(Noticias de Nanowerk) Los centros de datos, espacios dedicados para almacenar, procesar y distribuir datos, permiten todo, desde la computación en la nube hasta la transmisión de video. Consumen mucha energía para transferir datos de un lado a otro dentro del centro de control. A medida que la demanda de datos crece exponencialmente, aumenta la presión sobre los centros de datos para que sean más eficientes energéticamente.
Los centros de datos albergan servidores, computadoras de alto rendimiento que se comunican entre sí a través de conexiones, 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, el flujo de información entre servidores. Estos conmutadores ópticos deben ser multifuncionales y energéticamente eficientes para admitir la expansión continua de los centros de datos.
En una publicación en nanotecnología de la naturaleza («Fotónica de silicio no volátil programable de energía ultrabaja basada en materiales de cambio de fase con calentadores de grafeno»), un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Washington informó sobre el diseño de un interruptor basado en silicio no volátil y 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 amplía las fronteras de la eficiencia energética», dijo el autor correspondiente Arka Majumdar, profesor asociado de ingeniería y física eléctrica e informática en la UW y miembro de la facultad del Instituto de Sistemas de Nanoingeniería de la UW y el Instituto de Ciencias Moleculares e Ingeniería. «En comparación con lo que se usa actualmente en los centros de datos para controlar los circuitos fotónicos, esta tecnología reduciría significativamente los requisitos de energía de los centros de datos y los haría 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 han sido activados por efectos térmicos, 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, cambiando así la trayectoria de la luz. Este proceso no solo no es energéticamente eficiente, sino que los cambios que produce no son permanentes. Una vez que se quita la energía, el material vuelve a su estado anterior y la conexión y el flujo de información se interrumpen.
Para solucionar 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, diseñó un interruptor de «establecer y olvidar» que mantiene la conexión sin poder adicional. Utilizaron un material de cambio de fase no volátil, lo que significa que el material se transforma al calentarlo 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 continuamente 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 varios elementos como el fósforo o el boro, el silicio puede conducir la electricidad y propagar la luz sin una absorción excesiva. 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 en él. El problema es que este tampoco es un proceso muy eficiente en energía. La cantidad de energía requerida para cambiar el material de cambio de fase es similar a la cantidad de energía consumida por los interruptores termoópticos convencionales. Esto se debe a que toda la capa de silicio dopado de 220 nanómetros (nm) de espesor debe calentarse para convertir solo 10 nm de material de cambio de fase. Se desperdicia mucha energía para calentar 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 a calentar para aumentar la eficiencia de los interruptores», dijo el autor principal y coautor Zhuoran (Roger) Fang, un Ph.D. de la UW. Estudiante de ingeniería eléctrica y tecnologías de la información.
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. En su lugar, utilizaron una capa de silicio de 220 nm sin dopar para propagar la luz e insertaron 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: está formado por 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 al cambio de material de cambio de fase. De hecho, la densidad de energía de conmutación (calculada dividiendo la energía de conmutación por el volumen de material que se va a conmutar) de este diseño es de solo 8,7 atjoules (aJ)/nm3, 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 causa 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 encuentra su camino hacia el silicio. capa. El equipo descubrió que un calentador a base de grafeno puede cambiar de forma fiable el estado del material de cambio de fase durante más de 1000 ciclos. Esta es una mejora notable con respecto a los calentadores de silicio dopado, que solo han mostrado una vida útil de alrededor de 500 ciclos. «Incluso 1000 no es suficiente», dijo Majumdar. «En términos prácticos, necesitamos alrededor de mil millones de ciclos de resistencia, que es en lo que estamos trabajando en este momento».
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 transmitir información ópticamente a través de una red de dispositivos, un paso importante hacia la generalización de su uso en centro de datos. También están interesados en aplicar esta tecnología al nitruro de silicio para guiar fotones individuales para computadoras cuánticas.
«La capacidad de ajustar las propiedades ópticas de un material con solo un elemento calefactor atómicamente delgado es innovadora», dijo Majumdar. «El rendimiento excepcional de nuestro sistema en términos de eficiencia energética y confiabilidad no tiene precedentes y podría ayudar a avanzar tanto en la tecnología de la información como en la computación cuántica».
