El replanteamiento del diseño del chip fotónico podría reducir el uso de energía del centro de datos

Oct 01, 2023

Los circuitos integrados fotónicos, o PIC, son dispositivos que permiten la generación, transferencia y procesamiento de datos utilizando partículas de luz en lugar de electrones. Aunque aún se encuentran en fase experimental para su uso en computación alternativa, los PIC han sido durante mucho tiempo la columna vertebral de las telecomunicaciones, permitiendo la funcionalidad de las líneas de fibra óptica de alta velocidad actuales.

Gracias a los métodos tradicionales de fabricación de semiconductores, el silicio se ha convertido en la plataforma principal en el desarrollo de este tipo de chips, lo que permite a los ingenieros utilizar las instalaciones de fabricación de componentes electrónicos existentes para diseñarlos y producirlos en masa.

Aunque los PIC son mucho más eficientes y ofrecen un ancho de banda significativamente mayor en comparación con los métodos de comunicaciones electrónicas, todavía hay margen de mejora, ya que los chips fotónicos de silicio requieren mucha energía para la regulación de la temperatura a fin de mantener un alto rendimiento de transferencia de datos.

En este artículo, analizaremos un avance en la eficiencia de los circuitos integrados fotónicos que proviene de un esfuerzo de investigación combinado de ingenieros y científicos de la Universidad Estatal de Oregón y la Universidad de Baylor que pretenden reducir drásticamente el consumo de energía eléctrica en los centros de datos.

Con el fin de transportar múltiples frecuencias de luz a través del mismo medio fotónico y permitir que diferentes señales se transmitan simultáneamente utilizando una sola fibra óptica, los ingenieros han ideado un método llamado multiplexación por división de longitud de onda (WDM) en el que se puede aumentar la capacidad del canal de datos de la tecnología. sin obstaculizar su velocidad de transferencia extremadamente rápida.

En los circuitos integrados fotónicos, las estructuras utilizadas para llevar a cabo WDM se denominan resonadores de microanillo de silicio, o Si-MRR, que funcionan como guías de ondas ópticas volviendo sobre sí mismas de manera que se produce una resonancia cada vez que la longitud del camino óptico de un resonador singular mide exactamente un número entero de longitudes de onda.

Al fabricar estos tipos de resonadores de anillo con silicio, WDM se puede realizar a una escala extremadamente pequeña y como parte de sistemas de consumo de energía ultra bajo. Sin embargo, un desafío importante en la tecnología Si-MRR es la sensibilidad a la longitud de onda resonante debido a las fluctuaciones de temperatura y las variaciones del proceso de fabricación.

Hasta ahora, estos dispositivos han manejado un control preciso de la longitud de onda mediante la inyección de portadores libres utilizando diodos PIN y calentadores térmicos que requieren una cantidad significativa de energía eléctrica.

Ahora, los investigadores del estado de Oregón y Baylor han presentado un método novedoso para reducir este requerimiento de energía de control de temperatura en un asombroso factor de más de un millón.

En marzo, un equipo dirigido por el profesor de la Universidad de Baylor, Alan Wang, publicó sus hallazgos al experimentar con Si-MRR controlados por compuertas para el desarrollo de circuitos integrados fotónicos altamente eficientes.

Al abordar los desafíos de temperatura de la tecnología, el equipo del profesor Wang desarrolló un tipo especializado de filtro WDM en chip ajustable de forma independiente que utiliza una matriz de cuatro Si-MMR con óxido de indio y estaño (ITiO), óxido de hafnio (IV) (HfO2) y silicio. condensadores fabricados de metal-óxido-semiconductor (MOS).

El compuesto MOS utilizado en esta investigación es lo que se conoce como óxido conductor transparente (TCO) de alta movilidad que, a diferencia de las uniones PN, exhibe eficiencias electroópticas mucho mayores. Esto es lo que produce efectivamente las características de ahorro de energía de este avance, ya que al usar materiales TCO, se puede lograr un amplio rango de sintonización de longitud de onda a través de un voltaje de puerta bajo y un consumo de energía insignificante.

Según el profesor John Conley de la Facultad de Ingeniería del Estado de Oregón, gracias a su conocimiento en deposición de capas atómicas y dispositivos electrónicos, y la experiencia del profesor Wang en fotónica, su equipo fue capaz de producir un prototipo funcional de PIC cuya temperatura se controla a través del voltaje de la puerta. prácticamente sin uso de corriente eléctrica.

La investigación de los profesores Conley y Wang también incluyó a los estudiantes graduados de la Universidad Estatal de Oregon Wei-Che Hsu, Ben Kupp y Nabila Nujhat y fue respaldada por Intel, la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias.

Debido a que la fibra óptica y los circuitos fotónicos son cruciales para establecer interconexiones físicas rápidas y confiables en los centros de datos, la investigación realizada por los ingenieros del Estado de Oregón y la Universidad de Baylor podría tener un impacto significativo en una industria que actualmente es y será en el futuro previsible. , muy alta en la demanda.

Los centros de datos albergan la importante infraestructura informática y de red de muchas empresas, incluidas Google, Meta y Microsoft, y deben operar en todo momento, lo que representa alrededor del dos por ciento de todo el uso de energía eléctrica en los Estados Unidos, según el Departamento de Energía.

Si bien aún es experimental, la investigación de PIC publicada por los profesores Wang y Conley puede desempeñar un papel importante en la minimización de estos requisitos de energía, lo que permite a los ingenieros crear herramientas más rápidas y potentes sin tener que preocuparse por las facturas de electricidad y el impacto ambiental.