Modelización de la eficiencia energética para los microchips de nueva generación
Un grupo de científicos financiado por la Unión Europea ha realizado simulaciones desde el nivel nanométrico hasta la escala del dispositivo al completo con el fin de determinar el consumo de energía de los microchips y los diodos emisores de luz, o LED, con el fin de allanar el camino hacia a una generación nueva de dispositivos electrónicos y de iluminación energéticamente eficientes. El tráfico de datos en Internet aumenta exponencialmente cada año y consume cada vez más energía para hacer posibles la comunicaciones, ya sea en smartphones, tabletas u ordenadores personales. Se estima que actualmente este uso de la energía suma alrededor del 5 al 10 % de la electricidad que se consume en todo el mundo. Para realizar cada consulta en un motor de búsqueda de Internet como Google, se accede a un inmenso centro de procesamiento de datos, formado por ordenadores conectados en red. Las interconexiones y los transistores de los microchips ya consumen tanta energía que gestionar el volumen de calor generado por los componentes se ha convertido en uno de los principales problemas de diseño en este sector. «La demanda global de energía que exige Internet empieza a ser insostenible y, con la llegada del Internet de los objetos, esto solo puede empeorar», explica el Prof. Eoin O’Reilly, coordinador del proyecto DEEPEN (From Atom-to-Device Explicit simulation Environment for Photonics and Electronics Nanostructure). «Si la eficiencia energética no mejora, podemos extrapolar que, en un plazo de unos quince años, esta demanda representará el 50 % del consumo energético total y esto empieza a parecer insostenible», añade. El equipo del proyecto ha simulado el consumo de energía en componentes de microchips y LED para modelizar la eficiencia energética. No obstante, a medida que disminuyen las dimensiones de los componentes (en algunos casos, hasta apenas 50-100 átomos de grosor), las simulaciones, que tradicionalmente utilizan las propiedades volumétricas o promedio de los materiales semiconductores, no pueden modelizar con precisión el uso de la energía. Los socios de DEEPEN, entre los que figuran investigadores, desarrolladores de software, expertos en simulación y su aplicación al diseño de dispositivos y socios industriales dedicados a la fabricación, como Osram (Alemania), uno de los principales fabricantes de LED del mundo, realizaron simulaciones en el nivel atómico y de los dispositivos al completo y elaboraron una «biblioteca» de propiedades de los materiales y sus variaciones a distintas escalas. «El comportamiento a nanoescala adquiere importancia a medida que disminuye la escala de los dispositivos », dice el Prof. O’Reilly del Tyndall National Institute de Cork (Irlanda). «A la escala más pequeña, se pueden describir las propiedades electrónicas con mucha precisión, pero es muy caro en términos de tiempo y memoria de proceso». Por lo tanto, los expertos de DEEPEN trabajaron juntos durante tres años para diseñar simulaciones a multiescala utilizando códigos de software de ordenador distintos para distintos problemas y, a continuación, relacionaron los códigos entre sí. Para los LED, nuestras simulaciones mostraron que los efectos atómicos locales son muy importantes para comprender las características de la emisión lumínica de los LED verdes y azules. Estos efectos atómicos locales se habían ignorado hasta ahora al tratar de modelizar (la eficiencia energética de) los dispositivos», explica el Prof. O’Reilly. En los transistores, los dispositivos semiconductores de los microchips que transfieren señales electrónicas utilizando energía eléctrica, la modelización tradicional de la eficiencia energética trataba los dispositivos como si tuviesen propiedades medias. «Pero en nuestro proyecto pudimos, por primera vez, vincular la descripción, muy sofisticada, de las propiedades atómicas de la región activa con el tratamiento a mayor escala del resto del dispositivo», explica. Los modelos vinculados, trazados a partir de resultados de otros proyectos del European Multiscale Modelling Cluster a fin de crear nuevos estándares y procesos para dicha codificación, se utilizarán para mejorar el diseño de las funciones de los dispositivos. «Ahora estamos en una situación mucho más propicia para proporcionar directrices de diseño precisas al sector de los semiconductores y contribuir a su tarea de investigación sobre dispositivos nanoelectrónicos energéticamente eficientes».
Palabras clave
DEEPEN, simulación, energía, eficiencia energética, fotónica para iluminación, nanotecnología