El Prof. Qing-Tai Zhao encabeza el Grupo de Investigación de Dispositivos Nanoelectrónicos en el Instituto Peter Grünberg (PGI-9) en el Centro de Investigación Jülich. Crédito: Centro de investigación Jülich / Bernd Nörig
Los chips de computadora modernos generan mucho calor y, como resultado, consumen grandes cantidades de energía. Un enfoque prometedor para reducir esta demanda de energía podría estar en el frío, como lo destaca un nuevo artículo de perspectiva de un equipo de investigación internacional coordinado por Qing-tai Zhao de Forschungszentrum Jülich. Los ahorros podrían alcanzar hasta el 80%, según los investigadores.
El trabajo se realizó en colaboración con el Prof. Joachim Knoch de la Universidad RWTH Aachen e investigadores de EPFL en Suiza, TSMC y la National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) en Taiwán y la Universidad de Tokio. En el artículo publicado en Nature Reviews Engineering Electrical, los autores describen cómo la tecnología CMOS convencional puede adaptarse para la operación criogénica utilizando materiales novedosos y estrategias de diseño inteligente.
Los centros de datos ya consumen grandes cantidades de electricidad, y se espera que sus requisitos de energía se dupliquen para 2030 debido a la creciente demanda de energía de la inteligencia artificial, según la Agencia Internacional de Energía (IEA). Los chips de computadora que procesan datos durante todo el reloj producen grandes cantidades de calor y requieren una energía considerable para el enfriamiento. Pero, ¿y si volteamos el guión? ¿Qué pasa si la clave para la eficiencia energética no radica en la gestión del calor, sino en abrazar el frío?
Esta es la idea detrás del concepto de computación criogénica, es decir, la calculación a temperaturas muy bajas. En el futuro, los chips de computadora no solo pueden funcionar más rápido sino también de manera más eficiente a estas temperaturas, al menos si se adaptan en consecuencia.
El enfoque también es interesante para numerosas aplicaciones, como computadoras cuánticas, sondas espaciales e imágenes médicas, que a menudo requieren temperaturas muy bajas cercanas al cero absoluto. Los chips convencionales también pueden beneficiarse de un enfriamiento potente. Sin embargo, solo son adecuados para una operación verdaderamente criogénica en gran medida.
A los transistores les gusta frío, en realidad
“Los transistores representan una gran proporción del consumo de energía en las computadoras”, dice Zhao. Estos pequeños interruptores (chips modernos a menudo contienen varios miles de millones por milímetro cuadrado, solicitan un cierto voltaje para cambiar entre encendido y apagado. A temperatura ambiente, se requieren alrededor de 60 milivoltios para modificar la corriente en un factor de 10. Este valor, conocido como el “swing subchalfold”, es una medida de la eficiencia de conmutación de un transistor, y es altamente dependiente de la temperatura.
“Tradicionalmente, este voltaje de conmutación disminuye a medida que la temperatura cae. Eso se debe a que los electrones tienen menos energía térmica. No ‘saltan’ sobre las barreras tan fácilmente y se comportan más predeciblemente en general. Cerca de cero absoluto, teóricamente solo se requeriría 1 milivoltio”, explica Zhao. Menos voltaje significa menos energía, menos calor y mayor eficiencia.
De hecho, los estudios muestran que a 77 Kelvin (-196.15 ° C), una temperatura que aún se puede lograr usando enfriamiento de nitrógeno líquido, son posibles ahorros de energía de hasta el 70%. Esto sigue siendo cierto incluso cuando la energía necesaria para el enfriamiento se tiene en cuenta. Con el enfriamiento a base de helio en 4 Kelvin, los ahorros podrían alcanzar hasta el 80%, según los investigadores.
Teoría vs. Práctica
Sin embargo, la realidad es algo diferente. A temperaturas muy bajas, los fenómenos físicos se hacen evidentes que están enmascarados por el “ruido térmico” a temperaturas más altas. Los más notables de estos son los llamados efectos de la cola de banda: perturbaciones energéticas causadas por pequeños trastornos o defectos materiales, ya que ningún semiconductor es perfecto. “Evitan que los transistores se apaguen correctamente”, dice Zhao. La corriente continúa “filtrando” a pesar de que el componente debería bloquearse.
Además, está el túnel de fuentes, un fenómeno cuántico en el que los electrones pasan directamente a través de la región de barrera. Juntos, estos efectos evitan que el columpio de subcoldio disminuya tanto como se esperaba. En lugar de alcanzar valores inferiores a 1 milivoltio por década, el columpio sujeto a subcoldio típicamente se asienta entre 5 y 10 milivoltios por década a temperaturas inferiores a 20 Kelvin, demasiado alta para lograr la eficiencia energética teóricamente posible.
Nuevos materiales, nuevas perspectivas
La buena noticia es que hay soluciones. Por ejemplo, el uso de materiales que no se pueden usar a temperatura ambiente tienen grandes ventajas a temperaturas muy bajas. La razón de esto es el rango de energía limitado debido a las temperaturas muy bajas, que es esencial para el comportamiento de cambio. En última instancia, la realización de la computación criogénica requiere “el reemplazo de materiales establecidos en la tecnología CMOS comercial con nuevos materiales o con materiales conocidos reevaluados integrales”, como explica Knoch.
En su estudio, los investigadores proponen una amplia gama de tecnologías que, en combinación, podrían permitir una especie de “super transistor para el frío”. Estos incluyen:
Nanocables para todos los nanocables de silicio (SOI) de silicio totalmente agotado (SOI), que permiten dieléctricos de alto K de control particularmente precisos con constantes dieléctricas muy altas en combinación con los internos delgados sub-nanométricos, que reducen el trastorno energético y de manera eficiente, los materiales de los materiales de campo eléctrico, lo que permite la formación de la junta de empuñadura y introduce menos defectos del uso de los materiales de la banda eléctrica de la banda. que permiten la conmutación con voltajes más bajos que se calculan en la referencia, en la que el voltaje umbral se puede ajustar dinámicamente.
De laboratorio a aplicación
“Los chips optimizados en frío podrían reducir significativamente el consumo de energía para la computación, especialmente en centros de datos de alto rendimiento donde se despliegan miles o incluso cientos de miles de chips”, dice Hung-Li Chiang, investigador de TSMC. Pero también son especialmente relevantes para la computación cuántica, donde los estados cuánticos frágiles utilizados para el procesamiento son extremadamente sensibles a la interferencia. El calor es particularmente perjudicial, por lo que las computadoras cuánticas generalmente se operan a temperaturas muy por debajo de 4 Kelvin usando sistemas de enfriamiento especializados llamados criostats.
Estas aplicaciones exigentes también son el foco del grupo de investigación de Zhao en Forschungszentrum Jülich. “Los requisitos para la electrónica cuántica son extremadamente altos, pero las tecnologías que se desarrollan en este contexto podrían allanar el camino para la computación de alto rendimiento a temperaturas criogénicas, y para sistemas criogénicos universales que combinan procesadores de von Neumann, cuánticos y neuromórficos, todos con un consumo de energía ultra baja”, explica Zhao.
Los principales fabricantes de semiconductores también están trabajando en este tema. Los expertos de TSMC, la fundición de chips más grande del mundo con sede en Taiwán, conocida por producir chips de alto rendimiento para empresas como Apple, Nvidia y AMD, también participaron en el estudio actual.
Más información: Qing-Tai Zhao et al, Tecnología de semiconductores de óxido de metal complementario ultra-bajo de potencia mínima, Naturaleza revisa la ingeniería eléctrica (2025). Doi: 10.1038/s44287-025-00157-7
Proporcionado por el centro de investigación Juelich
Cita: Computación fría: por qué el futuro de la electrónica podría estar en el frío (2025, 27 de mayo) recuperado el 27 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-cool-future-electronics-cold.html
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