En el diseño de centros de datos de alta eficiencia para inteligencia artificial y otras aplicaciones de gran demanda, las guías de onda ópticas emergen como elementos críticos para lograr interconexiones rápidas, escalables y de bajo consumo energético. Estas estructuras permiten el confinamiento y la transmisión de luz en configuraciones altamente controladas, superando muchas de las limitaciones de los enlaces eléctricos tradicionales.

Una arquitectura comúnmente utilizada es la guía de onda tipo ridge, construida sobre una base plana con un índice de refracción alto, lo que permite un confinamiento óptico robusto gracias al contraste con el índice bajo del entorno, ya sea aire o un material de revestimiento. Las guías de onda poliméricas, fabricadas con resinas epoxi curables por luz ultravioleta mediante fotolitografía sin contacto, se han posicionado como una alternativa viable por su flexibilidad, bajo nivel de pérdida y facilidad de integración.

Aunque las guías poliméricas son ideales para interfaces entre dispositivos de silicio y fibras ópticas, materiales como el silicio (Si) y el nitruro de silicio (Si₃N₄) son preferidos en fotónica de silicio por su capacidad para confinar la luz de forma más eficiente. En particular, Si₃N₄ ofrece una estabilidad térmica superior debido a su menor coeficiente termo-óptico. Esto lo convierte en un material clave para aplicaciones que requieren alta fiabilidad bajo variaciones de temperatura.

IBM, en 2018, demostró una interconexión fibra-silicio basada en polímeros ópticamente transparentes con baja pérdida y tolerancia a la polarización, abriendo el camino para soluciones híbridas. Esta tecnología se ha extendido al diseño de centros de datos optimizados para inteligencia artificial, donde las guías de onda ópticas reemplazan los enlaces eléctricos, aportando densidad de ancho de banda, eficiencia energética y escalabilidad.

El vidrio también ha sido explorado como medio para guías de onda ópticas. Se han propuesto sustratos de vidrio con guías formadas por intercambio iónico (IOX), acopladas a circuitos integrados fotónicos (PIC). Estos sustratos no solo permiten conexiones eléctricas y ópticas simultáneas con circuitos integrados específicos (ASIC), sino que han mostrado pérdidas de propagación inferiores a 0,1 dB/cm a una longitud de onda de 1310 nm en vidrios aluminosilicatados con contenido alcalino.

Además de las guías ópticas, los moduladores electroópticos (EOM) son fundamentales para convertir señales eléctricas en señales ópticas moduladas en fase, frecuencia, amplitud o polarización. Entre estos, el modulador de microanillo (MRM), basado en la resonancia óptica, se ha consolidado como una solución eficiente para la modulación de señales en chips fotónicos integrados. Su eficiencia de modulación y su capacidad de operar en anchos de banda elevados lo hacen ideal para futuras interconexiones de centros de datos, donde la velocidad, el consumo energético y la miniaturización son determinantes.

Intel ha desarrollado transmisores integrados con láseres DFB, moduladores de microanillo y fotodetectores de monitoreo en línea (MPDs) sobre guías de onda de silicio, incluyendo sintonizadores térmicos de fase integrados. Esta arquitectura permite monitorear la potencia óptica antes y después de la modulación, mejorando el control y la eficiencia del sistema.

No obstante, la transmisión óptica por sí sola no es suficiente si no se garantiza una gestión térmica adecuada. Las tecnologías de enfriamiento por aire libre han sido adoptadas ampliamente por su bajo costo y sostenibilidad. Este método consiste en aprovechar el aire frío del exterior, ya sea directamente mediante economizadores de aire o indirectamente a través de intercambiadores aire-aire. En el primero, el aire frío exterior se introduce directamente en la sala de servidores, mientras que en el segundo, el aire exterior no entra en contacto con el ambiente interno, lo que permite una operación más controlada en regiones con aire contaminado o condiciones climáticas inestables.

La disposición en pasillos calientes y fríos dentro de los centros de datos facilita una gestión térmica más eficiente, reduciendo la mezcla no deseada entre flujos de aire frío y caliente. El aire recirculado debe cumplir con niveles de temperatura y humedad estandarizados antes de reingresar, lo cual exige un monitoreo constante de la calidad del aire, incluyendo partículas en suspensión y contaminantes gaseosos. Estos factores son cruciales, ya que las partículas microscópicas pueden depositarse sobre componentes c

¿Cómo pueden las soluciones de ensamblaje mejorar la gestión térmica en paquetes 2.5D y HPC?

En los últimos años, la eficiencia térmica se ha convertido en un desafío crucial en el diseño de paquetes avanzados, especialmente en las aplicaciones de alto rendimiento (HPC). Los problemas térmicos inducidos por los paquetes avanzados son cada vez más frecuentes debido al aumento en la densidad de integración de los componentes. La gestión térmica adecuada es esencial no solo para garantizar el funcionamiento continuo de los dispositivos, sino también para prolongar la vida útil de los mismos, evitar fallos catastróficos y mantener el rendimiento en niveles óptimos. En este contexto, diversas soluciones se están implementando en los paquetes 2.5D y en los sistemas HPC para mitigar el impacto de los problemas térmicos.

El uso de materiales con alta conductividad térmica ha sido una de las estrategias más prometedoras para mejorar la eficiencia térmica en estos sistemas. Entre los materiales más destacados, los alótropos de carbono como el grafeno, el nanotubo de carbono y el nanodiamante se han destacado por sus excepcionales propiedades térmicas. Estos materiales, cuando se incorporan como rellenos en los compuestos epoxídicos de moldeado, pueden aumentar significativamente la conductividad térmica sin comprometer otras propiedades importantes como la viscosidad del material fundido. Un ejemplo de esto es el grafeno de alta pureza, que no requiere tratamiento posterior de reducción, y se dispersa eficazmente entre las partículas de relleno de Al2O3, mejorando la conductividad térmica del compuesto.

Otro material de interés es la alúmina (Al2O3), que al aumentar su contenido de relleno puede mejorar la red de conductividad térmica entre las partículas, alcanzando conductividades térmicas de hasta 3 W/m·K. Sin embargo, estos materiales no son los únicos candidatos; también se han utilizado rellenos híbridos como los de diamante y plata, que han demostrado ser capaces de lograr una conductividad térmica de 4.65 W/m·K cuando el contenido de relleno alcanza el 80 wt%. Estas soluciones están revolucionando la manera en que se gestionan los problemas térmicos en los sistemas de memoria avanzada.

Además de los rellenos en materiales epoxídicos, otras soluciones innovadoras para la gestión térmica incluyen la implementación de caminos térmicos avanzados, como la instalación de placas de moldes con rutas térmicas optimizadas en paquetes 2.5D. Estas soluciones permiten una disipación más eficaz del calor, al conectar directamente los componentes térmicos con el disipador superior del sistema. También se ha observado que el aumento de la densidad de las conexiones de unión, como los bump de cobre, puede mejorar la transferencia térmica al reducir la longitud de los interconectores y permitir un mayor contacto térmico entre los componentes.

Las soluciones de interconexión híbrida, como las que emplean la tecnología de microbump con encapsulantes de alta conductividad térmica, también han demostrado ser eficaces para reducir la resistencia térmica entre las capas de los dispositivos. En particular, la unión de alto rendimiento con pilares de cobre en paquetes apilados utilizando una interconexión híbrida ofrece una de las mejores soluciones para la disipación térmica, ya que proporciona el camino térmico más corto, mejorando así el rendimiento general del sistema.

Es fundamental entender que la gestión térmica no solo depende de los materiales con los que se rellenan los compuestos de encapsulado, sino también del diseño general del paquete y de la correcta integración de las soluciones térmicas. Las estructuras microcanalizadas en interposores de silicio en paquetes 2.5D, por ejemplo, ofrecen una alternativa eficaz al incorporar un sistema de refrigeración por fluido dentro del mismo interposor. Estos canales microscopicos permiten que el calor se disipe de manera más efectiva, lo que resulta en una mejora significativa en la eficiencia térmica.

Además, es crucial que los diseñadores de estos sistemas tengan en cuenta las condiciones extremas a las que están expuestos los dispositivos en aplicaciones de alto rendimiento. Los módulos de memoria de alto ancho de banda (HBM), por ejemplo, presentan desafíos térmicos específicos debido a la alta concentración de energía que generan. En este caso, las soluciones de ensamblaje térmico deben incorporar materiales de relleno altamente conductivos, como los basados en grafeno o nanotubos, para asegurar que el calor se disipe eficientemente y se evite el sobrecalentamiento.

Para entender completamente las implicaciones de estas soluciones térmicas, es importante no solo centrarse en los materiales empleados, sino también en las interacciones entre ellos y los demás componentes del sistema. La integración de materiales avanzados con una arquitectura de paquete optimizada puede transformar radicalmente la manera en que se gestionan los problemas térmicos en sistemas de alto rendimiento, abriendo nuevas posibilidades para la creación de dispositivos más rápidos y confiables.

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