Qué es la fotónica y cómo puede lograr que los centros de datos de la IA consuman menos agua y energía

"Creo que estamos llegando al final de la era del cobre", afirma Chris Sharp, director de tecnología de Digital Realty, operador de centros de datos.

No está diciendo que nos estemos quedando sin cobre, sino que Sharp, y muchos otros en la industria de los centros de datos, apuestan a que se utilizará menos.

Los centros de datos utilizan enormes cantidades de este metal: unas 400 toneladas se destinan a una instalación típica de unos 100 MW (el tamaño de un centro de datos se mide en megavatios, una unidad de potencia eléctrica).

La mayor parte de ese cobre se utiliza en la infraestructura eléctrica necesaria para alimentar el centro de datos y en los sistemas de refrigeración. Pero hasta 70 toneladas se utilizan en los servidores informáticos que procesan los datos en esa instalación de 100 MW.

Otras más o menos 20 toneladas se usan para el cableado de red que conecta esos servidores informáticos.

Y es ahí, en ese enredo de cables que serpentea por un centro de datos donde se busca reemplazar el cobre.

"Los cables que conectan estas GPU, CPU y toda esta capacidad de procesamiento son lo que nos está ralentizando", afirma Sharp.

Los datos se transmiten por los centros de datos en forma de electrones, que viajan de manera eficiente a través del cableado de cobre.

Pero muchos creen que existe una forma aún mejor de hacerlo, utilizando luz en forma de fotones.

La luz se ha utilizado durante décadas para comunicaciones de larga distancia a través de fibra óptica; es probable que los datos de este artículo hayan viajado por un cable de fibra óptica en algún momento.

Los investigadores y las empresas quieren extender el uso de la fibra óptica al interior de los centros de datos.

Se trata de un proceso de ingeniería complejo, donde los componentes ópticos se conectan directamente a los eléctricos, a veces en los propios chips de la computadora.

Esa tecnología se denomina fotónica y su principal ventaja es que la luz no produce el mismo efecto térmico que la electricidad. Menos calor significa que se necesita menos energía para refrigerar los sistemas de los centros de datos.

"Se puede ahorrar muchísima energía", afirma Callum Littlejohns, subdirector de Cornerstone Labs, una fundición de fotónica de silicio.

Es poco probable que la fotónica haga que los centros de datos sean más populares entre el público, pero podría reducir un poco su consumo energético.

Littlejohns también señala que se pueden transmitir múltiples flujos de datos a través del mismo canal para crear mayor capacidad.

Peter O'Brien, jefe de investigación de empaquetado fotónico e integración de sistemas en el Instituto de Investigación Tyndall de Irlanda, afirmó que tanto los académicos como las empresas comerciales llevan años trabajando con la fotónica, pero que la tecnología se enfrentaba a múltiples desafíos de fabricación.

Ahora, continúa O'Brien, la tecnología está lista para dar el salto del laboratorio a su aplicación generalizada.

"Lo que está ocurriendo ahora con la óptica y la fotónica es que se está produciendo una especie de reinicio", afirma.

Es una ventaja que el gigante de los chips de IA, Nvidia, haya respaldado esta tecnología con tanto peso.

Pero la transición a la fotónica no es un simple cambio, ya que reúne diferentes tradiciones de ingeniería y diferentes cadenas de suministro.

"Hemos mejorado mucho en la reducción de costos en el ámbito eléctrico, en cómo diseñarlo, cómo fabricarlo, cómo probarlo y cómo implementarlo", afirma Andrew Wheeler, vicepresidente sénior de Hewlett Packard Labs.

Pero afirma que la industria aún está buscando la manera de reducir los costos.

Parte del problema radica en que los distintos elementos del proceso de fabricación están distribuidos por todo el mundo. Por ejemplo, el ensamblaje final se realiza en las llamadas plantas de empaquetado, que se concentran en Taiwán.

Con condiciones

Persisten los desafíos de ingeniería. Si bien los dispositivos de redes ópticas pueden generar mucho menos calor, otros componentes dentro de un centro de datos siguen provocando que el entorno local se caliente.

Y eso supone un problema para los componentes ópticos, que son muy sensibles al calor, explica Wheeler. Esto genera dudas sobre su fiabilidad, a menos que los operadores de centros de datos y los fabricantes de equipos puedan mantenerse dentro de límites térmicos estrictos.

Si bien las redes ópticas pueden transmitir datos casi a la velocidad de la luz, su instalación y mantenimiento seguirán realizándose a un ritmo lento. Diseñadores de redes, ingenieros de soporte técnico e instaladores deberán adquirir nuevas habilidades en materia de instalación y mantenimiento.

Por ejemplo, dice Sharp, con la fibra, "no se pueden hacer giros muy cerrados. Hay pequeños matices en la forma de estructurarla".

En definitiva, las ventajas de las redes ópticas solo se pueden aprovechar plenamente cuando la luz se utiliza no solo para transmitir datos, sino también para procesarlos, afirma Ofer Shapiro, director ejecutivo de la empresa óptica Resolight.ai.

La empresa propone una arquitectura para sustituir los conmutadores de red electrónicos tradicionales que controlan las comunicaciones entre servidores por dispositivos totalmente ópticos.

Argumenta que no tiene sentido convertir constantemente datos de fotones a electrones y viceversa.

Según Shapiro, las interconexiones ópticas entre los chips de la computadora y los elementos de la red significarían que los datos permanecerían en el dominio óptico, ahorrando aún más energía.

Pero eso es algo que se verá en el futuro. De forma más inmediata, las empresas siguen trabajando en la ampliación de la fabricación de componentes fotónicos.

Littlejohns afirma que esta capacidad de reutilizar el conocimiento adquirido a través de la fabricación de productos electrónicos ayudará, en última instancia, a reducir el costo de la fotónica.

"Sabemos que podemos escalarlo enormemente, por eso es una tecnología tan interesante, porque puede servir de base para muchas aplicaciones."

A gran escala

Los componentes fotónicos suelen ser más grandes que los componentes de silicio que se utilizan en los chips de ordenador.

Aunque parezca contraintuitivo, esto significa que organizaciones como Cornerstone pueden reutilizar equipos antiguos de fabricación de silicio que se utilizaban para generaciones anteriores de procesadores.

Una de las herramientas de fabricación de Cornerstone proviene de una antigua línea de producción de Intel que se utilizaba para fabricar los chips Pentium 4 lanzados a principios de siglo.

Littlejohns afirma que esta capacidad de reutilizar el conocimiento adquirido a través de la fabricación de productos electrónicos ayudará, en última instancia, a reducir el costo de la fotónica.

"Sabemos que podemos fabricarlo a gran escala, por eso es una tecnología tan interesante, porque puede servir de base para muchas aplicaciones."

Este artículo fue escrito originalmente en inglés y usamos una herramienta de inteligencia artificial para traducirlo. Un periodista de la BBC revisó el texto antes de su publicación. Más información sobre cómo usamos IA.