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Procesadores más rápidos con tecnología fotónica

Un equipo liderado por la Universidad de Oxford ha creado un primer dispositivo electroóptico de tecnología fotónica que une los campos de la informática óptica y electrónica. Esto proporciona una solución para lograr memorias y procesadores de computadora más rápidos y más eficientes energéticamente.

Computar a la velocidad de la luz es una perspectiva atractiva, y con este desarrollo ahora está a nuestro alcance. Si bien el uso de la luz para realizar diversos procesos informáticos se ha demostrado anteriormente, hasta ahora faltaba un dispositivo compacto para interactuar con la arquitectura electrónica de las computadoras tradicionales.

La incompatibilidad de la informática eléctrica y la basada en la luz se deriva de los volúmenes de interacción fundamentalmente diferentes para electrones y fotones: la longitud de onda de la luz es mucho mayor que la de los electrones.

Solución nanoscópica para computación a la velocidad de la luz

Para superar este problema fundamental, el equipo de Oxford-Münster-Exeter ideó una solución para confinar la luz en dimensiones nanoscópicas, como se detalla en su documento Plasmonic nanogap enhanced phase change devices with dual electrical-optical functionality publicado en Science Advances, 29 de noviembre de 2019

Celda de memoria plasmónica de modo mixto integrada en una guía de onda fotónica.
( A ) Ilustración 3D del concepto de dispositivo. La luz se entrega al dispositivo a nanoescala a través de una guía de onda fotónica, mientras que los contactos Au sirven como electrodos del dispositivo y nanogap plasmónico para enfocar la luz entrante. ( B ) Imágenes ópticas y ( C y D ) SEM del dispositivo después de la fabricación {barra de escala [inserción de (C)], 100 nm}. El ancho del nanogap se midió en aproximadamente 50 nm para los dispositivos utilizados. ( E ) Simulaciones en modo propio de mejora de campo dentro del nanogap plasmónico cuando el GST está en el estado amorfo (superior) o cristalino (región entre electrodos Au, inferior). La mejora de campo es mucho más fuerte cuando GST está en estado amorfo debido a la pérdida óptica significativamente menor. ( F) Simulación FDTD de la transmisión del dispositivo antes y después de la cristalización. El cambio significativo en el índice de refracción cambia el acoplamiento entre el nanogap y la guía de onda, lo que reduce la reflexión desde la guía de onda de entrada, lo que aumenta la transmisión general del dispositivo en el estado cristalino. ( G ) Medición experimental de la energía total en la guía de onda requerida para lograr una transición de fase no volátil. El umbral de conmutación se midió en 16 ± 2 pJ de acuerdo con un ajuste lineal a los datos (línea discontinua negra). Crédito: Science Advances

Fotónica integrada para procesadores más rápidos

Más específicamente, combinaron conceptos de fotónica integrada, plasmónicos y tecnologías de memoria electrónica para entregar un dispositivo compacto que puede funcionar simultáneamente como memoria óptica o eléctrica, y como procesador.

La información puede almacenarse y procesarse utilizando señales luminosas o eléctricas, o incluso mediante cualquier combinación de ambas.

«Este es un camino muy prometedor para la computación, especialmente en campos donde se necesita una alta eficiencia de procesamiento«, afirma Nikolaos Farmakidis, estudiante graduado en Oxford y coautor. Nathan Youngblood, el otro coautor, continúa: “Esto incluye naturalmente a la IA, donde las necesidades de computación de alto rendimiento y baja potencia exceden nuestras capacidades actuales. Se cree que la interfaz de la informática fotónica basada en la luz con su contraparte eléctrica es la clave para el próximo capítulo de las tecnologías CMOS «.

El trabajo se llevó a cabo como parte del proyecto Fun-COMP de la UE H2020,  liderado por el coautor Prof C David Wright de la Universidad de Exeter, quien agregó:

“La informática electrónica y fotónica tiene sus propias ventajas y desventajas: puede ser, por explotando dispositivos como los que hemos desarrollado en este trabajo, que podemos, en última instancia, lograr lo mejor de ambos mundos trabajando sin problemas en ambos dominios «.

Este primer dispositivo de su clase integrado a nanoescala programable con fotones o electrones ha sido desarrollado por científicos del grupo de investigación del profesor Harish Bhaskaran en la Universidad de Oxford, en colaboración con investigadores de las universidades de Münster y Exeter.