Más chips fotónicos, menos CO2

Más chips fotónicos, menos CO2

Compártelo:

Desde hace algunas décadas la mayoría de nosotros estamos concienciados de apagar la luz cuando no estamos en casa, o de no usar el aire acondicionado o la calefacción, únicamente cuando es necesario. Decimos que es para ahorrar energía.

Sin embargo, nadie se lo piensa dos veces a la hora de descargar horas y horas de vídeos de YouTube, darle a me gusta a todo lo que vemos en Facebook, o almacenar cientos de gigabits de datos en Google Drive: por si acaso los volvemos a necesitar en algún momento. Estos hábitos se apoyan en la existencia de una amplia red de centros de datos, monumentales instalaciones de hasta 150.000 m2 con cientos de miles de servidores e interconexiones que consumen en su conjunto alrededor de 500 TWh al año.

Esta cantidad es más o menos la energía consumida anualmente en Alemania, país altamente poblado e industrializado, y más del doble que la consumida por España. Con el inminente despliegue masivo de la “internet de las cosas”, los vehículos no tripulados, y la amplia red de centros de datos ya existente se contribuye no solo a su expansión sino a agravar el problema.

¿Por qué es tan importante ahorrar energía cuando parece que tenemos suficiente capacidad para producir toda la que necesitamos? Por cada kWh producido emitimos una cantidad muy considerable de CO2 (~ 1kg de CO2 por cada kWh proveniente del carbón) y otros gases efecto invernadero que acaban teniendo consecuencias catastróficas para el planeta. Para afrontar este problema, algunas corrientes apuntan a un uso “más responsable” de internet y proponen iniciativas tales como cobrar una tasa por subir una fotografía a Facebook. Esta propuesta, que sería en la práctica una especie de “racionamiento” de internet, sería un nefasto paso hacia atrás para una sociedad fuertemente basada en el intercambio de información. Otra estrategia, mucho más viable y sostenible,sería contribuir en el avance y desarrollo de fuentes de energía renovables que reducen drásticamente las emisiones de CO2 por kWh. Especialmente dada la actual coyuntura política con países como EEUU y Australia debemos centrarnos fuertemente en el carbón: es conveniente atacar el problema también por otros frentes.

La alternativa más obvia es simplemente reducir el consumo de los centros de datos, y por tanto la cantidad de CO2 emitida por cada bit almacenado. Para ello lo primero es entender de dónde viene ese excesivo consumo de energía. El procesamiento de la información en los routers, conmutadores y servidores que forman parte de los centros de datos se produce en forma de señales eléctricas. Cuando estas señales eléctricas, o mejor dicho, los electrones que forman estas señales, se propagan por los circuitos y cables conductores se genera calor.

No hay más que tocar una bombilla encendida para hacerse una idea de cuánto calor puede emitir el flujo de electricidad: algunos de los electrones chocan con los átomos o moléculas del metal y les transfieren su energía quinética que se transforma en calor. Cuanto más pequeños son los circuitos eléctricos mayor es la resistencia al flujo de electrones y mayor el calor generado. Por ello, la integración electrónica no supone ninguna ventaja en cuanto a la energía consumida.

La solución la encontramos en el transporte y procesamiento de información en señales ópticas. Los fotones, que son los cuantos de información óptica, no tienen masa ni carga, y por lo tanto no interactúan prácticamente con el material por el que se propagan (o lo hacen muy débilmente). Por esa razón las señales ópticas pueden propagarse hasta 100 km en una fibra óptica sin necesidad de ser regeneradas.

Hoy en día la información ya llega a los centros de datos mediante fibras ópticas. A partir de ahí todas las funciones de procesamiento se realizan en el dominio electrónico. La esperanza es que en el futuro parte de esas funciones se realicen en el dominio óptico, empleando fotones en lugar de electrones. Y, afortunadamente, la “resistencia” de un circuito óptico al flujo de la luz no aumenta cuando disminuye el tamaño del circuito, por lo que la integración óptica sí que supone una tremenda ventaja. Utilizar dispositivos más compactos requiere mucha menos potencia óptica.

El problema es que, precisamente por esa naturaleza de los fotones de no interactuar con el medio ni con otros fotones, es complicado implementar funciones de procesamiento en el dominio óptico. Uno de los campos más apasionantes en fotónica es la óptica no lineal: trata precisamente de aumentar estas interacciones.

La realidad es que el procesamiento óptico como tal esta aún en un estadio de investigación, y el inconveniente del calentamiento global no puede esperar. Sin embargo, algo que ya es una realidad a nivel comercial y por lo que los gigantes de las tecnologías de la información ya están apostando es la substitución de las actuales conexiones eléctricas por conexiones fotónicas integradas. Se estima que solo con este paso se podría reducir el consumo de energía varios órdenes de magnitud.

En consecuencia, la motivación para incorporar chips fotónicos en las redes de comunicación ha cambiado respecto a algunos años atrás. Solíamos  hablar de introducir dispositivos fotónicos integrados para eliminar los cuellos de botella de la electrónica y aumentar la capacidad de las redes. Hoy en día el problema de los cuellos de botella lo hemos resuelto con fuerza bruta: desplegando mucha fibra óptica y aumentando el número de dispositivos electrónicos (routers, conmutadores, etc.).

Ahora nos encontramos con la preocupante situación actual respecto a las emisiones de CO2 provenientes del Big Data. Y por si acaso el argumento medioambiental no fuese suficiente para algunos, Google ha admitido recientemente que su factura de la energía va a superar pronto el coste de sus procesadores.

Así que, aunque más tarde de lo que deberían, Google y compañía están apostando por la fotónica integrada, porque saben bien que introduciendo chips fotónicos disminuirán sus facturas, y ya de paso ayudarán al planeta.

Sobre Andrea Blanco Redondo

Research Fellow y Lecturer en la Universidad de Sídney, donde dirige el proyecto en fotónica topológica en el que participan el centro de Sídney CUDOS (Centre for Ultra-high Bandwidth Devices for Optical Systems) y el centro israelí Technion. Obtuvo su doctorado en ingeniería por la Universidad del País Vasco y es Ingeniera de Telecomunicación por la Universidad de Valladolid. Trabajó en TECNALIA desde 2007 hasta principios de 2015; comenzó en la unidad de Telecom en ICT y en su último año en la unidad de Aeroespacial de Industria y Transporte. Previamente pasó por Aston University (Birmingham, Reino Unido) y Telefónica I+D (Valladolid, España).

Sus intereses incluyen fotónica de Silicio, dispositivos ópticos no-lineares, cristales fotónicos, luz lenta y fotónica topológica. Es la autora de una decena de artículos de revistas, un capítulo de libro, y numerosas contribuciones en conferencias, varias de ellas invitadas y una de ellas post-deadline. En 2014 fue galardonada con el accésit al premio estatal Ada Byron a la mujer tecnóloga.  Ha ganado tres Best Paper Awards en conferencias internacionales, y ha sido recientemente seleccionada por la Australian Academy of Science para representar a Australia en el 66th Nobel Laureate Meeting en Lindau (Alemania).

Dejar un comentario

* Campos obligatorios