Os data centers — espaços dedicados para armazenamento, processamento e disseminação de dados — permitem tudo, desde computação em nuvem até streaming de vídeo. No processo, eles consomem uma grande quantidade de energia transferindo dados de um lado para o outro dentro do centro. Com a demanda por dados crescendo exponencialmente, há uma pressão crescente para que os data centers se tornem mais eficientes em termos de energia.
Os data centers abrigam servidores, computadores de alta potência que se comunicam por meio de interconexões, que são conexões físicas que permitem a troca de dados. Uma maneira de reduzir o consumo de energia em data centers é usar a luz para comunicar informações com interruptores ópticos controlados eletricamente que controlam o fluxo de luz e, portanto, as informações entre os servidores. Esses switches ópticos precisam ser multifuncionais e eficientes em termos de energia para suportar a expansão contínua dos data centers.

Em um artigo publicado on-line em 4 de julho na Nature Nanotechnology , uma equipe liderada por cientistas da Universidade de Washington relatou o projeto de um interruptor não volátil baseado em silício com eficiência energética que manipula a luz através do uso de um material de mudança de fase e aquecedor de grafeno.

"Esta plataforma realmente ultrapassa os limites da eficiência energética", disse o co-autor correspondente Arka Majumdar, professor associado de física e engenharia elétrica e de computação da UW, bem como membro do corpo docente do UW Institute for Nano-Engineered Systems e do Instituto de Ciências Moleculares e de Engenharia. "Em comparação com o que está sendo usado atualmente em data centers para controlar circuitos fotônicos, essa tecnologia reduziria bastante as necessidades de energia dos data centers, tornando-os mais sustentáveis ​​e ecologicamente corretos."

Os comutadores fotônicos de silício são amplamente utilizados em parte porque podem ser feitos usando técnicas de fabricação de semicondutores bem estabelecidas. Tradicionalmente, esses interruptores são ajustados por efeito térmico, um processo em que o calor é aplicado – muitas vezes passando uma corrente através de um metal ou semicondutor – para alterar as propriedades ópticas de um material no interruptor e, assim, alterar o caminho da luz. No entanto, não só este processo não é energeticamente eficiente, como as mudanças que induz não são permanentes. Assim que a corrente é removida, o material volta ao seu estado anterior e a conexão – e o fluxo de informações – é interrompido.

Para resolver isso, a equipe, que inclui pesquisadores da Universidade de Stanford, do Laboratório Charles Stark Draper, da Universidade de Maryland e do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, criou um interruptor "definir e esquecer" capaz de manter a conexão sem qualquer energia adicional. Eles usaram um material de mudança de fase que não é volátil, o que significa que o material é transformado aquecendo-o brevemente e permanece nesse estado até receber outro pulso de calor, quando volta ao seu estado original. Isso elimina a necessidade de entrada constante de energia para manter o estado desejado.

Anteriormente, os pesquisadores usaram silício dopado para aquecer o material de mudança de fase. O silício sozinho não conduz eletricidade, mas quando dopado seletivamente com diferentes elementos, como fósforo ou boro, o silício é capaz de conduzir eletricidade e propagar luz sem excesso de absorção. Quando uma corrente é bombeada através do silício dopado, ele pode agir como um aquecedor para mudar o estado do material de mudança de fase em cima dele. O problema é que este também não é um processo muito eficiente em termos de energia. A quantidade de energia necessária para comutar o material de mudança de fase é semelhante à quantidade de energia usada pelos interruptores termo-ópticos tradicionais. Isso ocorre porque toda a camada de silício dopado de 220 nanômetros (nm) de espessura precisa ser aquecida para transformar apenas 10 nm de material de mudança de fase. Muita energia é desperdiçada aquecendo um volume tão grande de silício para trocar um volume muito menor de material de mudança de fase.

"Percebemos que tínhamos que descobrir como reduzir o volume que precisava ser aquecido para aumentar a eficiência dos interruptores", disse o principal e co-autor Zhuoran (Roger) Fang, um estudante de doutorado em eletricidade e computação da UW. Engenharia.

Uma abordagem seria fazer um filme de silício mais fino, mas o silício não propaga bem a luz se for mais fino que 200 nm. Então, em vez disso, eles usaram uma camada de silício de 220 nm não dopada para propagar a luz e introduziram uma camada de grafeno entre o silício e o material de mudança de fase para conduzir eletricidade. Assim como o metal, o grafeno é um excelente condutor de eletricidade, mas, ao contrário do metal, é atomicamente fino – consiste em apenas uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede bidimensional em forma de favo de mel. Este design elimina o desperdício de energia, direcionando todo o calor gerado pelo grafeno para mudar o material de mudança de fase. Na verdade, a densidade de energia de comutação desta configuração, que é calculada dividindo a energia de comutação pelo volume do material que está sendo comutado, é de apenas 8,7 attojoules (aJ)/nm ³ , uma redução de 70 vezes em relação aos aquecedores de silício dopado amplamente utilizados, o atual estado da arte. Isso também está dentro de uma ordem de magnitude do limite fundamental da densidade de energia de comutação (1,2 aJ/nm ³ ).

Embora o uso de grafeno para conduzir eletricidade induza algumas perdas ópticas, o que significa que alguma luz é absorvida, o grafeno é tão fino que não apenas as perdas são mínimas, mas o material de mudança de fase ainda pode interagir com a luz que se propaga na camada de silício. A equipe estabeleceu que um aquecedor à base de grafeno pode mudar de forma confiável o estado do material de mudança de fase em mais de 1.000 ciclos. Esta é uma melhoria notável em relação aos aquecedores de silício dopado, que só demonstraram ter uma resistência de cerca de 500 ciclos.

"Mesmo 1.000 não é suficiente", disse Majumdar. “Na prática, precisamos de cerca de um bilhão de ciclos de resistência, na qual estamos trabalhando atualmente”.

Agora que eles demonstraram que a luz pode ser controlada usando um material de mudança de fase e aquecedor de grafeno, a equipe planeja mostrar que esses interruptores podem ser usados ​​para roteamento óptico de informações através de uma rede de dispositivos, um passo fundamental para estabelecer seu uso em centros de dados. Eles também estão interessados ​​em aplicar essa tecnologia ao nitreto de silício para rotear fótons únicos para computação quântica.

"A capacidade de ajustar as propriedades ópticas de um material com apenas um aquecedor atomicamente fino é um divisor de águas", disse Majumdar. “O desempenho excepcional do nosso sistema em termos de eficiência energética e confiabilidade é realmente inédito e pode ajudar a avançar tanto a tecnologia da informação quanto a computação quântica”.

Co-autores adicionais incluem estudantes de engenharia elétrica e de computação da UW Rui Chen, Jiajiu Zheng e Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen e Eric Pop da Universidade de Stanford; Sarah Geiger, Dennis Callahan e Michael Moebius do Laboratório Charles Stark Draper; Carlos Rios da Universidade de Maryland; e Juejun Hu do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. + Explorar mais

Pesquisadores se aproximam do controle do grafeno bidimensional