Computacin pticaDavid Galindo Lpez Anggella Fortunato

De qu vamos a hablar?

Motivaciones para utilizar conputacin ptica Qu es la computacin ptica? Fotnica vs Electrnica Ventajas y Desventajas de la Fotnica Ventajas y Desventajas de la Electrnica

Qu es la optoelectrnica? PIC (Photonic Integrated Circuit) Problemas al pasar de chips actuales a chips fotnicos Avances en fotnica

MotivacionesEn la actualidad se presentan una serie de problemas:

Cuello de botella en las transmisiones de datos impuestas por las limitaciones del cobre. Proceso de miniaturazacin y escalado de componentes hardware. Aparicin de problemas y aplicaciones software que necesitan mayores tiempos de computacin.

Posible SolucinUtilizar nuevas formas de cmputo:

Computacin Cuntica

Computacin ptica

Utilizar nuevos materiales como el Grafeno

Qu es la computacin ptica?

Forma de computacin que usa la luz en lugar de la electricidad, es decir fotones en vez de electrones. Los fotones tienen propiedades fsicas fundamentales diferentes a las de los electrones. Se est intentando hacer uso de dichas propiedades, utilizando los principios bsicos de la ptica, para producir computadores pticos con capacidades mayores que las de los computadores electrnicos. Un computador ptico es una computador que manipula, almacena y transmite datos utilizando la computacin ptica.

Se ha hablado de computadores pticos y computadores electrnicos, de fotones y electrones, pero...

Qu es mejor utilizar?

Fotnica vs Electrnica

La fotnica es la ciencia de la generacin, control, deteccin y amplificacin de fotones e incluye todos los procesos relativos a la luz. La electrnica es la rama de la fsica que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conduccin y el control del flujo de electrones u otras prticulas cargadas elctricamente. A continuacin algunas ventajas e inconvenientes de ambas.

Fotnica vs Electrnica

Con la fotnica se puede reducir el consumo de energa en distancias largas sobre la electrnica, pero en distancias cortas este consumo ser mayor. La fotnica aporta mayores velocidades en las trasnmisiones de datos que las que puede aportar la electrnica, ya que las frecuencias de la luz son aproximadamente un milln de veces ms veloces que las de los electrones.

Fotnica vs Electrnica

La fotnica puede permitir que los ordenadores fotnicos no tengan problemas de disipacin de energa que actualmente se tiene con la electrnica. Inviabilidad en tener un componente puramente fotnico, ya que para producir dicho dispositivo necesitamos materiales como el granate o el diamante que sean transparente y magnticos.

Aunque la fotnica aporta capacidades mayores que la electrnica a un computador, los componentes puramente fotnicos son muy difciles y ms caros de producir. Solucin? Lamprocyphus Augustus Optoelectrnica

Qu es la optoelectrnica?

Es un subcampo de la fotnica. Aplica las propiedades de la fotnica a los dispositivos electrnicos. Se produce una ganancia de velocidad en la transimisn de datos (cuello de botella) respecto a los conductores actuales (hilos y cables de cobre y electrones). Los dispositivos optoelectrnicos pueden ser de 2 tipos:

pticos pticos Electrnicos pticos

Aparece el concepto de PIC.

PIC (Photonic Integrated Circuit)

Es un dispositivo que integra mltiples funciones fotnicas en un mismo chip y, como tal, es anlogo a un circuito electrnico integrado. Pueden permitir a los sistemas pticos ser ms compactos, ofrecer un mayor rendimiento que con los componentes pticos discretos y la posibilidad de integracin con los circuitos electrnicos para proporcionar una mayor funcionalidad. Deben ser inmunes a los impulsos electromagnticos, aunque no a efectos de un flujo elevado de neutrones.

PIC (Photonic Integrated Circuit)

Un circuito fotnico integrado, debe proporcionar la funcionalidad para las seales de informacin impuestas a las longitudes de onda. En los PIC, en vez de silicio como en los circuitos integrados electrnicos, hay una gran variedad de materiales dependiendo de la funcionalidad que se quiera integrar en el circuito. Esto ltimo provoca un aumento en el coste de fabricacin del PIC. Utilizando silicio se pueden usar las mismas tcnicas empleadas hoy en da en la fabricacin de circuitos electrnicos integrados.

PIC (Photonic Integrated Circuit)Algunas imagenes de PIC

Pasar de Chips actuales a Fotnicos

La emisin estimulada de una fuente emisora de luz (o lser) se crea combinando el estado de los electrones, los cuales, al cambiar, liberan un fotn. Es imposible implantar un lser en Silicio (chip actual) debido a las propiedades de ste. Efecto Raman: cambio de frecuencia observado cuando la luz es dispersada por un material transparente. (1928fsico indio Chandrasekhara Venkate) Este efecto se puede usar para la ampliacin lumnica en materiales como el Silicio. 10000 veces ms potente en Silicio que en fibra de vidrio y 20000 ms que en diamante.

Con el descubrimiento del Efecto Raman. Podramos pasar del al

usando Silicio?

Problema de absorcin de dos fotones

El Silicio no se poda utilizar como material base para contruir un lser: problema de absorcin de 2 fotones. Al meter un haz de luz en una barra de silicio choca contra los tomos de ste y hay electrones que se desprenden y absorben los fotonesProblemas:

El Lser es intermitente Dura un segundo Se apaga

Solucin: Intel construy una estructura denominada PIN (P-type | Intrinsic | N-type) que hace pasar una corriente elctrica por el silicio, absorbiendo los electrones que se liberan.

PIN (P type | Intrinsic | N - type)

Las prticulas en amarillo son arrastradas por el polo positivo del campo elctrico. De esta manera los electrones desprendidos no absorben a los fotones.

Avances en FotnicaHay que distinguir 3 avances importantes:

Intel Silicon Photonic Vdeo de Youtube

http://www.youtube.com/watch?v=OEw0gEatIUU

Nanolseres sobre una oblea de Silicio Nanolseres basados en Plasmones o Nanoespser

Avances en FotnicaIntel Silicon Photonic

Primera conexin fotnica de Silicio de punta a punta con lseres integrados. Gran avance en la utilizacin de rayos de luz para sustituir el uso de electrones en el transporte de datos. El enlace puede mover datos a travs de largas distancias y es ms rpido que la tecnologa de cobre de hoy. (Hasta 50 GB/s) Al sustituir las conexciones actuales por fibras pticas (ms ligeras, finas y rpidas), cambia la forma de disear las computadoras. Las futuras supercomputadoras podrn tener sus componentes esparcidos por un edificio o un campus entero, comunicndose a alta velocidad.

Avances en FotnicaIntel Silicon Photonic

El prototipo de 50 GB/s se compone de un transmisor de silicio y un chip receptor, cada uno con los componentes bsicos necesarios, entre ellos:

el primer Hybrid Silicon Laser (2006, junto Un. California) los moduladores pticos de alta velocidad y fotodetectores (2007)

El chip transmisor se compone de 4 HSL. Cada uno viaja en un modulador ptico que codifica los datos a 12.5 GB/s. Luego los 4 haces de luz se combinan y sale una nica fibra ptica a tasa de datos de 50 GB/s. En el otro extremo, el chip receptor separa los 4 haces y los dirige a los fotodetectores, que convierten los datos de nuevo en seales elctricas.

Avances en FotnicaIntel Silicon Photonic

Ambos chips (transmisor y receptor) se montan utilizando tcnicas de bajo costo de fabricacin Intel est trabajando para aumentar la tasa de datos, al escalar la velocidad del modulador al tiempo que aumentan el nmero de lseres por chip, abriendo camino hacia futuros enlaces pticos de TB/s. Para poder aadir ms lseres por chips, hacen falta nanolseres (lser con dimensiones nanoescalares)

Avances en FotnicaIntel Silicon Photonic

Avances en FotnicaIntel Silicon Photonic

Avances en FotnicaIntel Silicon Photonic

Avances en FotnicaNanolseres sobre una oblea de Silicio

Como el silicio es un material muy pobre en la generacin de luz, al principio se pens en utilizar otros materiales semiconductores del Grupo III-V, pero presentan un problema a la hora de ponerlos en obleas de Silicio, ya que las estructuras atmicas de esos materiales y el silicio son incompatibles. El desarrollo de componentes con materiales III-V se realiza a temperaturas que destruyen cualquier circuito electrnico basado en silicio (700 C). Adems, es mucho ms fcil y barato trabajar con silicio que reemplazarlo. Solucin: Nanopilares.

Avances en FotnicaNanopilares

Descubiertos por cientficos de la Universidad de Berkeley en California. Producidos de materiales de Arseniuro de Galio Indio procedentes del silicio. Se utiliza deposicin de vapor qumico-orgnico de metal para hacer crecer los nanopilares del silico. Se crean a una temperatura relativamente fra, 400 C, no deteriorando las propiedades del silico.

Avances en FotnicaNanopilares

Son capaces de producir luz lser por infrarrojos (950 nm de longitud de onda) a temperatura ambiente. Consumen muy poca energa.

Avances en FotnicaNanolseres basados en plasmones o Nanoespser

An en proceso de investigacin y no se ha conseguido fabricar ninguno prctico. Intentan resolver el problema de la limitacin del tamao de los nanolseres impuesta por la longitud de onda de los fotones. Utilizar electrones, con longitud de onda menor a la de los fotones, en una cavidad metlica. Los electrones resonarn la superficie del metal, produciendo unas ondas llamadas plasmanes superficiales.

Avances en FotnicaNanolseres basados en plasmones o Nanoespser

Estos plasmones generan ondas electromagnticas fuertemente localizadas en la superficie. Se puede hablar de spser en lugar de lser. El principal problema es que los plasmones sufren perdidas y necesitan ser amplificados para superar dichas prdidas.

Avances en FotnicaNanolseres basados en plasmones o Nanoespser

Se ha conseguido amplificar los plasmones: Encapsular nanopartculas de oro (14 nm de dimetro) en esferas de slice de 44 nm de dimetro. Se dopa el silico con ciertas molculas orgnicas. Los plasmones se propagan por el ncleo, propagndose por el envoltorio del slice como ondas de luz lser con una longitud de onda de 531 nm.

Avances en FotnicaNanolseres basados en plasmones o Nanoespser

Bibliografa

Wikipedia Nanoespser:http://francisthemulenews.wordpress.com/2009/09/30/el-nanolaser-basado-en-plasmones-o-nanoespaser/

Nanolseres y Nanopilares:http://www.idg.es/dealerworld/Tecnologia-laser,-el-futuro-de-los-procesadores/seccion-actualidad/noticia-105943

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=nanolaser-silicio-chips-fotonicos-processador-laser

Intel Silicon Photonic: http://nodo9.com/2010/07/28/intel-nuevo-procesadores-basados-en-luz-laser/ Pgina de Intel en el apartado de investigaciones

Bibliografa

http://www.bibliodar.mppeu.gob.ve/?q=doc_categoria/circuitos integrados fotnicos http://filotecnologa.wordpress.com/2011/08/10/circuitos-opticos-integrados/ http://www.dasphotonics.com/pages/espanol/dispositivos-integrados.php

http://ciencias.jornada.com.mx/investigacion/ciencias-fisico-matematicas/investigacion/circuitos-fotonicos-el-potencia

http://www.lacatedralonline.es/innova/noticias/6871-el-consorcio-paradigm-investiga-como-crear-chips-opticos-diez-v

http://www.xatakaon.com/tecnologia-de-redes/holey-optochip-la-nueva-generacion-de-chips-opticos-de-ibm-que-alca http://www.taringa.net/posts/info/1268305/Lo-q-se-viene-en-computacion-optica.html http://www.solociencia.com/informatica/07010305.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Computadora_%C3%B3ptica

http://www.tendencias21.net/La-plasmonica-cumplira-las-promesas-de-la-computacion-optica-en-pocos-anos_a3728 http://artigoo.com/computacion-optica http://www.faq-mac.com/noticias/investigadores-descubren-santo-grial-computacion-optica/31625 http://www.eliax.com/index.cfm?post_id=9077

Bibliografa

http://www.cio.com.mx/Articulo.aspx?id=10689 http://avances-nanotecnologia.euroresidentes.com/2008/12/nanomquina-alimentada-por-luz.html http://conocimientossiliconnanoelectronics.blogspot.com.es/2010/06/nuevo-nanolaser-permitiria-cpu-de-100.html http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2011/06/08/el-nanolaser/ http://www.idg.es/dealerworld/Tecnologia-laser,-el-futuro-de-los-procesadores/seccion-actualidad/noticia-105943 http://francisthemulenews.wordpress.com/2009/09/30/el-nanolaser-basado-en-plasmones-o-nanoespaser/

http://francisthemulenews.wordpress.com/2012/02/09/el-nanolaser-mas-pequeno-que-emite-de-forma-continua-en-fr http://www.pcworld.com.mx/Articulos/11708.htm http://www.madboxpc.com/intel-silicon-photonics-datos-a-la-velocidad-de-la-luz/ http://www.ecoustics.com/electronics/products/articles/643919.html

http://www.youtube.com/watch?v=OEw0gEatIUU

Gracias por su atencin!