Intel nuevos procesadores basados en luz laser.

Hace 45 años, el físico estadounidense Theodore Harold Maiman observó el primer proceso láser en un cristal de rubí. Desde esa fecha en adelante el “dispositivo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación” se ha utilizado para innumerables aplicaciones, desde la medicina hasta las telecomunicaciones y el entretenimiento.

En este sentido, Intel acaba de dar un paso importante al lograr construir el primer Láser en base a un material barato, abundante y del cual tienen amplios conocimientos: el silicio. Canal AR fue el único medio argentino que dialogó con Manny Vara, el encargado de Relaciones Públicas de Intel Labs. quién explicó la importancia de esta innovación: “Este Láser está hecho de silicio a diferencia de la mayoría que están a la venta que son de materiales mucho más raros, caros y difíciles de fabricar. Al emplear silicio podemos usar las mismas fábricas con las que hoy hacemos microprocesadores, por eso el precio de su construcción va a ser muchísimo menor de lo que es hoy”.

Es importante a esta altura explicar qué es y cómo funciona un Láser. Básicamente se arroja un impulso lumínico u eléctrico (ver imagen) sobre un material como puede ser el rubí. Allí, mediante un sistema de espejos y aislamientos, ese impulso empieza a rebotar y cambiar de frecuencia (se amplifica) hasta convertirse en un haz de luz muy potente que se propaga fuera del material.

En un plano un poco más específico, la emisión estimulada del Láser es creada cambiando el estado de los electrones. Cuando estos cambian, liberan un fotón que es una partícula subatómica que genera luz. La generación de estos últimos puede ser estimulada en muchos materiales, pero no en el silicio dadas las propiedades que posee. Sin embargo un proceso alternativo llamado Efecto Raman (un cambio de frecuencia observado cuando la luz es dispersada por un material transparente) puede ser usado para la amplificación lumínica en materiales como el silicio.

Este efecto fue descubierto en 1928 por el físico indio Chandrasekhara Venkata Raman y es 10 mil veces más potente en el Silicio que en la fibra de vidrio convencional y unas 20 mil veces más que en el diamante. Sin embargo, hasta ahora el Silicio no se podía utilizar como material base para construir un Láser por lo que se conoce como el problema de la absorción de dos fotones (two photon absorption), problema que en los laboratorios de Intel lograron superar.

“Cuando se mete un haz de luz en una barra de silicio choca contra los átomos de ese material y hay electrones que se desprenden y absorben la luz (los fotones). Entonces el láser es intermitente; dura un segundo y se apaga. Intel construyó una estructura que se denomina PIN (P-type – Intrinsic – N-type) que hace pasar una corriente eléctrica por el silicio chupando los electrones que se liberan”, explicó Vara.

Las partículas que se ven en amarillo y blanco (electrones) son “arrastradas” por el polo positivo del campo eléctrico. Esta fue la principal innovación que hizo Intel, lograr que los electrones no se “chupen” a los fotones, otro tipo de particula subatómica contitutiva del rayo de luz (láser).

Las placas y procesadores que hay en una computadora convencional se comunican mediante diminutos hilos de cobre; para el especialista de Intel, eso está por cambiar: “Eso está bien para hoy, pero dentro de unos años cuando los procesadores y las memorias sean muchísimo más rápidos se van a necesitar vías de comunicación entre componentes mucho más veloces. Hoy estamos encontrando el ´límite del cobre´ en equipos que necesitan velocidades de transmisión y caudal de datos alta como un servidor. Entonces estamos planeando usar Lásers de silicio para conectar entre sí a los varios procesadores que puede llegar a tener un servidor. O a procesadores que sean Dual Core, por ejemplo”.

Un aspecto fundamental para la aplicación del Láser en las comunicaciones es que pueden generarse varios colores de rayo. Entonces en un mismo canal pueden ir rayos codificados en luces de varios colores lo que hace que se pueda incluir mayor información en una misma fibra. “En lo que estamos trabajando ahora es en mejorar esos codificadores y decodificacadores de colores de Láser” aclara Vara.

Gracias a este principio Intel acaba de crear la primera conexión fotónica de silicio de punta a punta con láseres integrados, en otras palabras, encontraron la manera de reemplazar por rayos de luz a los circuitos de las computadoras (con video y todo).

Intel anunció un importante avance en la utilización de rayos de luz para sustituir el uso de electrones en el transporte de datos entre computadoras y alrededor de ellas. El gigante de los procesadores desarrolló un prototipo de investigación que representa la primera conexión de datos óptica del mundo basada en silicio con láseres integrados.

El enlace puede mover datos a través de largas distancias y es más rápido que la tecnología de cobre de hoy. Se pueden transmitir hasta 50 gigabytes de datos por segundo, lo equivalente a una película entera en HD.

Hoy, los componentes de las computadoras se conectan entre sí mediante cables de cobre o trazados en placas de circuitos. Debido a la interferencia electromagnética que se produce en consecuencia del uso de metales como el cobre para transmitir datos, estos trazados tienen una longitud máxima limitada. Esto condiciona a su vez el diseño de las computadoras y obliga a que los procesadores, la memoria y otros componentes se ubiquen a algunos centímetros uno del otro.

El logro de hoy en el terreno de la investigación, es otro paso adelante hacia la sustitución de estas conexiones por fibras ópticas extremadamente finas y ligeras, que pueden transferir muchos más datos a través de distancias mayores, cambiando radicalmente la forma en la que se diseñarán las computadoras del futuro y el datacenter del mañana.

Las futuras supercomputadoras, por ejemplo, podrán ver cómo los componentes se esparcen por un edificio o incluso un campus entero, comunicándose entre sí a alta velocidad, en lugar de estar limitados por cables de cobre pesados, de capacidad y alcance limitados.

Justin Rattner, CTO de Intel y director de Intel Labs, mostró el Silicon Photonics Link (Enlace Fotónico de Silicio) en la Integrated Photonics Research Conference, en Monterey, California. El enlace de 50 Gbps se asemeja a un “vehículo prototipo” que les permite a los investigadores de Intel poner a prueba nuevas ideas y continuar la búsqueda de la compañía por desarrollar tecnologías que transmitan datos mediante rayos de luz con un bajo costo y silicio fácil de fabricar, en lugar de cables de cobre.

Con el nombre de fosfuro de indio , el material contiene propiedades que le permite transmitir luz cuando se le aplica voltaje , es una mezcla de indio y fósforo. Los investigadores de Intel han sido capaces de integrar el fosfuro de indio en las técnicas de manufacturación de procesadores tradicionales de silicio , crando un procesador híbrido de silicio-fosfuro de indio , por lo que puede procesar las señales eléctricas tradicionales y transmitir luz láser . La luz láser generada por el procesador HSL podría ser usada para transmitir datos y entonces potenciar otros dispositivos fotónicos de silicio , según Intel .

“Los procesadores de silicio fotónicos es una parte crítica de la escala-tera computacional que necesitamos para poder mover masivas cantidades de datos On y Off y estos procesadores ofrecen un gran rendimiento para esta tarea” según afirma el jefe de tecnología de Intel Justin Rattner . Intel dice que el HSL puede brindar capacidades de transmisión para los procesadores de terabits , con menos coste y más facilidad de producción .

Si bien existen algunas aplicaciones, como las telecomunicaciones, que ya utilizan láseres para transmitir información, las tecnologías actuales son demasiado caras y se utilizan al por mayor, lo que impide su aplicación a PCs. “Este logro, el primer enlace fotónico de silicio a 50 Gbps con láseres de silicio híbridos integrados del mundo, marca un logro significativo en nuestra visión a largo plazo de la fotónica de “siliciación” y trae un elevado ancho de banda, así como comunicaciones ópticas de bajo costo a los futuros PCs y servidores”, dijo el Sr. Rattner.

El prototipo de 50 Gbps Silicon Photonics Link es el resultado de una agenda de investigación que incluye un programa específico de varios años sobre fotónica de silicio, con numerosas “primicias mundiales”. Se compone de un transmisor de silicio y un chip receptor; cada uno de ellos integra todos los componentes básicos necesarios de los anteriores avances de Intel, incluyendo el primer Hybrid Silicon Laser (láser de silicio híbrido) desarrollado conjuntamente con la Universidad de California en Santa Bárbara en 2006, así como moduladores ópticos de alta velocidad y fotodetectores, anunciados en 2007.

El chip transmisor se compone de cuatro láseres de ese tipo. Cada uno de esos haces de luz viaja en un modulador óptico que codifica los datos hacia ellos a 12,5 Gbps. Luego los cuatro haces se combinan y salen a una única fibra óptica, a una tasa de datos total de 50 Gbps. En el otro extremo del enlace, el chip receptor separa los cuatro haces ópticos y los dirige a los fotodetectores, que convierten los datos de nuevo en señales eléctricas. Ambos chips se montan utilizando técnicas de bajo costo de fabricación, familiares para la industria del PC.

Los investigadores de Intel ya están trabajando para aumentar la tasa de datos, al escalar la velocidad del modulador al tiempo que aumentan el número de láseres por chip, abriendo un camino hacia futuros enlaces ópticos de Terabit/s. Esas tasas serían lo suficientemente rápidas como para transferir una copia de todo el contenido de un laptop típico en apenas un segundo.