Una idea brillante: almacenar datos en chips de memoria basados en luz

El primer chip de almacenamiento totalmente basado en luz capaz de almacenar datos de manera permanente fue desarrollado por científicos de la Universidad de Oxford en colaboración con científicos de Exeter y científicos de las ciudades alemanas de Karlsruhe y Münster. Construidos con materiales utilizados en CD y DVD reutilizables, estos chips podrían mejorar significativamente las velocidades de transferencia de datos en ordenadores modernos.

Rompiendo barreras

Los ordenadores de hoy en día se ven ralentizados por las velocidades relativamente bajas de transferencia de datos entre un procesador y la memoria. “No tiene sentido instalar procesadores más rápidos cuando lo que transfiere información desde la memoria y hacia ella es algo parecido a un freno, el llamado cuello de botella Neumann", opina el profesor Harish Bhaskaran, que condujo el estudio. "Pero creemos que la luz puede acelerar considerablemente la transferencia.”

El cuello de botella del procesador, sin embargo, no se soluciona añadiendo simplemente unos cuantos fotones, sino que, los datos, una vez transferidos, deben convertirse primero en señales ópticas y después de nuevo en señales electrónicas. Para aumentar realmente las velocidades de transferencia de datos, tanto la memoria como el procesador deben funcionar con luz.

Los investigadores han intentado en repetidas ocasiones desarrollar este tipo de memoria fotónica, pero los datos almacenados son siempre volátiles, es decir, que requieren energía para mantener su integridad. Y ahí está el problema: el disco duro de un ordenador debe ser capaz de almacenar datos indefinidamente con o sin fuente de alimentación.

Una idea brillante

Un equipo internacional de investigadores, incluidos científicos del Departamento de Materiales de la Universidad de Oxford, ha creado recientemente el primer chip de memoria fotónico no volátil del mundo. Este nuevo chip utiliza el material de cambio de fase Ge2Sb2Te5 (GST), que también se usa en CD y DVD reescribibles. Este material puede adoptar un estado amorfo (como el cristal) o un estado cristalino (como el metal) independientemente de si se utilizan pulsos eléctricos u ópticos. Los investigadores utilizaron una pequeña zona del GST, conocida como “guía de ondas” para transportar correctamente los impulsos luminosos.

El equipo demostró que los impulsos luminosos intensos que envía la guía de ondas pueden cambiar el estado del GST. Un impulso intenso hace que el material se derrita abruptamente y se enfríe rápidamente, adoptando así una estructura amorfa, mientras que un impulso ligeramente menos intenso puede transformar al material a un estado cristalino. Ambos estados surgen más adelante, cuando la guía de ondas transmite luz de intensidad mucho menor más o menos dependiendo del estado en forma de 1 o 0. “Se trata de la primera memoria óptica no volátil verdadera”, explica el estudioso de Clarendon y estudiante de doctorado Carlos Ríos. "Y hemos podido incluso alcanzar nuestro objetivo con materiales comunes conocidos por su retención de datos a largo plazo.”

Aumento de velocidad y rendimiento

A base de transmitir luz simultáneamente con diferentes longitudes de onda, el equipo demostró también que podían utilizar un solo impulso para leer y escribir datos simultáneamente. “En teoría esto quiere decir que podemos leer y escribir miles de bits al mismo tiempo, lo cual garantiza un ancho de banda prácticamente ilimitado”, explica el profesor Wolfram Pernice de la Universidad de Münster, Alemania.

Los investigadores descubrieron también que las distintas intensidades de los impulsos fuertes producen, de manera exacta y repetitiva, mezclas diferentes de la estructura amorfa y cristalina que contiene el GST. Cuando la guía de ondas envía impulsos débiles para que lean el contenido de la memoria, estos detectan sutiles diferencias en la luz transmitida y producen ocho composiciones distintas (de totalmente cristalina a totalmente amorfa), las almacenan como datos y las releen. Esta capacidad de estado múltiple podría proporcionar unidades de almacenamiento con información superior a la información binaria habitual de unos y ceros para que un solo bit de la memoria pueda almacenar estados múltiples o incluso realizar cálculos por sí mismo, liberando así al procesador de tal actividad.

En el informe, el profesor Bhaskaran declara: "Estamos ante un nuevo tipo de funcionalidad con materiales probados. Estos bits ópticos pueden describirse en frecuencias de hasta un gigahercio proporcionando anchos de banda descomunales. Este es el almacenamiento de datos ultrarrápido que necesita la informática moderna.”

Mientras tanto, el equipo de investigadores está trabajando en una serie de proyectos de prueba en los que utilizarán la nueva tecnología. Les interesa especialmente el desarrollo de un enlace electroóptico nuevo que permita a los chips de memoria conectarse directamente a otros componentes usando luz en lugar de señales eléctricas. Con el tiempo se verá la importancia de este avance en relación con las tecnologías futuras de almacenamiento de datos y sus posibles implicaciones para los gremios de todo el mundo.