Haces de luz sustituirán a los circuitos de cobre en los ordenadores del futuro

Intel ha anunciado esta semana un avance importante en la utilización de rayos de luz como sustitutos de electrones para transportar datos dentro y alrededor de los ordenadores. La compañía ha desarrollado un prototipo de investigación que representa la primera conexión óptica de datos del mundo basada en silicio con láser integrado. Este enlace puede transferir datos a mayor distancia y a mucha más velocidad de lo que se logra en este momento con la tecnología de cobre, pudiendo alcanzar hasta 50 gigabits de datos por segundo –el equivalente de la transmisión de toda una película en HD cada segundo–.

Los componentes informáticos actuales se conectan entre sí utilizando cables de cobre o pistas en placas de circuitos impresos. Debido a la degradación de la señal inherente al uso de metales como el cobre para la transmisión de datos, estas pistas tienen una longitud máxima limitada. Esto restringe el diseño de ordenadores, ya que obliga a colocar los procesadores, la memoria y otros componentes a una cierta distancia unos de otros. El gran avance de las investigaciones actuales representa otro paso adelante para la sustitución de estas conexiones por unas fibras ópticas extremadamente finas y ligeras, que pueden transmitir más cantidad de datos a una distancia mucho mayor, lo que puede cambiar radicalmente el diseño de los ordenadores y la arquitectura de los centros de datos del futuro.

La fotónica de silicio va a tener aplicaciones en todo el sector informático. Por ejemplo, a estas velocidades de transmisión de datos, podemos imaginar el desarrollo de unas pantallas 3D del tamaño de una pared para entretenimiento y videoconferencia, con una resolución tan alta que puede parecer que los actores o los miembros de la familia que aparecen en lo visualizado se encuentran en la habitación junto a usted. Los centros de datos o los supercomputadores del futuro podrían tener sus componentes repartidos por un edificio o incluso por todo un campus, pudiendo comunicarse todos ellos a alta velocidad, en vez de verse restringidos por conexiones de cables de cobre con una capacidad y un alcance limitados.

De esta forma, se permitiría a los usuarios de centros de datos, como los de una empresa especializada en búsquedas, un proveedor de informática de la nube o un centro de datos financiero, incrementar su rendimiento y su capacidad para ahorrar una gran cantidad de costes en espacio y energía, o para ayudar a los científicos a crear unos supercomputadores más potentes que resuelvan los mayores problemas del mundo.

Silicio a bajo coste

El enlace de 50Gbps es una "prueba de concepto", como esos coches con que las empresas del sector automovilística nos sorprenden de vez en cuando, que permite a los investigadores probar nuevas ideas y seguir la búsqueda de desarrollo de tecnologías para transmisión de datos que utilizan fibra óptica, empleando rayos de luz provenientes de silicio de bajo coste y fácil de elaborar, en vez de precisar dispositivos costosos y de difícil elaboración. Aunque las telecomunicaciones y otras aplicaciones ya utilizan el láser para transmitir información, las tecnologías actuales son muy caras y voluminosas para emplearlas dentro de un PC.

El prototipo del Silicon Photonics Link de 50Gbps es el resultado de varios años de estudios en fotónica de silicio, a lo largo de los cuales se han conseguido varios hitos a escala mundial. Este prototipo está formado por un chip transmisor y otro receptor de silicio; cada uno de ellos cuenta con todos los componentes necesarios extraídos de innovaciones anteriores de Intel, entre los que se incluyen el primer láser híbrido de silicio (Hybrid Silicon Laser) desarrollado conjuntamente con la Universidad de California en Santa Bárbara en 2006, además de moduladores ópticos de alta velocidad y los fotodetectores anunciados en 2007.

El chip transmisor se compone de cuatro láseres cuyos rayos de luz viajan a través de un modulador óptico que cifra los datos a 12.5Gbps. Los cuatro rayos se combinan posteriormente y se envían a una única fibra óptica para conseguir una velocidad total de datos de 50Gbps. Al otro extremo del enlace, el chip receptor separa los cuatro rayos de luz y los dirige a los fotodetectores que vuelven a convertirlos en señales eléctricas. Ambos chips se montan utilizando técnicas de fabricación de bajo coste ya conocidas en el sector de los semiconductores. Los investigadores ya están trabajando para incrementar la velocidad de los datos, mediante la mejora de la velocidad del modulador, además del incremento del número de láseres por chip, lo que proporcionará un camino para tener en el futuro enlaces ópticos de terabits –una velocidad lo suficientemente alta como para transferir una copia de todos los contenidos habituales de un ordenador portátil en tan sólo un segundo–.

Esta investigación se realiza de forma independiente al estudio de la tecnología Light Peak de Intel. Esta tecnología es una iniciativa para aplicaciones a corto plazo desarrollada para ofrecer una conexión óptica multiprotocolo de 10Gbps a las plataformas de equipos cliente de Intel. La fotónica de silicio es un área de investigación que tiene como objetivo el empleo de la integración de silicio para ofrecer grandes reducciones en costes, alcanzar tasas de transferencia de datos de teraescala y llevar las comunicaciones ópticas a un conjunto más amplio de aplicaciones de alto volumen.

Un nuevo horizonte

Se abre así un nuevo campo de investigación denominado óptica de transformación, que podría marcar el inicio de gran cantidad de avances drásticos, incluida una capa de invisibilidad y ordenadores y microscopios ultrapotentes, utilizando nanotecnología y metamateriales.

El campo, que aplica unos principios matemáticos similares a los de la teoría de la relatividad de Einstein, se describe en un artículo que ya fue publicado hace menos de dos años en la revista Science. El artículo fue escrito por Vladimir Shalaev, profesor de ingeniería informática y eléctrica de Purdue.

En la lista de posibles avances están: una capa de invisibilidad; ordenadores y dispositivos electrónicos de consumo que utilizan la luz en lugar de señales electrónicas para procesar la información; una ‘hiperlente plana’, que podría incrementar hasta 10 veces la potencia de los microscopios ópticos y permite ver objetos tan pequeños como el ADN; sensores avanzados; colectores solares más eficaces.

"La óptica de transformación es una nueva forma de manipular y controlar la luz en todas las distancias, desde la macroescala a la nanoescala, y representa un nuevo paradigma para la ciencia de la luz", señalaba Shalaev.

Las tecnologías ópticas actuales están limitadas porque, para un control eficaz de la luz, los componentes no pueden ser más pequeños que el tamaño de las longitudes de onda de la luz. La óptica de transformación elude esta limitación utilizando una nueva clase de materiales, o metamateriales, capaces de guiar y controlar la luz en todas las escalas, incluida la nanométrica. Se abre así un nuevo horizonte de investigación y posibilidades para el desarrollo de la tecnología sin precedentes hasta la fecha. Habrá que estar expectantes para no perderse detalle de lo que está por venir.