Una nueva tecnología de microchip capaz de transferir datos ópticamente podría resolver un cuello de botella severo en los dispositivos actuales al acelerar la transferencia de datos y reducir el consumo de energía en órdenes de magnitud. según un artículo publicado el 19 de abril, 2018 número de Naturaleza .

Investigadores de la Universidad de Boston, Instituto de Tecnología de Massachusetts, la Universidad de California Berkeley y la Universidad de Colorado Boulder han desarrollado un método para fabricar chips de silicio que pueden comunicarse con la luz y no son más costosos que la tecnología de chips actual. El resultado es la culminación de un proyecto de varios años financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa que fue una estrecha colaboración entre equipos dirigidos por el Profesor Asociado Vladimir Stojanovic de UC Berkeley. Profesor Rajeev Ram del MIT, y el profesor asistente Milos Popovic de la Universidad de Boston y anteriormente CU Boulder. Colaboraron con un equipo de investigación de fabricación de semiconductores en las Facultades de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala (CNSE) de la Universidad Estatal de Nueva York en Albany.

El cuello de botella de la señalización eléctrica entre los chips microelectrónicos actuales ha dejado la comunicación de la luz como una de las únicas opciones que quedan para un mayor progreso tecnológico. El método tradicional de transferencia de datos (cables eléctricos) tiene un límite sobre la rapidez y la distancia a la que se pueden transferir los datos. También consume mucha energía y genera calor. Con la incesante demanda de mayor rendimiento y menor potencia en la electrónica, se han alcanzado estos límites. Pero con este nuevo desarrollo, ese cuello de botella puede resolverse.

"En lugar de un solo cable que transporta de 10 a 100 gigabits por segundo, puede tener una sola fibra óptica que transmita de 10 a 20 terabits por segundo, por lo que unas mil veces más en el mismo espacio, "dice Popovic.

"Si reemplaza un cable con una fibra óptica, hay dos formas de ganar, ", dice." Primero, con luz, puede enviar datos a frecuencias mucho más altas sin una pérdida significativa de energía como ocurre con el cableado de cobre. Segundo, con óptica, puede usar muchos colores diferentes de luz en una fibra y cada uno puede transportar un canal de datos. Las fibras también pueden empaquetarse más juntas que los cables de cobre sin diafonía ".

En el pasado, El progreso para integrar una capacidad fotónica en chips de última generación que se utilizan en computadoras y teléfonos inteligentes se vio obstaculizado por un obstáculo en la fabricación. Los procesadores modernos están habilitados por procesos de fabricación de semiconductores industriales altamente desarrollados capaces de eliminar mil millones de transistores que trabajan juntos en un solo chip. Pero estos procesos de fabricación están finamente ajustados y resultó difícil diseñar un enfoque para incluir dispositivos ópticos en chips manteniendo intactas las capacidades eléctricas actuales.

El primer gran éxito en la superación de este obstáculo fue en 2015 cuando el mismo grupo de investigadores publicó otro artículo en Naturaleza que resolvió este problema, pero lo hizo en un entorno comercialmente relevante limitado. El documento demostró el primer microprocesador del mundo con capacidad de transferencia de datos fotónicos y el enfoque para fabricarlo sin cambiar el proceso de fabricación original, un concepto que los investigadores han denominado tecnología de cambio cero. Laboratorios Ayar, C ª., una startup que Ram, Popovic y Stojanovic cofundaron, se ha asociado recientemente con el principal fabricante de la industria de semiconductores GlobalFoundries para comercializar esta tecnología.

Sin embargo, este enfoque anterior era aplicable a una pequeña fracción de chips microelectrónicos de última generación que no incluían el tipo más frecuente, que utilizan un material de partida denominado silicio a granel.

En el nuevo periódico, los investigadores presentan una solución de fabricación aplicable incluso a los chips más difundidos comercialmente basados ​​en silicio a granel, introduciendo un conjunto de nuevas capas de material en la parte de procesamiento fotónico del chip de silicio. Demuestran que este cambio permite la comunicación óptica sin impacto negativo en la electrónica. Al trabajar con investigadores de fabricación de semiconductores de última generación en CNSE Albany para desarrollar esta solución, los científicos se aseguraron de que cualquier proceso que se desarrollara pudiera insertarse sin problemas en la fabricación actual a nivel industrial.

"Investigando y optimizando cuidadosamente las propiedades de las capas de material adicionales para dispositivos fotónicos, Logramos demostrar un rendimiento de nivel de sistema de vanguardia en términos de densidad de ancho de banda y consumo de energía, mientras partíamos de un proceso mucho menos costoso en comparación con las tecnologías de la competencia. "dice Fabio Pavanello, un ex asociado postdoctoral del grupo de investigación de Popovic que es coautor del artículo con Amir Atabaki, un científico investigador del MIT, y Sajjad Moazeni, estudiante de posgrado en UC Berkeley. "Fue necesaria una gran colaboración durante varios años por parte de nuestros tres grupos en diferentes disciplinas para lograr este resultado, "agrega Atabaki.

La nueva plataforma, que lleva la fotónica a chips microelectrónicos de silicio a granel de última generación, promete comunicaciones más rápidas y energéticamente eficientes que podrían mejorar enormemente la informática y los dispositivos móviles. Las aplicaciones más allá de la comunicación de datos tradicional incluyen acelerar el entrenamiento de redes neuronales artificiales de aprendizaje profundo utilizadas en tareas de reconocimiento de imagen y voz, y sensores LIDAR infrarrojos de bajo coste para vehículos autónomos, identificación facial de teléfonos inteligentes y tecnología de realidad aumentada. Además, Los microchips habilitados ópticamente podrían permitir nuevos tipos de seguridad de datos y autenticación de hardware, chips más potentes para dispositivos móviles que operan en redes inalámbricas de quinta generación (5G), y componentes para el procesamiento y la computación de información cuántica.

"Para las tecnologías de fabricación de semiconductores actuales más avanzadas y futuras con dimensiones de transistores electrónicos inferiores a 20 nm, no hay otra forma de integrar la fotónica que este enfoque. ", concluyó Vladimir Stojanovic, cuyo equipo dirigió parte del trabajo, "Todas las capas de material utilizadas para formar transistores se vuelven demasiado delgadas para soportar la fotónica, por lo que se necesitan capas adicionales ".