Computadora
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¿Qué es la capacitancia negativa y cómo puede reducir la enorme demanda de energía de las computadoras?

Cada vez más aspectos de nuestras vidas se están digitalizando, lo que significa que las computadoras son cada vez más parte de la forma en que socializamos, hacemos negocios y nos entretenemos.

En el lado negativo, todas estas computadoras de última generación requieren grandes cantidades de energía. De hecho, solo en los Estados Unidos, la informática está en camino de superar a otros sectores que dependen de la energía, como el transporte.

Mientras tanto, los centros de datos para plataformas de redes sociales como Facebook también tienen un gran impacto energético, ya que consumen más de 200 teravatios hora cada año, o más que las demandas de energía de naciones enteras.

La tecnología avanza a un ritmo acelerado

En un nuevo y emocionante desarrollo, un equipo de ingenieros de la Universidad de California, Berkeley, informa que ha encontrado una solución para reducir las demandas de energía de las computadoras sin comprometer su rendimiento o tamaño.

Lo han hecho modificando sus transistores con un nuevo componente llamado óxido de puerta, que sirve para encender y apagar el transistor. “Hemos podido demostrar que nuestra tecnología de óxido de puerta es mejor que los transistores disponibles comercialmente”, explica Sayeef Salahuddin, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación en UC Berkeley.

Salahuddin y su equipo explotaron un efecto que se descubrió hace más de una década llamado capacitancia negativa , que ayuda a reducir la cantidad de voltaje necesaria para almacenar carga eléctrica en un material.

Ahora, en una nueva investigación, cuyos resultados se han publicado en un estudio , los ingenieros demuestran cómo se puede lograr este efecto en un cristal especialmente fabricado que consta de una pila de capas de óxido de hafnio y óxido de circonio, que es compatible con transistores de silicio avanzados.

No sólo para las computadoras

Los teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles y de escritorio contienen miles de millones de estos diminutos transistores de silicio, cada uno de los cuales debe controlarse mediante la aplicación de voltaje. El óxido de puerta es una capa delgada de material que convierte ese voltaje en una carga eléctrica, que luego enciende el transistor.

“La capacitancia negativa puede aumentar el rendimiento del óxido de la puerta al reducir la cantidad de voltaje requerida para lograr una carga eléctrica determinada”, explica Berkeley News.

“Pero el efecto no se puede lograr en cualquier material. La creación de capacitancia negativa requiere una manipulación cuidadosa de una propiedad del material llamada ferroelectricidad, que ocurre cuando un material exhibe un campo eléctrico espontáneo”, aclara.

“Anteriormente, el efecto solo se lograba en materiales ferroeléctricos llamados perovskitas, cuya estructura cristalina no es compatible con el silicio. En el estudio, el equipo demostró que la capacitancia negativa también se puede lograr mediante la combinación de óxido de hafnio y óxido de circonio en una estructura cristalina diseñada llamada superred, que conduce a la ferroelectricidad y la antiferroelectricidad simultáneamente”.

A través de un proceso de prueba y error, los ingenieros descubrieron que una estructura de superred compuesta por tres capas atómicas de óxido de circonio intercaladas entre dos capas atómicas únicas de óxido de hafnio, de menos de dos nanómetros de espesor, proporcionaba el mejor efecto de capacitancia negativa.

“Debido a que la mayoría de los transistores de silicio de última generación ya usan una puerta de óxido de 2 nanómetros compuesta de óxido de hafnio sobre dióxido de silicio, y dado que el óxido de circonio también se usa en tecnologías de silicio, estas estructuras de superred se pueden integrar fácilmente en sistemas avanzados transistores”, dice Berkeley.

Nuevas pruebas aumentan el optimismo

Las pruebas demostraron que esta estructura de superred funcionaba bien como óxido de puerta y que los transistores que los contenían requerirían alrededor de un 30 % menos de voltaje que las transiciones actuales, incluso manteniendo los puntos de referencia y los estándares de confiabilidad de la industria de los semiconductores.

“Uno de los problemas que vemos a menudo en este tipo de investigación es que podemos demostrar varios fenómenos en los materiales, pero esos materiales no son compatibles con los materiales informáticos avanzados, por lo que no podemos beneficiar a la tecnología real”, dice Salahuddin. “Este trabajo transforma la capacitancia negativa de un tema académico a algo que realmente podría usarse en un transistor avanzado”.

Como resultado de este avance de ingeniería, el efecto de capacitancia negativa puede reducir significativamente la cantidad de voltaje requerida para controlar los transistores y, por lo tanto, las computadoras requerirán mucha menos energía a lo largo de su ciclo de vida.

“En los últimos 10 años, la energía utilizada para la computación ha aumentado exponencialmente, ya representa porcentajes de un solo dígito de la producción mundial de energía, que crece solo linealmente, sin un final a la vista”, observa Salahuddin.

“Por lo general, cuando estamos usando nuestras computadoras y nuestros teléfonos celulares, no pensamos en cuánta energía estamos usando”, agrega el científico. “Pero es una cantidad enorme, y solo va a aumentar. Nuestro objetivo es reducir las necesidades energéticas de este componente básico de la informática, porque eso reduce las necesidades energéticas de todo el sistema”.

Por Sustainability Times. Artículo en inglés

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Sustainability Times

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