Investigadores japoneses han creado un dispositivo que promete aumentar la velocidad de procesamiento de las computadoras sin generar grandes cantidades de calor adicional. Dos de los factores limitantes en la computación de alto rendimiento, especialmente para los procesadores utilizados en los centros de datos, son el elevado consumo energético y la enorme cantidad de calor residual que generan. En general, cuanto más rápido funciona un procesador, más calor produce.
Este principio se aplica tanto a las máquinas más grandes como a las más pequeñas; la mayoría de la gente está familiarizada con el zumbido de los ventiladores que enfrían los componentes cuando un ordenador realiza una función particularmente compleja. Por otro lado, los centros de datos en la nube pueden tener decenas de miles de servidores, cada uno de los cuales genera enormes cantidades de calor gracias a sus procesadores.
Sin embargo, los científicos han descubierto un nuevo dispositivo, denominado “elemento de conmutación no volátil”, capaz de procesar datos rápidamente sin la problemática generación de calor que suele asociarse al procesamiento rápido. El nuevo dispositivo podía procesar un bit —la unidad mínima de información, representada como un “1” o un “0”— en tan solo 40 picosegundos, o 40 billonésimas de segundo. En comparación, los chips convencionales apenas logran procesar un bit en menos de un nanosegundo, o una milmillonésima de segundo. En el nuevo estudio, publicado el 14 de mayo en la revista Science, los científicos demostraron que era posible la conmutación de ultrabajo consumo en el rango de los picosegundos.
Aprovechando el poder de la luz
Los investigadores construyeron este dispositivo de conmutación no volátil a partir de capas ultrafinas de tantalio (Ta) y Mn₃Sn sobre una base de sílice. Eligieron el tantalio, un metal refractario capaz de almacenar y liberar electricidad, y el Mn₃Sn por ser antiferromagnético, lo que significa que posee propiedades magnéticas estables y es resistente a la interferencia de campos magnéticos externos.
Luego, utilizaron un generador de pulsos ultrarrápidos para controlar pulsos de luz rápidos —de hasta 60 picosegundos por pulso— dentro de la banda de longitud de onda de comunicación habitual. Cada pulso de luz pasaba a través de un fotodetector de alta velocidad llamado fotodiodo de portador único (UTD-PD).
Cuando el dispositivo de conmutación no volátil recibió pulsos del UTD-PD, los espines de los electrones en el material cambiaron y los científicos registraron una minúscula fuerza magnética. En las pruebas de laboratorio, el elemento de conmutación no volátil funcionó de forma consistente y fiable, a pesar de realizar más de mil millones de conmutaciones, lo que demuestra la estabilidad inherente del dispositivo. Además, el proceso no requirió un flujo continuo de electricidad para mantener la información magnética.
Lo más importante es que el procesamiento generó un calor adicional mínimo en comparación con el generado por un procesador informático convencional. Por lo tanto, el dispositivo de conmutación no volátil pudo superar el desafío del procesamiento de alta velocidad al operar de una manera que no generaba grandes cantidades de calor.
Minimizar el calor residual
El calor residual representa actualmente un obstáculo importante para aumentar la capacidad de procesamiento de los centros de datos, según señalan los científicos en el estudio, y este dispositivo podría eliminar esa limitación. Gracias a sus bajos requisitos de energía y su escasa generación de calor, el elemento de conmutación no volátil podría reducir drásticamente el consumo energético de los procesadores.
Sin embargo, fabricar suficientes unidades de estos dispositivos para marcar la diferencia podría plantear nuevos desafíos. El tantalio es un metal escaso con una alta demanda, por lo que podrían surgir problemas de suministro. Además, sería necesario probar el dispositivo fuera de las condiciones de laboratorio, donde factores ambientales externos podrían afectar los resultados.
Tras la exitosa demostración en el laboratorio, un prototipo de chip podría estar listo para 2030, según indicaron los científicos en el estudio. Los investigadores creen que una mayor reducción del grosor de la capa de Mn₃Sn disminuirá aún más el consumo de energía. El siguiente reto, añadieron, será desarrollar un proceso de fabricación a gran escala comercialmente viable capaz de producir el dispositivo en masa.
Fuente: Live Science.