He aquí por qué todavía no tenemos la informática basada en la luz

En principio, comunicarse con la luz es mucho, mucho más fácil que comunicarse con la electricidad. Lo hemos estado haciendo durante mucho más tiempo, en tecnologías que van desde señales de incendio hasta redes de fibra óptica, porque los fotones tienen la capacidad de mover datos mucho más rápido que los electrones. Sin embargo, la luz también tiene muchos problemas frustrantes que los electrones no tienen, problemas que han impedido que la luz desplazara la electricidad en las escalas nanométricas de la informática moderna. Durante mucho tiempo, el mayor impedimento para una revolución fotónica en la informática, y un aumento exponencial de la velocidad de la computadora, ha sido una especie de juego de suma cero entre tres jugadores principales: tamaño, potencia y calor.



Lo que pasa con la luz es que, según los estándares atómicos, es realmente muy grande. En general, la longitud de onda de luz más pequeña útil para la computación ha estado en el rango infrarrojo, alrededor de 1000 nm de tamaño, mientras que las mejoras en los transistores de silicio los han visto alcanzar e incluso superar el umbral de 10 nm. La litografía ha ideado formas increíblemente inteligentes y complejas de difractar la luz para grabar obleas de silicio con detalles más pequeños que la longitud de onda de la luz que realiza el grabado, cosas bastante increíbles, pero eso es un juego de niños en comparación con el tipo de súper rápido, súper complejo comunicación que necesitaríamos dentro de un procesador de computadora moderno. Las técnicas existentes para doblar las ondas de luz simplemente no funcionan.

Fibra óptica, en azul y blanco

Fibra óptica, en azul y blanco.



Para solucionar el problema del tamaño y hacer que la luz sea útil en las escalas que necesitamos para el rendimiento de la computadora de próxima generación, los ingenieros han recurrido a algo llamado 'plasmones de superficie'. Se trata esencialmente de electrones que se han excitado para que bailen a lo largo de la superficie de un material, aprovechando la rareza cuántica para comportarse y viajar más como un fotón que como un electrón. Es un punto intermedio entre la electricidad y la luz, utilizando muchos de los comportamientos de la luz, pero permaneciendo físicamente confinado a un espacio mucho, mucho más pequeño, justo en la superficie del cable. Si se crean en un alambre de cobre normal, estos plasmones de superficie pueden viajar mucho más rápido que un electrón normal en el mismo medio e incluso acercarse mucho a la velocidad de la luz.

La velocidad a la que podemos comunicarnos a distancia importa más cuando tenemos más distancia para comunicarnos, por lo que la primera aplicación informática asumida para la fotónica es la comunicación a distancias relativamente largas. Entre núcleos de procesador. En este momento, el cable de cobre conecta estos componentes ultrarrápidos para permitir que funcionen juntos, pero la comunicación entre los núcleos comienza a retrasarse cada vez más con respecto a la velocidad de cualquiera de esos núcleos individualmente. Entonces, si queremos utilizar toda la potencia potencial de, digamos, un procesador de 64 núcleos, tendremos que mantener esos núcleos coordinados con algo mucho más rápido que los electrones que se mueven a través del alambre de cobre; algo tan rápido como la luz sería bueno.



Sin embargo, el problema cuando se cambia de ondas de luz a plasmones de superficie es que los plasmones pierden su poder muy rápidamente; se mueven muy rápido, pero tienden a desaparecer mucho antes de llegar a su destino. Para que mantengan suficiente potencia desde la fuente hasta el destino, los ingenieros pueden 'bombear' el cable a un componente plasmónico activo; esencialmente, gastar un poco de energía en mantener el cable en un estado en el que los plasmones de la superficie no lo harán. pierden una tonelada de energía mientras viajan.

Pero eso crea su propio problema: calor. Los plasmones de superficie resuelven el problema de la longitud de onda y los plasmónicos activos resuelven el problema de la potencia del plasmón de superficie, pero ahora debemos evitar que todos estos componentes bombeados activamente se sobrecalienten debido a todo el exceso de energía que estamos agregando. Este ha sido un problema difícil de resolver, y ha llevado a la suposición de que cualquier sistema de computación fotónica necesitaría enfriarse con algún sistema de enfriamiento súper avanzado o estar hecho de algún material de cableado exótico que sea mucho mejor para mantener las señales de plasmón de superficie sin ayuda significativa.



Ambas áreas de investigación están bien encaminadas, pero estudio reciente del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) ha demostrado que con un régimen suficientemente bueno de las tecnologías de enfriamiento existentes, el alambre de cobre bombeado activamente podría darnos tanto la resbalabilidad del plasmón como la disipación de calor que necesitamos para hacer funcionar de manera realista un dispositivo de consumo. Eso significa que a medida que la arquitectura de computadora convencional se vuelve más compleja y agrega más núcleos de procesamiento, es posible que veamos el aumento de velocidad asociado que deseamos y esperamos.

comp óptica 2

Este complejo sistema de disipadores de calor convencionales podría ayudar a resolver uno de los mayores impedimentos para mejorar ópticamente las computadoras.

Por supuesto, la idea de la computación fotónica va más allá de simplemente mantener la coordinación entre los núcleos de procesamiento hechos de transistores electrónicos. No solo es muy ineficaz en cuanto a tiempo y energía cambiar las señales entre fotones y electrones, sino que los llamados transistores ópticos podrían tener un ancho de banda mucho mayor que los electrónicos. Requerirá una serie de avances adicionales, pero la investigación está en marcha, como este estudio reciente buscando un material asequible que pueda realizar una polarización precisa de las señales de luz en una película fina. Los nanotubos de grafeno y carbono tienen tonelada de posible utilidad para la computación óptica, ya que podrían transportar plasmones de superficie y hacer que las ventajas de la fotónica funcionen a nanoescala.

Una computadora óptica real está mucho más lejos que una híbrida, que utiliza tecnología óptica para coordinar núcleos electrónicos convencionales. Sin embargo, una vez creada, una computadora totalmente óptica podría permitirnos reiniciar la Ley de Moore. No se comparará con una futura computadora cuántica completa, pero hasta que obtengamos tal cosa, una computadora óptica es una de nuestras mejores apuestas para reiniciar el crecimiento exponencial de la potencia informática.



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