Los fanáticos de la ciencia ficción sabrán que la congelación criogénica es un modo de transporte comúnmente utilizado por los astronautas que desean atravesar la galaxia. Desde películas clásicas como 2001: Odisea del espacio y Alien hasta cuentos más modernos como Interstellar, a los escritores de ciencia ficción no hay nada que les guste más que sumergir a sus protagonistas en congelamiento profundo para permitirles viajar millones de kilómetros y salir ilesos.

En el mundo real, no es posible congelar y descongelar seres humanos vivos (todavía), pero los chips de servidores son un asunto diferente, y para los operadores de centros de datos, la criogenia podría estar saliendo del ámbito de la ciencia ficción y entrando en el de la ciencia real.

Están surgiendo investigaciones que sugieren que hacer funcionar chips semiconductores de óxido metálico complementario, o CMOS, a temperaturas muy bajas (se considera que el rango de temperatura criogénica es cualquier valor inferior a 120 Kelvin, o -153 °C) utilizando refrigeración con nitrógeno líquido puede conducir a un mayor rendimiento y eficiencia energética.

Sacar la tecnología del laboratorio y llevarla a entornos comerciales será un desafío, pero a medida que los proveedores buscan nuevas formas eficientes de enfriar sus componentes cada vez más potentes, este novedoso enfoque podría dar frutos.

Más frío es más rápido

La tecnología CMOS juega un papel vital en los circuitos integrados (CI), como procesadores, chips de memoria y microcontroladores, como parte de los dispositivos de conmutación que ayudan a regular el flujo de corriente a través del CI, controlando así el estado de sus transistores.

“Los chips están compuestos de transistores que se encienden o se apagan”, explica Rakshith Saligram, asistente de investigación de posgrado en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática del Instituto Tecnológico de Georgia. “Se utilizan dispositivos de conmutación para aplicar el voltaje mínimo que necesitan estos transistores para pasar de encendido a apagado. La cantidad de voltaje que se necesita aplicar como parte de esa acción de conmutación determina la eficiencia del dispositivo”.

Saligram es un ingeniero eléctrico que trabajó anteriormente para Intel (“Me describiría como diseñador de circuitos”, dice) y actualmente está realizando investigaciones “explorando diferentes dispositivos y buscando formas de mejorar los circuitos”. Mientras evaluaba diferentes tecnologías, se topó con el CMOS criogénico.

La mayoría de los chips de silicio disponibles comercialmente están diseñados para funcionar a una temperatura mínima de 233 Kelvin (-40 °C) hasta una máxima de 173 Kelvin (100 °C). Los transistores conmutarán a lo que Saligram describe como una “velocidad razonable” mientras funcionan a temperatura ambiente, pero el rendimiento aumenta considerablemente a medida que las temperaturas bajan. En un artículo publicado en marzo de 2024, Saligram y sus dos coautores, los colegas de Georgia Tech Arijit Raychowdhury y Suman Datta, tomaron un dispositivo CMOS FinFET de 14 nanómetros y lo optimizaron y probaron utilizando una estación de sonda criogénica, centrándose en el rendimiento de los transistores a temperaturas que oscilaban entre 300 Kelvin (26,85 °C) y 4 Kelvin (-269 °C).

“La diferencia de voltaje mínima que se necesita aplicar para que un transistor pase de encendido a apagado a temperatura ambiente es de alrededor de 60 a 70 milivoltios (0,06 V-0,07 V) en la mayor parte de los dispositivos”, afirma Saligram. “Pero cuando se alcanza la temperatura criogénica, esta diferencia de voltaje puede ser de tan solo 15-20 milivoltios. Eso supone una reducción de 4 veces en el voltaje que se necesita aplicar, lo que supone una gran diferencia”.

Si bien estos son valores pequeños en términos absolutos, la cantidad de transistores en una sola CPU puede llegar a millones, por lo que los ahorros de energía pronto se acumulan, algo que probablemente será bien recibido por los operadores en un momento en que muchos centros de datos se ven limitados por la cantidad de energía disponible de la red.

Saligram afirma que la investigación también muestra que la fuga de energía disminuye a temperaturas más bajas. “Cuando se ejecuta una carga de trabajo en un centro de datos, no es necesario que todos los dispositivos estén encendidos al mismo tiempo”, explica. “Siempre hay actividad de conmutación en marcha, y cuando un componente no realiza ninguna acción, generalmente se apaga. Pero durante ese período se sigue utilizando una pequeña cantidad de electricidad.

“Es un desperdicio de energía y queremos minimizarlo. Y si llevamos estos dispositivos a temperaturas criogénicas, veremos una reducción de cuatro veces en ese tipo de corrientes”.

Lecciones de la cuántica

Mientras Saligram y sus colegas han estado estudiando cómo se pueden optimizar los componentes estándar para que funcionen a bajas temperaturas, en el Reino Unido se está trabajando en IP de semiconductores específicamente diseñados para operar en condiciones criogénicas.

El proyecto, cuyo llamativo título es “Desarrollo de CryoCMOS para permitir la próxima generación de computadoras cuánticas escalables”, cuenta con el respaldo de la agencia de innovación del gobierno del Reino Unido, Innovate UK, y está dirigido por el especialista en chips de bajo consumo sureCore, con el apoyo de una serie de otras organizaciones, entre ellas los especialistas en diseño de chips AgileAnalog, SemiWise y Synopsys, así como Oxford Instruments y las empresas de computación cuántica Universal Quantum y SEEQC.

Las computadoras cuánticas son un campo en el que las temperaturas criogénicas, por necesidad, ya se utilizan ampliamente, y muchos de los primeros tipos de máquinas cuánticas requieren ultraenfriamiento para funcionar de manera efectiva.

SureCore y sus socios pretenden reducir aún más esta temperatura incorporando más partes del ordenador cuántico dentro del criostato, la parte más fría de la máquina. “El gran problema de los ordenadores cuánticos en este momento es que la mayor parte de la electrónica de control se aloja fuera del criostato”, afirma el director ejecutivo de SureCore, Paul Wells. “Hay una cantidad considerable de cableado que sale del criostato, y eso no solo introduce latencia, sino que también hay caminos térmicos que pueden volver al criostato. Esto tiene el efecto de limitar la cantidad de cúbits”.

Los cúbits son la unidad de medida que se utiliza para la potencia cuántica, y el ordenador más avanzado que se encuentra en funcionamiento en la actualidad tiene alrededor de 1.000. Se cree que, para que la tecnología alcance su potencial y supere a los ordenadores clásicos, se necesitarán máquinas cuánticas con cientos de miles o incluso millones de cúbits, por lo que se requerirá un hardware más eficiente.

Para ayudar a resolver este problema, el consorcio ha ideado nuevos modelos de sincronización y potencia para chips diseñados para funcionar a temperaturas criogénicas. “Las personas que están desarrollando chips de control cuántico pueden simplemente tomar los nuevos modelos como parte de su trabajo e introducirlos en los procesos existentes; el resto del flujo de diseño del chip no cambia”, dice Wells, quien espera que los diseños puedan formar la base de nuevos ASIC de control y medición cuánticos.

En mayo, el proyecto presentó su primer chip, que se utilizará para validar esta propiedad intelectual. “Suponiendo que funcione bien, nuestro objetivo final es ofrecer una cartera de chips criogénicos que puedan funcionar a temperaturas de hasta 4 Kelvin”, afirma Wells.

Criogenia en el centro de datos

A pesar del progreso logrado en el proyecto, Wells de sureCore se muestra escéptico respecto de que se observe un uso generalizado de la tecnología de enfriamiento criogénico en el centro de datos fuera de los entornos cuánticos especializados.

Según él, esto se debe a que los procesos necesarios para desarrollar hardware criogénico específico serán costosos y complejos de implementar para los fabricantes de chips. “Tienen miles de ingenieros muy inteligentes, así que estoy seguro de que si quisieran hacerlo, podrían hacerlo”, afirma. “Pero todo se reducirá a una cuestión económica, y si lo hicieran, no sería ni barato ni sencillo”.

Victor Moroz también tiene reservas acerca de la viabilidad comercial de la tecnología, pero por diferentes razones. Moroz es miembro del fabricante de equipos para semiconductores Synopsys y ha publicado varios artículos sobre el potencial de la refrigeración criogénica de chips CMOS, el más reciente de los cuales lo presentó en el Simposio VSLI del año pasado. Este evento, organizado por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, es una de las conferencias más prestigiosas y de mayor trayectoria sobre electrónica y diseño de circuitos, y Moroz dice que esto refleja que el interés en la tecnología está en alza.

Los resultados de la investigación de Moroz coinciden en líneas generales con los de Saligram y su equipo en Georgia Tech, pero dice que si bien hay mucho entusiasmo por el potencial del CMOS criogénico dentro de la comunidad académica, las restricciones que el gobierno de Estados Unidos impone a la tecnología probablemente frenarán su adopción.

“Yo diría que dentro de la comunidad de investigación hay mucho entusiasmo [sobre los CMOS criogénicos]”, afirma. “Pero una vez que entras en la industria hay un gran rechazo porque si asocias tu tecnología con la criogenia puedes ser incluido en la lista de control de exportaciones de Estados Unidos. Todas las fundiciones son 'alérgicas' a esta tecnología por eso”.

De hecho, el almacenamiento criogénico es una de las muchas tecnologías que han quedado en el centro de atención debido a la guerra comercial de Estados Unidos con China, que ha visto prohibidas o severamente restringidas las exportaciones de una gran cantidad de productos relacionados con semiconductores a Beijing.

Los equipos criogénicos están sujetos a restricciones sobre la tecnología cuántica y, aunque éstas no son tan prescriptivas como algunos de los controles sobre los chips de inteligencia artificial, aún presentan una barrera para el desarrollo, dice Moroz.

“Desde el punto de vista energético, la refrigeración criogénica tiene todo el sentido, pero el control de las exportaciones es un gran problema”, añade. “También está el tema del coste, porque en mi investigación no he realizado ningún análisis de costes. Pero si el coste es aceptable se convierte en una cuestión de infraestructura y de crear suficiente hardware”.

Saligram es más optimista en lo que respecta a la adopción, y señala un anuncio de IBM en diciembre pasado en el que afirmaba que había desarrollado un transistor CMOS optimizado para funcionar a temperaturas extremadamente bajas. Big Blue utilizó nanoláminas, una tecnología de nueva generación que reemplazará a FinFET y permitirá una mayor miniaturización de los transistores ("La arquitectura de dispositivos de nanoláminas nos permite colocar 50 mil millones de transistores en un espacio aproximadamente del tamaño de una uña", dijo en ese momento Ruqiang Bao, investigador de IBM). El dispositivo funcionó el doble de eficientemente a 77 Kelvin (-196 °C) que a temperatura ambiente, según el equipo de IBM.

La agencia estadounidense de innovación DARPA, que anteriormente financió programas que llevaron al desarrollo de muchas de las tecnologías fundamentales que utilizan hoy las empresas y los consumidores, también se interesó y comenzó un programa de investigación llamado Tecnología Lógica de Baja Temperatura, a través del cual se llevaron a cabo algunas de las investigaciones de Saligram.

Los propios operadores de centros de datos también están estudiando cómo se pueden utilizar las temperaturas criogénicas en sus instalaciones, dice Saligram. "En Georgia Tech estamos trabajando con una de las principales empresas de centros de datos, que está interesada en desarrollar esta tecnología como parte de sus aplicaciones", dice, negándose a nombrar la empresa involucrada. "Están realmente interesados, y ha habido muchos otros casos en los que las empresas han experimentado con bajas temperaturas: Microsoft, famosamente, sumergió un servidor entero en el fondo del océano para ver cómo funcionaba y notó algunas mejoras de rendimiento.

“Este proyecto Darpa incluye a varios actores de la industria, incluido IBM, por lo que definitivamente hay interés allí y un deseo de llevar esta tecnología al siguiente nivel.

“Necesitamos conseguir más apoyo de los fabricantes de chips, como Intel y AMD, que deben aprovechar esta tecnología para aprovechar todos los beneficios que aporta a nivel de circuitos y sistemas. La etapa final es trabajar con ingenieros mecánicos en la implementación de esta tecnología, para garantizar que los centros de datos puedan manejarla. Hay mucho trabajo por hacer en ese aspecto”.

De hecho, instalar un sistema de enfriamiento criogénico es un negocio costoso, particularmente en un momento en que muchas empresas de centros de datos están gastando sumas considerables para cambiar los sistemas de enfriamiento de aire tradicionales por configuraciones de enfriamiento líquido nuevas y más eficientes.

“Reducir la temperatura [a niveles criogénicos] implica muchos costos de refrigeración”, dice Saligram. “Pero nuestro argumento es que los centros de datos actualmente invierten mucho en energía y refrigeración, pero no obtienen nada a cambio en términos de rendimiento mejorado; el dinero solo se destina a mantener las cosas funcionando.

“Si los operadores invierten un poco más [para pasar a temperaturas más bajas] podrían recuperar algo de rendimiento”.

Saligram añade que ni siquiera es necesario alcanzar algunas de las temperaturas más extremas estudiadas en el marco del proyecto de investigación. “No es necesario alcanzar esa temperatura, incluso 373 Kelvin (-100 °C) permiten obtener un mejor rendimiento, dependiendo del tipo de hardware que se utilice y de las cargas de trabajo que se ejecuten”, afirma Saligram.

En otros lugares, hay trabajo por hacer, dice, en el manejo de las grandes cantidades de nitrógeno líquido que se utilizan como refrigerante en los sistemas criogénicos. "La producción de nitrógeno líquido en sí misma consume mucha energía", dice. "Y tenemos que buscar formas de reciclar eficazmente el nitrógeno líquido si se va a utilizar, y cómo podemos construir una infraestructura que sea a prueba de fugas y logre la conectividad a nivel de nodo y bastidor, así como a nivel de conmutador.

“Son preguntas importantes que necesitan respuesta si se va a implementar esta tecnología, pero hay muchas oportunidades para hacer que las cosas sucedan y, como ingeniero, es un área muy interesante en la que participar”.