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Investigación publicada en Science demuestra un elemento de conmutación no volátil capaz de operar en 40 picosegundos, con baja generación de calor, abriendo camino para procesadores más rápidos y eficientes en centros de datos, aunque la producción a escala y el uso de tántalo aún imponen desafíos.
Dispositivo que puede acelerar procesadores hasta 1.000 veces, sin aumento relevante de calor residual, fue demostrado por investigadores en Japón y puede atacar uno de los mayores cuellos de botella de los centros de datos: el consumo de energía para computación y refrigeración.
Procesadores más rápidos sin aumentar el calor
El avance involucra un elemento de conmutación no volátil, capaz de alternar información en escala de picosegundos. En pruebas de laboratorio, el dispositivo procesó un bit en 40 picosegundos, intervalo equivalente a 40 billonésimas de segundo.
Chips convencionales, usados como referencia por los investigadores, tienen dificultad para operar por debajo de un nanosegundo.
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La diferencia es importante porque la velocidad de los procesadores suele venir acompañada de mayor generación de calor. En computadoras personales, esto aparece en el accionamiento de ventiladores durante tareas pesadas. En centros de datos, el problema crece de escala, con decenas de miles de servidores produciendo calor continuamente.
El estudio fue publicado el 14 de mayo en la revista Science. La demostración mostró que la conmutación ultrarrápida y de bajísima potencia es posible en el rango de los picosegundos, sin exigir flujo continuo de electricidad para mantener la información magnética grabada.
Luz, magnetismo y capas ultrafinas
El dispositivo fue construido sobre una base de sílice, con capas ultrafinas de tántalo y Mn3Sn. El tántalo fue usado por ser un metal refractario capaz de almacenar y liberar electricidad. El Mn3Sn entró en la arquitectura por presentar comportamiento antiferromagnético.
Esta característica hace que el material sea estable magnéticamente y menos sujeto a interferencias de campos magnéticos externos. La combinación permitió a los científicos controlar estados magnéticos a alta velocidad, sin depender del funcionamiento típico de los procesadores electrónicos convencionales.
En las pruebas, pulsos de luz ultrarrápidos, con hasta 60 picosegundos por pulso, fueron generados dentro del rango usual de longitud de onda de las comunicaciones. Cada pulso pasó por un fotodetector de alta velocidad llamado uni-traveling-carrier photodiode, o UTD-PD.
Cuando el elemento de conmutación recibió los pulsos provenientes del UTD-PD, los spins de los electrones en el material cambiaron. Los investigadores registraron una fuerza magnética minúscula, suficiente para confirmar el cambio de estado utilizado en el procesamiento de la información.
Por qué el descubrimiento interesa a los data centers
El calor residual es una barrera directa para ampliar la capacidad de procesamiento en data centers. Cuanto más rápido e intenso es el trabajo de los procesadores, mayor tiende a ser la demanda por energía y por sistemas de enfriamiento.
El elemento no volátil demostrado en Japón puede sortear este límite porque mantiene información magnética sin alimentación eléctrica continua. En los ensayos, el dispositivo funcionó de manera consistente y confiable tras más de mil millones de conmutaciones, señalando estabilidad interna.
Otro punto central es la baja generación térmica. El proceso produjo calor adicional mínimo cuando se comparó con el funcionamiento de un procesador convencional. Para los científicos, esta combinación puede reducir de forma significativa la demanda energética global de procesadores usados en computación de alto rendimiento.
Prototipo puede surgir hasta 2030, pero la escala aún es un desafío
A pesar del rendimiento en laboratorio, la tecnología aún necesita superar obstáculos antes de llegar a sistemas reales. Uno de ellos es probar el dispositivo fuera de condiciones controladas, donde factores ambientales pueden perjudicar los resultados observados.
La fabricación a escala también es un punto sensible. El tántalo es un metal raro y ya bastante demandado, lo que puede crear limitaciones de oferta. Además, será necesario desarrollar un proceso industrial capaz de producir los dispositivos en gran volumen.
Los investigadores afirman que un prototipo de chip puede estar listo hasta 2030. La siguiente etapa incluye reducir aún más el grosor de la capa de Mn3Sn para disminuir el consumo de energía y avanzar en una ruta comercial de fabricación.
Estudio disponible en este enlace.
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