Centros de datos de última generación a su alcance gracias a los nuevos conmutadores energéticamente eficientes

Los centros de datos, espacios dedicados para almacenar, procesar y difundir datos, permiten todo, desde computación en la nube hasta transmisión de video. En el proceso, consumen una gran cantidad de energía transfiriendo datos de un lado a otro dentro del centro. Con la demanda de datos creciendo exponencialmente, existe una creciente presión para que los centros de datos sean más eficientes energéticamente.

Los centros de datos albergan servidores, computadoras de alta potencia que se comunican entre sí a través de interconexiones, que son conexiones físicas que permiten el intercambio de datos. Una forma de reducir el consumo de energía en los centros de datos es usar la luz para comunicar información con interruptores ópticos controlados eléctricamente que controlan el flujo de luz y, por lo tanto, de información entre servidores. Estos conmutadores ópticos deben ser multifuncionales y energéticamente eficientes para respaldar la expansión continua de los centros de datos.

En un artículo publicado en línea el 4 de julio en Naturaleza Nanotecnologíaun equipo dirigido por científicos de la Universidad de Washington informó sobre el diseño de un interruptor no volátil basado en silicio de bajo consumo que manipula la luz mediante el uso de un material de cambio de fase y un calentador de grafeno.

«Esta plataforma realmente supera los límites de la eficiencia energética», dijo el coautor Arka Majumdar, profesor asociado de física y de ingeniería eléctrica e informática de la UW, así como miembro de la facultad del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la UW y el Instituto de Ciencias Moleculares y de Ingeniería. «En comparación con lo que se usa actualmente en los centros de datos para controlar los circuitos fotónicos, esta tecnología reduciría en gran medida las necesidades energéticas de los centros de datos, haciéndolos más sostenibles y respetuosos con el medio ambiente».

Los interruptores fotónicos de silicio se utilizan ampliamente en parte porque se pueden fabricar utilizando técnicas de fabricación de semiconductores bien establecidas. Tradicionalmente, estos interruptores se han sintonizado a través del efecto térmico, un proceso en el que se aplica calor, a menudo haciendo pasar una corriente a través de un metal o semiconductor, para cambiar las propiedades ópticas de un material en el interruptor y, por lo tanto, cambiar la trayectoria de la luz. Sin embargo, este proceso no solo no es energéticamente eficiente, sino que los cambios que induce no son permanentes. Tan pronto como se elimina la corriente, el material vuelve a su estado anterior y se interrumpe la conexión y el flujo de información.

Para abordar esto, el equipo, que incluye investigadores de la Universidad de Stanford, el Laboratorio Charles Stark Draper, la Universidad de Maryland y el Instituto de Tecnología de Massachusetts, creó un interruptor de «establecer y olvidar» capaz de mantener la conexión sin energía adicional. Utilizaron un material de cambio de fase que no es volátil, lo que significa que el material se transforma calentándolo brevemente y permanece en ese estado hasta que recibe otro pulso de calor, momento en el que vuelve a su estado original. Esto elimina la necesidad de ingresar energía constantemente para mantener el estado deseado.

Previamente, los investigadores han usado silicio dopado para calentar el material de cambio de fase. El silicio por sí solo no conduce la electricidad, pero cuando se dopa selectivamente con diferentes elementos como el fósforo o el boro, el silicio es capaz de conducir la electricidad y propagar la luz sin ningún exceso de absorción. Cuando se bombea una corriente a través del silicio dopado, puede actuar como un calentador para cambiar el estado del material de cambio de fase encima. El problema es que este tampoco es un proceso muy eficiente desde el punto de vista energético. La cantidad de energía necesaria para cambiar el material de cambio de fase es similar a la cantidad de energía utilizada por los interruptores termoópticos tradicionales. Esto se debe a que toda la capa de silicio dopado de 220 nanómetros (nm) de espesor debe calentarse para transformar solo 10 nm de material de cambio de fase. Se desperdicia mucha energía calentando un volumen tan grande de silicio para cambiar un volumen mucho más pequeño de material de cambio de fase.

«Nos dimos cuenta de que teníamos que descubrir cómo reducir el volumen que necesitaba calentarse para aumentar la eficiencia de los interruptores», dijo el autor principal y coautor para la correspondencia Zhuoran (Roger) Fang, estudiante de doctorado en electricidad e informática de la UW. ingeniería.

Un enfoque sería hacer una película de silicio más delgada, pero el silicio no propaga bien la luz si es más delgada que 200 nm. Entonces, en su lugar, usaron una capa de silicio de 220 nm sin dopar para propagar la luz e introdujeron una capa de grafeno entre el silicio y el material de cambio de fase para conducir la electricidad. Al igual que el metal, el grafeno es un excelente conductor de electricidad, pero a diferencia del metal, es atómicamente delgado: consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal bidimensional. Este diseño elimina el desperdicio de energía al dirigir todo el calor generado por el grafeno para cambiar el material de cambio de fase. De hecho, la densidad de energía de conmutación de esta configuración, que se calcula dividiendo la energía de conmutación por el volumen del material que se está conmutando, es de solo 8,7 atjoules (aJ)/nm.³, una reducción de 70 veces en comparación con los calentadores de silicio dopado ampliamente utilizados, el estado actual de la técnica. Esto también está dentro de un orden de magnitud del límite fundamental de la densidad de energía de conmutación (1,2 aJ/nm³).

Aunque el uso de grafeno para conducir electricidad induce algunas pérdidas ópticas, lo que significa que se absorbe algo de luz, el grafeno es tan delgado que no solo las pérdidas son mínimas, sino que el material de cambio de fase aún puede interactuar con la luz que se propaga en la capa de silicio. El equipo estableció que un calentador a base de grafeno puede cambiar de forma fiable el estado del material de cambio de fase en más de 1000 ciclos. Esta es una mejora notable con respecto a los calentadores de silicio dopado, que solo han demostrado tener una resistencia de alrededor de 500 ciclos.

«Incluso 1000 no es suficiente», dijo Majumdar. «En términos prácticos, necesitamos alrededor de mil millones de ciclos de resistencia, en lo que estamos trabajando actualmente».

Ahora que han demostrado que la luz se puede controlar usando un material de cambio de fase y un calentador de grafeno, el equipo planea mostrar que estos interruptores se pueden usar para el enrutamiento óptico de información a través de una red de dispositivos, un paso clave para establecer su uso en centros de datos. También están interesados ​​en aplicar esta tecnología al nitruro de silicio para enrutar fotones individuales para la computación cuántica.

«La capacidad de poder ajustar las propiedades ópticas de un material con solo un calentador atómicamente delgado es un cambio de juego», dijo Majumdar. «El rendimiento excepcional de nuestro sistema en términos de eficiencia energética y confiabilidad es realmente inaudito y podría ayudar a avanzar tanto en la tecnología de la información como en la computación cuántica».

Otros coautores incluyen a los estudiantes de ingeniería eléctrica e informática de la UW Rui Chen, Jiajiu Zheng y Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen y Eric Pop de la Universidad de Stanford; Sarah Geiger, Dennis Callahan y Michael Moebius del Laboratorio Charles Stark Draper; Carlos Ríos de la Universidad de Maryland; y Juejun Hu del Instituto Tecnológico de Massachusetts.