Reportaje - Una nueva frontera: transmisión de datos en chips a la velocidad de la luz
Los láseres son instrumentos fabulosos para la transmisión de información. Cada vez que se utiliza Internet o se realiza una llamada telefónica, se generan datos -en forma de pulsos de luz o fotones- que recorren cientos de kilómetros a través de redes de fibra óptica, cruzando el continente en todas direcciones. No obstante, la electrónica que compone el interior del ordenador se está quedando desfasada. Sus microprocesadores se valen de electrones para realizar cálculos y transferir datos dentro de cada chip y de unos chips a otros. «La electrónica se aproxima rápidamente a un punto crítico», aseguró Dries Van Thourhout, del Departamento de Informática de la Universidad de Gante (Bélgica), cuyo laboratorio está asociado a imec. «Hasta ahora hemos trabajado para aumentar la velocidad de los transistores, pero esta forma de aumentar el rendimiento se ha estancado. Ahora se trata de compactar más potencia en un espacio cada vez más reducido. El mayor impedimento para ampliar las prestaciones es la velocidad que permiten las conexiones entre los chips y los distintos dispositivos. Es lo que llamamos "el cuello de botella de la interconectividad".» Sirva como ejemplo una fábrica de golosinas que produce miles de ellas por segundo pero sólo puede embolsarlas y despacharlas a los comercios a un ritmo de unos pocos centenares por segundo. Si no aminora la producción, las golosinas acaban por amontonarse, rodar por el suelo y saturar el sistema. Los potentes microprocesadores integrados en los ordenadores actuales manejan cantidades ingentes de datos y efectúan millones de cálculos por segundo. Todos estos datos se transfieren de un punto a otro del ordenador (o teléfono móvil). Pero las conexiones no están a la altura; sencillamente, no pueden remitir los electrones a una velocidad suficiente. Por tanto, como en el ejemplo anterior, la única manera de sobrellevar la situación es ralentizar la producción de datos. En este punto es donde entra en juego la luz. Los láseres pueden utilizarse para enviar fotones, en lugar de electrones, por cables de silicio. La luz, en longitudes de onda infrarrojas, se desplaza con una facilidad sorprendente por el silicio, aseguró Van Thourhout. Pero el motivo de que estas interconexiones sean superiores no es la velocidad de la luz, sino que ésta se puede «multiplexar», es decir, por la interconexión pueden enviarse a la vez fotones con distintas longitudes de onda. Si se usan tres longitudes de onda, en la práctica se está triplicando la velocidad de la transmisión de datos. Divide y vencerás Ante esta situación, los responsables del proyecto Wadimos («Capa fotónica multiplexada con división de la longitud de onda sobre CMOS») se marcaron la meta de desarrollar un prototipo de chip dotado de interconexiones ópticas con multiplexación. Dicho chip se basó en la tecnología creada en un proyecto anterior llamado PICMOS, en el que se fabricó el primer microchip con fuentes integradas de luz de microláser gracias a un pegamento excepcional desarrollado por los propios socios de dicha iniciativa. «PICMOS fue un éxito rotundo. Demostramos que era posible fabricar interconexiones ópticas con un funcionamiento satisfactorio», adujo Van Thourhout. «Pero una cosa es producir y demostrar algo en el laboratorio, y otra implantar chips de este tipo a gran escala en el sector, o resolver ese cuello de botella de la interconectividad; para eso hay que poder fabricarlos a escala industrial, millones de ellos. PICMOS demostró la viabilidad del concepto de las interconexiones ópticas. Wadimos está demostrando que la multiplexación es posible, como también lo es producir los chips en una planta común de fabricación de CMOS.» STMicroelectronics, el mayor fabricante de chips de Europa, ha colaborado con universidades e institutos de investigación de Francia e Italia y con una PYME neerlandesa especializada en litografía (grabado) para producir componentes electrónicos. Juntas, dichas entidades han ampliado los resultados de PICMOS y los han adaptado a procesos de fabricación más comerciales. Una de las mayores dificultades fue sustituir las conexiones de oro de los microláseres instalados en el prototipo de PICMOS. «En una planta de fabricación de chips no puede haber oro», explicó Van Thourhout. «Porque el oro contamina. Por eso nuestro socio CEA-LETI desarrolló un proceso gracias al cual los láseres integrados sobre los chips pudieron conectarse usando métales habituales en la fabricación de chips, como son el aluminio, el titanio y el nitruro de titanio.» El socio belga imec se dedicó a optimizar las estructuras pasivas del enrutador en silicio y a investigar la viabilidad de producirlas a escala industrial. Pero hay más entidades asociadas que han aportado conocimientos muy especializados. El Instituto de Nanotecnología de Lion (INL, Francia) creó un prototipo de «microfuente» en la que se puede controlar la longitud de onda emitida. Además, colaboró con STMicroelectronics para dar con una forma de simular la red óptica en un chip. Por último, la Universidad de Trento (Italia) diseñó y creó un prototipo de enrutador de silicio que podría utilizarse para desviar fotones por rutas ópticas determinadas. Reuniendo todos estos adelantos, el equipo de Wadimos ha creado una red de ocho bloques de silicio plenamente interconectados. En estas conexiones se ha demostrado una multiplexación que cumple su cometido y también la viabilidad del filtrado óptico para dirigir y controlar el paso de los fotones por las interconexiones de silicio y su posterior detección. Pese a todo, quedan muchas cuestiones por investigar, sobre todo si se quiere que los láseres funcionen correctamente a las elevadas temperaturas que se alcanzan en la superficie de un chip. En opinión de Van Thourhout, para que soporten el calor habrá que encontrar materiales nuevos. «Pese a todo, tenemos mucha confianza en que nuestro método se acabe imponiendo a largo plazo», admitió. «Nosotros seguimos un método exploratorio.» Y añadió que otros grupos de investigación, principalmente los radicados en Estados Unidos, han desarrollado interconexiones ópticas en los que se utiliza una fuente de láser externa al chip, es decir, el haz de láser se divide y redirige en cada interconexión. «Esta clase de chips está más avanzada y pronto se integrará en superordenadores -reconoció Van Thourhout-. Podrían incluso acabar usándose en ordenadores de consumo, pero a largo plazo lo eficiente será fabricar chips con fuentes de láser integradas .Consideramos que las interconexiones de Wadimos harán posible que la potencia de procesamiento informático siga aumentando y que resolverán el cuello de botella existente en la transmisión de datos. Nos proponemos lograr que las interconexiones ópticas se erijan en una tecnología estándar en la que se sustente el desarrollo de microprocesadores aún más pequeños y potentes, capaces de transmitir datos a velocidades del orden de 100 terabits por segundo.» La investigación realizada en Wadimos fue posible gracias a un presupuesto total de 3,2 millones de euros, de los que 2,3 millones se obtuvieron a través del programa «Componentes de nanoelectrónica e integración de electrónica de nueva generación» del tema de TIC del Séptimo Programa Marco (7PM) de la Unión Europea. Enlaces útiles: - sitio web de Wadimos - ficha informativa de Wadimos en CORDIS - sitio web de PICMOS - hoja informativa de PICMOS en CORDIS Artículos relacionados: - «Con el cobre no basta: nuevos chips apuntan a la velocidad de la luz»