Así se vincularán las CPUs mediante luz pero sin fibra óptica

Así se vincularán las CPUs mediante luz pero sin fibra óptica

Rodrigo Alonso

Los enlaces de fibra óptica ya son el método principal para transferir datos entre grupos de servidores en centros de datos, y los ingenieros quieren llevar su increíble ancho de banda al ámbito de los procesadores. Este paso tiene un costo bastante alto pero la clave está en lo que han bautizado como Plasmonics (plasmónicos), un método mediante el que se podrían vincular varias CPUs mediante luz pero sin necesidad de fibra óptica.

Los componentes fotónicos de silicio son enormes en comparación con sus homólogos electrónicos, y eso impide por ahora su utilización en procesadores que, como sabéis, funcionan con transistores con unas dimensiones de nanómetros. Esto crea una dificultad y unos costes adicionales bastante grandes, pero los investigadores de la Universidad de Toronto en EEUU y en la propia ARM creen que pueden reducir en gran medida estos problemas.

Plasmónicos, o cómo vincular CPUs mediante haces de luz

Que los componentes fotónicos de silicio sean mucho más grandes que los electrónicos no es porque la técnica no permita fabricarlos más pequeños, sino porque es una función de las longitudes de onda ópticas, que son mucho más grandes que los transistores actuales y las interconexiones de cobre que unen los circuitos. Los componentes fotónicos del silicio también son demasiado sensibles a los cambios de temperatura, tanto que los chips deben incluir elementos calefactores que ocupan aproximadamente la mitad de su área y consumo de energía.

Plasmonics

En una conferencia virtual, un investigador del laboratorio de Amr S. Helmy describió nuevos componentes del transceptor de silicio que esquivan ambos problemas al depender de Plasmonics (Plasmónicos) en lugar de fotónicos. Los resultados apuntan a transceptores capaces de duplicar (como poco) el ancho de banda mientras que consumen un tercio y ocupan un 20% del área; lo que es más, podrían construirse directamente sobre el procesador en lugar de en chiplets separados como se hace con la fotónica de silicio.

Cuando la luz incide en la interfaz entre un metal y un aislante en un ángulo poco pronunciado se forman los plasmones: ondas de densidad electrónica que se propagan a lo largo de la superficie del metal. Convenientemente, los plasmones pueden viajar por una guía de ondas que es mucho más estrecha que la luz que lo forma, pero por lo general se apagan muy rápidamente porque el metal absorbe la luz.

Así, los investigadores de Toronto han inventado una estructura para aprovechar el tamaño más pequeño de los plasmónicos y, al mismo tiempo, reducir en gran medida la pérdida de energía. Llamada guía de onda plasmónica híbrida acoplada (CPHW), consiste esencialmente en una pila compuesta de silicio, indio, óxido de estaño, dióxido de silicio, aluminio y más silicio. Esta combinación forma dos tipos de uniones semiconductoras, un diodo Schottky y un semiconductor de óxido metálico, con el aluminio que contiene el plasmón en común entre los dos. Dentro del metal, el plasmón en la unión superior interfiere con el de la unión inferior de tal manera que la pérdida se reduce en casi dos órdenes de magnitud.

Plasmonics

Utilizando CPHW como base, se construyen dos componentes fotónicos clave: un modulador que convierte bits electrónicos en fotónicos y un fotodetector, que hace lo contrario. El modulador ocupa solo 2 micrómetros cuadrados y puede cambiar entre estados a una frecuencia de 26 GHz, el límite del equipamiento de que disponen los investigadores, pero según la capacitancia medida el límite teórico sería de nada menos que 636 GHz.

¿Para qué serviría esta tecnología?

Vincular varias CPUs tiene unos enormes beneficios en términos de computación; imaginad que podamos tener literalmente dos procesadores funcionando simultáneamente en el sistema, sin interfaces que limiten su ancho de banda. En la actualidad es posible transmitir hasta a 39 Gbps, pero esta tecnología permitiría transmitir cómodamente y sin tener que recurrir a corrección de errores a 150 Gbps, así que estaríamos hablando de más de cuatro veces más bits por segundo y todo integrado en el mismo paquete, sin tener que recurrir a la tecnología de chiplets.

En resumidas cuentas, vincular varias CPUs de esta manera nos permitiría incrementar notablemente el rendimiento que un procesador puede darnos hoy en día, y lo que es más, permitiría integrar procesadores dentro de procesadores casi de manera literal, multiplicando por dos el rendimiento bruto.