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Meeting 100Gbps Ethernet Requirements with CMOS Integrated Circuit Chipset to Dramatically Cut Energy Use in Data Centres

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El primer juego de chips CMOS de 25/100 Gb de baja potencia y bajo coste del mundo para centros de procesamiento de datos

Con la explosión de datos generada por los dispositivos digitales de alto rendimiento basados en banda ancha, los centros de procesamiento de datos se han convertido en una infraestructura moderna crítica. Sin embargo, dado que sus niveles de consumo energético son insostenibles, actualmente resulta imprescindible contar con nuevas soluciones.

Economía digital

Se ha calculado que los centros de procesamiento de datos utilizan alrededor de 200 teravatios/hora de electricidad al año, lo cual equivale a alrededor del 1 % de la demanda mundial de electricidad. Algunas previsiones anuncian que esta demanda crecerá alrededor de un 7 % en poco menos de una década. De cara a subsanar las actuales ineficiencias energéticas y financiado con el fondo del Instrumento PYME de la Unión Europea, el proyecto MERCURY fabricó y demostró un prototipo de un juego de circuitos integrados (CI) pioneros. MERCURY empleó por primera vez la tecnología CMOS (siglas en inglés de semiconductor complementario de óxido metálico) estándar en la industria en placas de 12 pulgadas para hacer funcionar módulos transceptores ópticos (OTM, por sus siglas en inglés) de 25 Gigabits por segundo (Gbps) con un formato de 4 x 25 Gb. Un puente entre los dominios ópticos y eléctricos Con unas velocidades de datos de 25 Gb o más, típicas de las recientes comunicaciones de gran ancho de banda, si las distancias que las señales deben recorrer en un circuito eléctrico impreso superan unas pocas pulgadas, se atenúan y pronto se pierden en el ruido. Los CI con transceptores ópticos evitan esta limitación utilizando fibras ópticas con baja pérdida para enviar y recibir señales. A menudo estos chips empiezan a utilizar transistores bipolares fabricados a partir de silicio-germanio (BiCMOS SiGe). Esta disposición, aunque ofrece una gran velocidad de procesamiento, pone en peligro la eficacia energética, puesto que los transistores de SiGe funcionan con tensiones superiores a las de los transistores CMOS. La innovación de MERCURY radica en la conversión de señales ópticas en eléctricas y viceversa empleando la tecnología CMOS. En la parte de transmisión, las señales digitales de entrada son resincronizadas y se crean señales de control analógicas avanzadas para que funcione el componente láser. Mientras que en la de recepción, un fotodiodo convierte la luz entrante a fotocorriente de baja intensidad, la cual se amplifica a través de varias etapas hasta alcanzar niveles totalmente digitales, extrayéndose las señales del reloj (que coordina la sincronización digital) y de datos. «A modo de ejemplo, se equipó un centro de datos construido recientemente en Dublín con un millón de transceptores ópticos. Empleando nuestra tecnología, cada OTM utilizaría entre medio y un vatio menos de potencia. Una vez incluidas las ineficiencias del aire acondicionado, esto equivaldría a un ahorro total de potencia de 5 MW; ¡como el consumo de más de 1 600 calderas funcionando de manera continua en tan solo un centro!», añade el señor Gary Steele, coordinador del proyecto. Con 12 pulgadas, las placas CMOS de MERCURY ofrecen unas mayores economías de escala que las placas de 8 pulgadas de SiGe. Además de reducir costes, como utiliza menos de la mitad de la potencia que estos competidores sin perder rendimiento ni funcionalidad, la tecnología de MERCURY parece capaz de sustituir a los BiCMOS; como ya ha ocurrido en velocidades de datos menores. Creciente demanda de unos centros de procesamiento de datos eficientes en materia energética Las inversiones en centros de procesamiento de datos europeos van en aumento y, en 2020, estos centros utilizarán en Europa más de 100 000 millones de kWh de energía al año. El Código europeo de conducta sobre eficiencia energética de centros de datos de la Comisión Europea fue diseñado para ayudar a hacer frente a esta situación insostenible sin poner en peligro la velocidad ni la capacidad de memoria de los centros de procesamiento de datos. La sustitución de BiCMOS por CMOS MERCURY reduce el consumo energético y el calor residual de los equipos de los centros de procesamiento de datos y, por tanto, contribuye a este objetivo. Además, tal y como declara el señor Steele: «Los 25 Gbps son también la solución generalizada para el despliegue celular 5G. Las velocidades de datos de consumidores mucho más elevadas que las de los teléfonos 3G y 4G, junto con el aumento del número de estaciones base, hacen que los ahorros de energía de MERCURY también se puedan aplicar en este ámbito. Calculamos que los volúmenes de producción podrían alcanzar hasta 50 millones de unidades al año, con una instalación total que llegaría fácilmente a las 250 millones de unidades en todo el mundo». Tras demostrar su plena funcionalidad y aplicar luego las consiguientes mejoras de rendimiento (incluidas en un nuevo prototipo), el equipo está ahora probando en el laboratorio muestras de ingeniería previamente a la fabricación masiva.

Palabras clave

MERCURY, 5G, circuitos integrados, transceptores ópticos, CMOS, BiCMOS, centros de procesamiento de datos, velocidades de datos, transistores bipolares, eficacia energética, verde, sostenible

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