Francis en #rosavientos: Chips microcableados con luz

Dibujo20160102 Processor-memory communication using optical links between two chips nature528483a-f1

Ya está disponible el audio del podcast de Eureka, mi sección en La Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción, unos enlaces y algunas imágenes.

Los procesadores multinúcleo (multicore) de nuestros ordenadores personales están formados por varios núcleos (cores) y módulos de memoria (RAM) conectados entre sí por cables de cobre dentro de un microchip fabricado con tecnología CMOS basada en silicio. Se publica en Nature el desarrollo de una nueva técnica de fabricación que permite integrar con esta tecnología circuitos convencionales y sistemas fotónicos de comunicación óptica. Gracias a ello los núcleos (procesadores) y la memoria se comunican dentro del microchip usando guías ópticas (similares a pequeñas fibras ópticas). La combinación de transistores electrónicos y dispositivos fotónicos en un mismo circuito acelera la transmisión de datos (hasta unas 50 veces más rápidos) y reduce el consumo energético (hasta unas 5 veces menos potencia). Todavía se trata de un prototipo de laboratorio, pero Intel e IBM están interesadas en esta tecnología para un futuro no muy lejano.

El artículo es Chen Sun et al., “Single-chip microprocessor that communicates directly using light,” Nature 528: 534–538 (24 Dec 2015), doi: 10.1038/nature16454; recomiendo leer a Laurent Vivien, “Computer technology: Silicon chips lighten up,” Nature 528: 483–484 (24 Dec 2015), doi: 10.1038/528483a. A nivel divulgativo recomiendo leer a Miguel Ángel Criado, “Un nuevo microchip conecta sus procesadores con fibra en vez de cobre,” Materia, El País, 23 Dic 2015.

[PS 26 Feb 2016] Recomiendo leer David Pile, “Electronic–photonic chip,” Nature Photonics 10: 145 (26 Feb 2016), doi: 10.1038/nphoton.2016.31.

Dibujo20160102 The electro-optic system on a chip nature16454-f1

Los ordenadores actuales usan microchips cuyos circuitos internos están conectados por hilos de cobre. Una conexión a Internet vía ADSL, con electricidad, es mucho más lenta que una conexión vía fibra óptica, con pulsos de luz. ¿Se podría acelerar la velocidad de los ordenadores usando fibras ópticas dentro de los microchips? Por sorprendente que parezca, grandes empresas tecnológicas como Intel e IBM llevan años investigando en el desarrollo de nuevos circuitos integrados o microchips que usen fibras (guías ópticas) para conectar sus componentes internos. Quien haya cambiado su conexión a Internet desde el ADSL a la rápida fibra óptica habrá experimentado de primera mano una gran diferencia en velocidad. Los microchips actuales conectan sus circuitos internos mediante microhilos de cobre similares a los cables usados en el ADSL. Más o menos cada dos años se duplica el número de transistores en un microprocesador. La famosa ley de Moore se ha cumplido a rajatabla desde que fue formulada en 1965 por el cofundador de la compañía Intel, Gordon E. Moore. Gracias a esta ley empírica los precios de los ordenadores bajan al mismo tiempo que crecen sus prestaciones. Los transistores en los microchips son cada vez más pequeños, sin embargo, los microhilos de cobre que conectan todos los circuitos entre sí se calientan más conforme se reduce su tamaño. Pronto serán un factor clave que limite la continuidad de la ley de Moore.

Dibujo20160102 Summary of chip characteristics table cmos soc nature16454-st1

En el último número de la revista Nature en el año 2015 se ha publicado el desarrollo del primer microchip microcableado con microguías ópticas. Se ha fabricado un procesador de doble núcleo con 70 millones de transistores; los dos núcleos y la memoria caché interna están conectados entre sí mediante 850 componentes fotónicos. Se trata del primer chip electro-óptico en el que conviven la electrónica y la fotónica, los transistores que procesan la información y los dispositivos fotónicos la transportan entre los distintos componentes, que ha sido fabricado con tecnologías convencionales de fibricación en tecnología CMOS, siglas en inglés de semiconductor complementario de óxido metálico. Este prototipo es un gran paso hacia los ordenadores del futuro con procesadores que combinen componentes electrónicos y ópticos en el mismo chip, muchos más veloces y con un menor consumo de energía.

Dibujo20160102 Block diagram of the optical memory system nature16454-f2

La idea de sustituir por pequeñas fibras ópticas los cables de cobre que conectan entre sí los núcleos en un procesador multinúcleo parece bastante sencilla. Sin embargo, tras muchos intentos pasados, hasta ahora no se había logrado. ¿Cuáles son las dificultades que han hecho fallar a todos los intentos anteriores? Cierto, la máxima en la industria de los microprocesadores “más pequeño, más barato, más rápido” (‘smaller, cheaper, faster‘) ha llevado a muchos expertos a proponer que el primer paso para los futuros ordenadores de alta eficiencia y bajo consumo es la integración de la electrónica y de la fotónica en chips de silicio. Pero usar la tecnología CMOS actual para integrar dispositivos fotónicos en un chip basado en silicio ha encontrado muchas dificultades. La técnica más prometedora, llamada SOI, siglas en inglés de silicio sobre aislante, tiene un gran problema, no es compatible con las técnicas convencionales de fabricación de microchips. Se han fabricado algunos circuitos electro-ópticos con esta técnica para ciertas aplicaciones especializadas. Pero incorporar dicha técnica de fabricación requiere cambiar las líneas de producción con un alto coste, que no compensa a las empresas del sector. Chen Sun, de la Universidad de California en Brekeley, EEUU, y sus colegas han publicado en Nature una nueva técnica de fabricación, similar a la SOI, pero compatible con la tecnología CMOS. Dicha técnica de fabricación usa dispositivos fotónicos de silicio, silicio-germanio (SiGe) y nitruro de silicio, y se puede incorporar en una línea de producción industrial con muy pocos cambios.

Dibujo20160102 Summary of transceiver performance cmos soc nature16454-st2

El nuevo método llamada sistema electro-óptico en chip (SOC) permite integrar millones de transistores y cientos de componentes fotónicos que se comunican usando pulsos de luz a una velocidad de 2,5 Gb/s. Aunque este número es bajo, comparado con las mejores tecnologías de integración óptica en chip, se trata de un prototipo que se ha usado como prueba de concepto de la técnica de fabricación. En teoría se puede alcanzar fácilmente una velocidad de transferencia de 300 gigabits por segundo, lo que permitiría obtener procesadores comerciales en un futuro no muy lejano hasta 50 veces más rápidos que los actuales. Estos nuevos chips electro-fotónicos prometen revolucionar el mercado de equipos portátiles y de sobremesa.

Dibujo20160102 Chip cross-section From Single-chip microprocessor that communicates directly using light nature16454-sf1

El cableado de fibra óptico dentro del chip requiere una fuente de luz. Se puede usar un láser externo al chip o usar un láser integrado dentro del chip. ¿Qué fuente de luz se usa en estos nuevos microchips electro-ópticos? Integrar un láser dentro del chip, por ahora, es incompatible con las técnicas de fabricación CMOS convencionales. Por ello se ha decidido usar una fuente de luz externa. En concreto un láser que emite con una longitud de onda de 1180 nm (nanómetros). Esta luz se confina en el chip y se propaga en las guías de onda integradas en el silicio. La información se codifica en los pulsos de luz mediante un pequeño procesador específico y se envía a través de las microfibras ópticas usando moduladores de micro-anillo. Para detectar los pulsos de luz al otro extremo de las fibras se usan fotodetectores de SiGe y un pequeño procesador de descodificación. Esta técnica permite comunicar los dos núcleos del procesador entre sí y con la memoria RAM de la caché. El prototipo usa una arquitectura de microprocesador dual-core con una velocidad máxima de 1,65 GHz que se ha fabricado en una planta comercial de alto rendimiento con tecnología CMOS a 45 nm. Lo más destacable es que no ha sido necesario realizar cambios en la planta de fabricación. Por ello Chen Sun, de la Universidad de California en Brekeley, EEUU, y sus colegas han bautizado este nuevo sistema electro-fotónico como integración con ‘cero cambios’ (‘zero-change’ integration). En el mercado hoy en día podemos encontrar chips con tecnologías de 45 nm, pero la mayoría usan tecnología de 22 nm, y los chips de última generación usan 14 nm. Según sus autores la nueva tecnología electro-fotónica es escalable a procesadores con más núcleos y se puede incorporar a cadenas de fabricación de chips de silicio de última generación a 14 nm. Los sistemas híbridos electro-fotónicos en silicio prometen reescribir la historia de los ordenadores y ser el primer paso hacia los futuros ordenadores completamente ópticos.

Dibujo20160102 Selective substrate removal Single-chip microprocessor that communicates directly using light nature16454-sf2

Muchos oyentes se preguntarán en qué consiste la tecnología CMOS y qué significa que una tecnología tiene cierto número de nanómetros. La tecnología CMOS convencional se basa en el uso de transistores MOSFET, siglas de transistores de efecto de campo con estructura metal-óxido-semiconductor. Estos transistores, también llamados MOS, tienen tres terminales, la fuente, el drenador y la puerta. La fuente y el drenador se crecen mediante dopado sobre un sustrato semiconductor de silicio. Ambos terminales están separados entre sí por un canal sin dopar en el que se crece una capa de óxido de silicio. Encima de esta capa dieléctrica se crece una fina capa conductora de polisilicio, el metal que actúa como puerta. El transistor se llama MOS, porque en el canal tenemos un metal sobre un óxido sobre un semiconductor. Para especificar el tamaño de un transistor MOS se usa la longitud del canal (la separación entre los terminales de fuente y drenador). Cuando yo estudié arquitectura de computadores en el año 1990 se afirmaba que era físicamente imposible fabricar transistores MOS con un canal inferior a 200 nm (0,2 μm), sin embargo, en el año 2000 ya se fabricaban transistores MOS con 50 nm. En 2015 se pueden encontrar en el mercado procesadores de alto rendimiento con transistores con un canal de 14 nm y para el año 2016 se espera que lleguen la mercado los primeros procesadores de muy alto rendimiento con 10 nm.

Dibujo20150102 IBM announces 7nm breakthrough www extremetech com IBM-Roadmap

Por cierto, este año ha sido noticia que IBM ha fabricado los primeros transistores con 7 nm. Son transistores multipuerta, que tienen varias puertas en el mismo transistor que comparten fuente y drenador; además, usan silicio-germanio (SiGe) en lugar de silicio para incrementar la movilidad de los electrones. Los transistores MOS multipuerta con tecnología de 7 nm no llegarán al mercado antes de 2020 pues la barrera de los 10 nm es muy difícil de superar en un procesador con alta tasa de integración. Los futuros procesadores electro-ópticos con una tecnología por encima de 10 nm competirán en prestaciones con estos nuevos dispositivos y aún no sabemos qué tecnología dominará el mercado en el año 2020. Pero lo que parece claro es que los ordenadores del futuro combinarán electrónica y fotónica para lograr maximizar la velocidad y reducir el consumo de energía.


2 Comentarios

Participa Suscríbete

wachovskywachovsky

con RAM incorporada es un microcontrolador, con RAM discreta-separada es un microprocesador ya von Neumann ya sea ARM

wachovskywachovsky

de los computadores polaritonicos como reto y como proyecto hace rato no hay noticias. La pregunta es si serian mucho mas dificiles de implementar o acaso lograr polaritones no vale el esfuerzo frente a los fotones laser de 1180 nm. Buen año Francis.

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>