chips de la demostración se fabricaron en unas instalaciones corrientes, gestionadas por GlobalFoundries en Fishkill, Nueva York (EEUU). Los investigadores les enviaron sus diseños y esperaron a recibir sus chips de prueba. Esta fábrica pertenece a otra generación; fabricar los chips en las vanguardistas instalaciones que se utilizan para la fabricación de los mejores circuitos modernos requerirá más trabajo.

El ingeniero eléctrico de la Universidad de California en San Diego (EEUU) Shayan Moorkherjea, que se encuentra desarrollando a su vez conexiones ópticas para centros de procesamiento de datos, dice que conseguir una conexión óptica entre la memoria y el procesador en el propio chip utilizando obleas de silicona tradicionales en una fundición corriente es "un logro tecnológico importante". Sin embargo, recuerda que fabricar los chips de tal forma exige grabar sobre parte del soporte de silicona que permitiría que la luz se filtrase lejos de las partes del chip en funcionamiento. Llevar esto a cabo de forma efectiva podría resultar complicado.

Sun se mantiene optimista. El pasado mayo, fundó una empresa con el fin de comercializar sus diseños.  Asegura que Ayar Labs, de Berkeley, está desarrollando productos para centros de procesamiento de datos y podría tenerlo todo listo para lanzar un producto al mercado en tan solo dos años.