Este problema del calor es central en los ordenadores y los centros de datos: cuanto más rápido calcula un procesador, más se calienta, lo que obliga a instalar sistemas de refrigeración costosos y que consumen mucha energía. Este nuevo elemento procesa un bit de información en solo 40 picosegundos (40 millonésimas de millonésima de segundo), frente a aproximadamente un nanosegundo (una milmillonésima de segundo) para un chip clásico. Una diferencia que, sin embargo, no va acompañada de una producción de calor adicional.
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¿Cómo es posible? El componente está formado por finas capas de tantalio (Ta) y un material llamado Mn3Sn, depositadas sobre una base de sílice. El Mn3Sn es antiferromagnético, lo que significa que posee propiedades magnéticas estables y resistentes a las interferencias. Los investigadores utilizaron un generador de impulsos ultrarrápido para enviar destellos luminosos tan cortos como 60 picosegundos a través de un fotodetector de alta velocidad. Cada impulso modifica la orientación de los espines de los electrones en el material, creando una fuerza magnética ínfima que registra la información.
Este mecanismo presenta una ventaja considerable: una vez escrita la información, se conserva sin necesidad de corriente eléctrica alguna. El dispositivo ha realizado más de mil millones de conmutaciones sin flaquear, demostrando una fiabilidad excepcional. Sobre todo, el calor generado es insignificante en comparación con el de un procesador clásico. De ahí que se elimine un obstáculo importante para el aumento de la potencia de cálculo de los centros de datos, cuyo consumo energético se dispara con la inteligencia artificial.
Pero quedan obstáculos por superar. El tantalio es un metal raro ya muy demandado, lo que podría plantear problemas de suministro. Además, el dispositivo debe probarse en condiciones reales, fuera del laboratorio, donde factores ambientales podrían perturbar su funcionamiento. Los científicos estiman que un chip prototipo podría ver la luz para 2030.
Los investigadores también creen que reduciendo aún más el grosor de la capa de Mn3Sn, el consumo de energía disminuirá aún más. El próximo paso consistirá en desarrollar un proceso de fabricación industrial capaz de producir estos componentes a gran escala, para que algún día puedan equipar nuestros ordenadores y servidores.
¿Cómo funciona la conmutación por impulso luminoso?
La clave del dispositivo es el uso de la luz para controlar el cambio de estado. Los investigadores emplean un generador de impulsos ultrarrápidos que produce destellos luminosos de una duración de 60 picosegundos. Estos impulsos se envían a una fibra óptica convencional, y luego se convierten en una corriente eléctrica muy breve mediante un componente especial: un fotodiodo de portador único (UTC-PD).
Esta corriente actúa sobre la capa de Mn3Sn, cuyos espines electrónicos cambian de orientación. Este cambio es lo que representa un bit de información: un sentido para el 0, el otro para el 1. La operación es extremadamente rápida (40 picosegundos) porque los espines pueden cambiar de orientación casi instantáneamente.
La ventaja de este proceso es que no requiere corriente continua para mantener el estado, a diferencia de los transistores tradicionales. La energía solo se utiliza durante la conmutación, de ahí una producción de calor muy baja. Es una ruptura con la electrónica convencional, donde la corriente debe circular permanentemente, generando inevitablemente calor.