Křemíková fotonika: nahradí světlo elektřinu?
Plně polovodičový laser s kontinuální vlnou řeší dříve nepřekonatelný problém dvoufotonové absorpce
Mikroelektronika již čelí fyzickým omezením (na atomové úrovni) při přenosu elektrických signálů mezi čipy. Možné řešení Tento problém může vzniknout z vývoje netradičních technologií, zejména křemíkové fotoniky.
Intel již vytvořil mnoho struktur potřebných k přenosu signálů mezi čipy pomocí světla stejně snadno, jako to dnes dělají elektrony. Hlavním problémem byl nedostatek vhodného světelného zdroje. Intel nedávno oznámil nový průlom v této oblasti – první celopolovodičový laser s kontinuální vlnou, využívající fyzikální jev zvaný Ramanův jev (v kvantové mechanice je Ramanův jev popisován jako výměna energie mezi molekulami rozptylující látky a dopadajícím light) a postavené pomocí standardních standardních CMOS krystalů.
Využitím výkonu polovodičů byli výzkumníci společnosti Intel schopni realizovat funkčnost tradičního, objemného, skleněného Ramanova laseru obvykle o velikosti kufru, čímž se jeho velikost zmenšila na tloušťku jedné stopy na křemíkovém plátku.
Tento průlom v křemíkové fotonice povede k praktickým a cenově dostupným řešením pro komunikaci a výpočetní techniku, nové lékařské vybavení a senzory a laditelné polovodičové lasery by mohly nahradit své předchůdce, kteří stojí stovky a tisíce dolarů. Tento úspěch by také mohl vést k rychlejšímu vývoji nových optických propojení mezi čipy a externí zařízení, protože tenká optická vlákna zabírají méně místa než elektrické kabely a poskytnou Lepší podmínky chlazení počítačů a serverů.
Polovodičový laserový demonstrační plátek byl vyroben pomocí standardní technologie CMOS na stávající výrobní lince. To znamená, že u těchto nových technologií nemusí být cesta z laboratoře do výroby dlouhá a složitá, jak je tomu u některých nekonvenčních technologií, ale spíše přímá a rychlá.
Fotonická logika zatím nenahradí polovodičovou logiku, ale už ji lze použít pro přenos dat. Jak mezi zařízeními, tak mezi jádry procesoru.
Při pohledu na nedávné oznámení nových hardwarových produktů od Applu by se chtělo říci, že nové technologie jsou jako tropická zeleň: včera tu byl malý zakrnělý výhonek, ale dnes už existuje mocná liána, která zapustila hluboké kořeny a pevně se chopila tržní kmen výpočetní techniky s jejími výhonky.
Vzhled prvních Maců s rozhraním Thunderbolt byl přivítán se zvědavostí, ale nic víc. Svého času se trh také podíval na výstřední port FireWire Notebooky Apple PowerBook 3G.
Následné zařazení Thunderboltu v kombinaci s Display Portem do téměř veškeré výpočetní techniky Apple donutilo výrobce periferií vážně přemýšlet o podpoře této technologie. Naštěstí se vyvinul nový ovladač od společnosti Intel, současně podporuje jak Thunderclap, tak specifikaci USB 3.0. A pokud je s nejnovějším rozhraním vše jasné, pak je Thunderbolt plný záhad. Kteří?
No, například ze seriálu "What is in your name?" Ostatně Thunderbolt je tržní název pro výzkumnou technologii Intel Light Peak, kde klíčové slovo je světlo - světlo. Těch deset gigabitů za sekundu, které Thunderbolt nyní nabízí spotřebitelům a přenáší data po měděných drátech na vzdálenost až tři metry, jsou skutečně květy ve srovnání s padesáti gigabity za sekundu, které Light Peak poskytuje přes optický kabel na sto metrů.
Vzhled optické verze Thunderboltu je otázkou blízké budoucnosti. Budoucnost, ve které spolu s mikroelektronikou, na kterou jsme zvyklí, začne zpracovávat data i „královna světla“ – fotonika.
O tom, jak Intel využívá fotoniku ve své technologii vysokorychlostní výměny dat Silicon Photonics Link, si můžete přečíst v článku „Stahování za sekundu: pokroky v křemíkové fotonice“.
Řešení křemíkové fotoniky Intel poskytne šířku pásma rozhraní počítače a periferie padesát gigabitů za sekundu
Je čas podívat se na součásti systémů na bázi křemíkové fotoniky podrobněji. Systémy, protože řešení Intel zdaleka nejsou jediná. A hlavně, dnes už to nejsou jen laboratorní cvičení. Silicon photonics získala všechny potřebné schopnosti a je zcela připravena plodně spolupracovat se stávajícími mikroelektronickými řešeními.
Příkladem takové spolupráce je hrdina aktuálního materiálu – projekt IBM příznačně nazvaný SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).
Fotonika. Technologické cihly
Může fotonika zcela nahradit elektroniku v mikroobvodech? Asi ne. Šíření světla je založeno na zákonech optiky, což klade značná omezení na konstrukci základních součástek, jako jsou tranzistory, kondenzátory a diody. Ne, pokusy o vývoj optických analogů tranzistoru byly učiněny již dávno a ani dnes neustávají. Nemohou ale konkurovat osvědčené technologii CMOS.
Fotonický tranzistorový obvod byl navržen již v osmdesátých letech minulého století
Kde fotonika skutečně vyniká, je implementace vysokorychlostních spojení mezi komponenty digitální obvody. Tedy v těch místech, kde elektronika začíná klouzat stále aktivněji. Zvýšení stupně integrace součástí mikroobvodu ovlivňuje velikost kovových vodičů, které je spojují. S přechodem na dvaadvacet nanometrů technologický postup Inženýři výroby CMOS se potýkali s problémem přechodných jevů v miniaturních měděných sběrnicích. Tyto jevy mohou snadno vést k chybám v činnosti složitého výpočetního systému těsně zabaleného do křemíkového čipu.
Použití fotoniky jako komunikačního média pro mikroobvody umožňuje technologům současně zbavit nové čipy vlivu přechodných procesů v měděných vodičích a výrazně snížit zahřívání mikroobvodu. Na rozdíl od elektronů, které neproduktivně přeměňují svou energii na teplo, fotony pohybující se po optickém vodiči teplo vůbec neodvádějí.
Kompromisním řešením je tedy kombinace elektroniky a fotoniky. Elektronika si zachovává základ digitálních obvodů a fotonika přebírá roli univerzálního vodivého média.
Co je potřeba pro takové prostředí? Za prvé, zdrojem fotonů je laser. Další je vodivé prostředí, kterým se mohou fotony šířit uvnitř mikroobvodů – vlnovody. Aby se nuly a jedničky tvořené elektronickými součástkami proměnily ve světelný tok a aby došlo k inverzní konverzi, budou potřeba modulátory a demodulátory, ale samozřejmě ne jednoduché, ale optické.
Abychom dosáhli vysoké propustnosti, kterou kanály současných integrovaných obvodů vyžadují, budou zapotřebí multiplexory a demultiplexory (samozřejmě také optické). Navíc všechny tyto komponenty musí být implementovány na stejné křemíkové bázi, která se používá pro technologii CMOS.
Vývoj těchto „stavebních kamenů“ je cestou, kterou křemíková fotonika prošla posledních dvacet let. Během této doby bylo navrženo mnoho unikátních řešení, které byly samotným „souhrnem technologií“, které umožnily fotonice posunout se na kvalitativně novou úroveň. Úroveň integrované optiky elektronické obvody.
Silikonové lasery
Ve skutečnosti je fráze „křemíkový laser“ oxymoron. Jako takzvaný polovodič s nepřímou mezerou je křemík zcela neschopný vyzařovat světlo. To je důvod, proč telekomunikace s optickými vlákny používají řešení založená na jiných (přímá mezera) polovodičích, jako je arsenid galia. Křemík je přitom vynikající pro vytváření vlnovodů a detekci optických signálů na elektrické.
Tak co je za problém? Můžete použít laser vně křemíkového obvodu nebo vyvinout hybridní obvod na bázi křemíku a například arsenidu galia. Ani jedno řešení však nelze považovat za účinné. V případě použití externího laseru (a v moderních makroúrovňových optických systémech se tak děje) na mikroúrovni je téměř nemožné přesně kalibrovat paprsek ve vztahu k vlnovodu o velikosti nanometrů. Zařazení arsenidu galia do výrobního procesu CMOS čipů selhalo. Tyto dva polovodiče vyžadují velmi odlišné výrobní podmínky.
Takže křemíkový laser nikdy neuvidí (nebo spíše emituje) světlo? Samozřejmě že ne. Křemík lze rozzářit pomocí různých triků. Například dopování materiálem, který bude emitovat fotony za křemíkem. Nebo změnit strukturu samotného křemíku tak, že bude nucen se rozsvítit. Třetím způsobem je použití Ramanova rozptylu (také nazývaného Ramanův rozptyl), který dočasně přemění křemík na polovodič s téměř přímou mezerou.
Jedním ze způsobů, jak rozzářit křemík, je vytvořit porézní křemíkovou strukturu
Schéma a mikrofotografie Ramanova laseru
V současnosti dosáhli vědci největších úspěchů v oblasti technologií křemíkového dopingu. Nejznámější implementací na nich založeného kontinuálního křemíkového laseru je laser vyvinutý společností Intel ve spolupráci s University of California v Santa Barbaře. Vědcům se podařilo „přilepit“ polovodičový fosfid india s přímou mezerou na křemíkový vlnovod pomocí oxidu. Tloušťka „lepidla“ je pouze 25 atomů. Tím, že vytvořili potenciálový rozdíl mezi křemíkem a fosfidem india (říká se tomu „elektrické čerpání“), dosáhli vzniku fotonů, které pronikají přes „lepidlo“ do křemíkového vlnovodu.
Schéma kontinuálního hybridního křemíkového laseru
Na základě tohoto schématu jsou vytvořeny varianty hybridního křemíkového laseru s různými vlnovými délkami (infračervený rozsah, transparentní pro křemík), což umožňuje realizovat vícekanálový komunikační systém.
Silikonové modulátory
Proud fotonů emitovaných křemíkovým laserem lze považovat za nosnou frekvenci, kterou je třeba modulovat binárním signálem.
Optické modulátory byly považovány za nemožné, dokud se vědci nerozhodli využít fenomén interference světla. Obecně lze modulovaný optický signál získat interferencí referenčního paprsku světla a paprsku procházejícího materiálem, který vlivem elektrického proudu mění index lomu (tzv. elektrooptický efekt). Bohužel i zde nás křemík zklamal - jeho symetrická krystalová mřížka neumožňuje realizovat elektrooptický efekt. Na pomoc opět přišel doping.
Vědci rozdvojili křemíkový vlnovod a na jednom z jeho ramen vytvořili vrstvu nitridu křemíku, která natáhla křemíkovou krystalovou mřížku. Přivedení napětí na tento úsek vede k lomu světla v tomto rameni vlnovodu. V druhém rameni se přitom stejný tok šíří bez zkreslení.
Mikrofotografie řezu ramenem lomu světla v modulátoru Mach-Zehnder
Realizace celého modulátoru Mach-Zehnder a jeho variant.
Kombinace těchto toků na výstupu má za následek jejich interferenci a výstupní tok bude modulován aplikací napětí na rameno vlnovodu z nitridu křemíku. Vědci nemuseli znovu vynalézat kolo. Podobný efekt je široce používán v Mach-Zehnderových interferometrech. Proto byly křemíkové modulátory a demodulátory pojmenovány úplně stejně.
Silikonové multiplexory
Vícenásobně modulované světelné proudy z více laserů s různými vlnovými délkami se mohou výrazně zvýšit propustnost komunikační kanál díky paralelizaci přenosu dat. Ale jak lze těchto mnoho vláken spojit do jednoho? Navíc tak, že výsledný celkový průtok na výstupu lze opět rozdělit. Zde přicházejí na pomoc multiplexery. Optické, samozřejmě.
Myšlenka optického multiplexeru založeného na poli vlnovodů (AWG)
Mikrofotografie AWG multiplexeru
Optický multiplexer založený na kaskádě Mach-Zehnder modulátorů
V současné době byla navržena technologie pro mikrominiaturní multiplexování světla pomocí jeho spektrálního multiplexování (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Nejčastěji se k jeho realizaci používá difrakční struktura založená na poli vlnovodů a zrcadel (AWG - Arrayed Waveguide Grating), ve které se každý světelný paprsek pohybuje po vlastním vlnovodu, zakřiveném v souladu se svou vlnovou délkou. Když se tyto vlnovody spojí, dávají výsledný spektrálně hustý tok. Dalším běžným řešením je použití kaskády nám již známých modulátorů Mach-Zehnder.
IBM SNIPER. Křemíkový terabit
Řešení křemíkové fotoniky společnosti Intel jsou zaměřena na pokrok v technologiích fotoniky v oblasti rozhraní příslušenství. Bezprostřední komerční perspektivou je padesátigigabitová optická verze rozhraní Thunderbolt (možná v době průmyslové implementace se tomu bude říkat jinak). V dlouhodobějším horizontu Intel uvažuje o zvýšení propustnosti na dvě stě gigabitů za vteřinu. Říci, že je to rychlé, znamená neříkat nic: například obsah DVD při této rychlosti může být přenesen za jednu sekundu.
Laboratoř IBM Research si dala přesně stejný cíl. Nastavil jsem to a dosáhl jsem toho! Pravda, IBM plánuje využít svůj terabit nikoli v komunikačních rozhraních, ale ve vysokorychlostních sběrnicích spojujících jádra vícejádrového procesoru.
Mezijaderná komunikace založená na křemíkové fotonice
Nápad projektu SNIPER od IBM Research (fotonická část obvodu je zobrazena modře)
Projekt SNIPER je praktickou implementací myšlenky nanofotoniky, pomocí „stavebních bloků“ diskutovaných výše k vytvoření fotonické komunikační sítě. Tato fotonická síť je integrována na vícevrstvém koláči systému na čipu, který obsahuje multiprocesorový modul a paměť s náhodným přístupem. S výstupy ven zajišťuje taková síť připojení tohoto systému na čipu k vysokorychlostní optické datové sběrnici spojující procesor s periferií. Vnitřní vedení vlnovodu zajišťuje směrování dat mezi jádry procesorového modulu.
Šestikanálový fotonický modul projektu SNIPER
Projekt SNIPER se v současné době může pochlubit implementací šestikanálového fotonického modulu transceiveru využívajícího hybridní křemíkové lasery, modulátory Mach-Zehnder a multiplexor vlnovodu. Propustnost každého kanálu tohoto transceiveru je dvacet gigabitů za sekundu. Padesát z těchto kanálů je implementováno na substrátu o velikosti 25 milimetrů čtverečních, což poskytuje stejný terabit propustnosti.
Fotonický čip Project SNIPER poskytující terabitovou propustnost
A co je nejdůležitější, SNIPER již není výzkumný projekt. Pro výrobní cyklus byly testovány knihovny všech fotonických prvků pro křemíkovou litografii. Stejně jako technika jejich integrace s logikou CMOS systému na čipu.
Kde se toto řešení uplatní jako první? Samozřejmě v superpočítačových systémech a datových centrech cloud computing. Tam, kde je výpočetní výkon elektronických obvodů nejvíce potřeba, je výměna dat rychlostí světla.
Můžeme si však být jisti, že rozšíření křemíkové fotoniky do spotřebitelských počítačů není daleko. Vše začne rozhraními pro připojení periferií a pak, ejhle, doženou je sběrnice pro vícejádrová řešení, které promění nudný křemík uvnitř našich procesorů v magický krystal jiskřící všemi barvami spektra.
Uplynulý rok 2007 byl velmi úspěšný pro vývoj mnoha technologií Intel, včetně oblasti křemíkové fotoniky. Časopis MIT Technology Review přirovnal nejnovější průlomové úspěchy Intelu v této oblasti k trojnásobnému vítězství v závodech – takto hodnotili pozorovatelé přední publikace sérii oficiálních oznámení korporace.
Podle Justina Rattnera, technologického ředitele a šéfa Corporate Technology Group společnosti Intel, „Empiricky jsme prokázali, že výrobní technologie kompatibilní s křemíkovým designem CMOS umožňují vytváření polovodičových optických zařízení. Prokázat tuto skutečnost bylo obrovským úspěchem, ale pro další rozvoj tohoto technologického směru jsou potřeba neméně významné kroky. Nyní se musíme naučit, jak integrovat křemíková fotonická zařízení do standardních počítačových komponent; Stále nevíme, jak to udělat. Zároveň ale pokračujeme v aktivní spolupráci s divizemi zapojenými do vývoje různých typů produktů, abychom výrobcům nabídli modely pro použití polovodičové fotoniky v řešeních Intel.“
Výzkumníci z Intelu vyvinuli první polovodičový čip na světě schopný produkovat vysoce kvalitní kontinuální laserové paprsky. Osm laserů je integrováno do jednoho křemíkového čipu.
Křemíková fotonika jako prostředek k odstranění úzkých míst na cestě do éry tera computingu
Nejdůležitější je křemíková fotonika komponent Dlouhodobá strategie rozvoje Corporate Technology Group zaměřená na urychlení přechodu na tera-computing. Jde o to, že jak se vyvíjíme vícejádrové procesory S obrovským výpočetním výkonem čelí inženýři novým výzvám. Například požadavek na rychlost komunikace mezi pamětí a procesorem brzy překročí fyzická omezení měděných vodičů a přenosová rychlost elektrických signálů bude nižší než rychlost procesoru. Již dnes je výkon výkonných výpočetních systémů často limitován rychlostí výměny dat mezi procesorem a pamětí. Dnešní technologie přenosu dat jsou navrženy pro mnohem menší šířku pásma ve srovnání s fotonikou a s rostoucí vzdáleností, na kterou jsou data přenášena, se přenosová rychlost ještě zpomaluje.
„Je potřeba dát rychlost přenosu dat mezi komponenty výpočetní platformy do souladu s rychlostí procesorů. To je skutečně velmi důležitý úkol. Vidíme křemíkovou fotoniku jako řešení tohoto problému a provádíme výzkumný program, který nás staví do popředí v této oblasti,“ řekl významný výzkumný inženýr společnosti Intel Kevin Kahn.
Testy prototypu optického paměťového modulu ukázaly, že pro přístup k paměti serveru lze použít spíše světlo než elektřinu.
Tým vedený předním výzkumníkem v oblasti optiky společnosti Intel, Drewem Alduinem, vyvíjí optický komunikační systém mezi procesorem a pamětí. platformy Intel. Již byla vytvořena testovací platforma založená na plně vyrovnávací paměti FB-DIMM, na které se načítá a běží Microsoft Windows. Aktuální prototyp je důkazem schopnosti propojit paměť s procesorem pomocí optických komunikačních linek, aniž by došlo ke snížení výkonu systému.
Vytvoření komerční verze takového řešení má pro uživatele obrovské výhody. Optické komunikační systémy odstraní úzké místo mezi šířkou pásma paměti a rychlostí procesoru a zlepší celkový výkon výpočetní platformy.
Od výzkumu k realizaci
Laboratoř Photonics Technology Lab, kterou vede významný výzkumný inženýr Intel Mario Paniccia, prokázala, že všechny optické komunikační komponenty – laser, modulátor a demodulátor – lze vyrobit z polovodičů pomocí stávajících výrobních technologií. Společnost PTL již prokázala kritické křemíkové fotonické komponenty fungující s rekordním výkonem, včetně modulátorů a demodulátorů, které poskytují přenosovou rychlost až 40 Gbps.
K implementaci technologie polovodičové fotoniky je zapotřebí šest hlavních komponent:
- fotony emitující laser;
- modulátor pro konverzi proudu fotonů na proud informací pro přenos mezi prvky výpočetní platformy;
- vlnovody, které fungují jako „přenosové vedení“ pro doručování fotonů na místo určení, a multiplexory pro kombinování nebo oddělení světelných signálů;
- pouzdro, nezbytné zejména pro vytváření montážních technologií a nízkonákladových řešení využitelných v hromadné výrobě PC;
- demodulátor pro příjem proudů fotonů nesoucích informace a jejich přeměnu zpět na proud elektronů dostupných pro zpracování počítačem;
- elektronické obvody pro ovládání těchto součástí.
%%%
Problematika implementace všech těchto optických komunikačních komponent pomocí polovodičových technologií je široce uznávána jako velký výzkumný problém, jehož řešení povede k obrovskému technickému průlomu. Společnost PTL již vytvořila řadu světových rekordů vývojem vysoce výkonných zařízení, modulátorů, zesilovačů a demodulátorů, které poskytují přenosovou rychlost až 40 Gbps. Během příštích pěti let se Intel bude snažit integrovat tyto komponenty do skutečných produktů.
Jednou z klíčových součástí křemíkové fotoniky je modulátor, který poskytuje přenosové rychlosti až 40 Gbit/s.
V oblasti polovodičové fotoniky již Intel vstoupil na domácí trh. Výzkum v oblasti integrace optických prvků již přešel z fáze vědeckého či technologického vývoje do fáze vytváření komerčních produktů. Výzkumný tým se nyní zaměřuje na identifikaci schopností a specifikací pro navrhování inovativních produktů založených na této revoluční technologii. Týmy Intel nakonec vytvářejí prototypy a úzce spolupracují s týmy pro vývoj produktů, aby urychlily přijetí nová technologie.
Kromě vlastních aktivit financuje Intel některé z nejslibnějších výzkumů v této oblasti mimo CTG – konkrétně spolupracuje s Kalifornskou univerzitou v Santa Barbaře, která vyvíjí hybridní polovodičový laser. V laboratoři PTL absolvují stáže i talentovaní absolventi různých univerzit z jiných zemí.
Richard Jones, přední výzkumný pracovník společnosti Intel v oblasti optiky, řekl: „V současném projektu hybridního polovodičového laseru čelíme dvěma velkým výzvám. Nejprve musíme přesunout pilotní výrobu hybridního laseru z Kalifornské univerzity do závodu Intel. Za druhé, musíme zkombinovat hybridní laser, vysokorychlostní polovodičový modulátor a multiplexer, abychom dokázali, že dokážeme vytvořit jediný optický vysílač založený na výrobní technologii kompatibilní s CMOS.“
Zavedení technologií křemíkové fotoniky bude zahrnovat vývoj nových výrobních postupů pro výrobu laserů ve velkoobjemovém měřítku. Úspěchy Intelu na poli fotoniky mu umožní výrazně překonat potenciální konkurenty. PTL Laboratory již zaregistrovalo asi 150 patentů. Nejprestižnější publikace, jako je Nature, zaznamenaly bezprecedentní úspěchy specialistů Intel. Společnost Intel navíc získala v roce 2007 cenu EE Times ACE Award za nejslibnější novou technologii.
Pronásledování fotonů
Na rozdíl od stávajících zaběhlých a desetiletími ověřených postupů výroby tranzistorů je technologie vytváření prvků pro polovodičovou fotoniku zcela nová. Na cestě k jeho implementaci jsou určité problémy: optimalizace zařízení, zvýšení spolehlivosti návrhu, vývoj testovací metodiky, zajištění energetické účinnosti a vývoj subminiaturních zařízení.
Testovací stolice pro 40gigabitový křemíkový laserový modulátor
Jedním z nejdůležitějších problémů je optimalizace, protože laboratoř PTL vyvíjí optická zařízení pro hromadné výpočty. I když neexistují žádné jiné podobné produkty, normy nebo jiné referenční body, inženýři vyvíjející nový technologický postup sami hledají řešení, která nejlépe vyhovují potřebám počítačových aplikací.
V současné době skupina výzkumníků z laboratoře PTL, relativně malá podle standardů fotoelektroniky, postupně přechází na komercializaci řešení polovodičové fotoniky a očekává, že masové přijetí této neuvěřitelné technologie by mohlo začít již v roce 2010. Skupina specialistů na optiku z Digital Enterprise Group (DEG) pod vedením Victora Krutula vyvíjí aplikace, které poskytnou základnu pro vývoj nové technologie. „Věříme, že zvládnutím optické komunikace budou produkty Intel i nadále splňovat Mooreův zákon,“ říká Krutal.
Při přenosu informací mezi komponentami stejné výpočetní platformy a mezi nimi různé systémy ne elektrony, ale fotony, dojde k další počítačové revoluci. Do tohoto závodu se již zapojili přední výrobci elektroniky po celém světě, kteří se snaží získat konkurenční výhodu. Význam nové technologie lze přirovnat k vynálezu integrovaných obvodů. Intel je v tomto výzkumu a vývoji polovodičových součástek na bázi fotoniky průkopníkem.
IBM oznámilo průlom na poli křemíkové fotoniky – vznikl první plně integrovaný multiplexovaný čip. Nové zařízení umožní jednotlivým čipům komunikovat mezi sebou spíše pomocí optických než elektromagnetických vln, což zvýší propustnost na 100 GB za sekundu a dále. Tento čip je umístěn na jediné křemíkové matrici a je rozhodující pro dlouhodobé přijetí optických technologií v mikroskopu. Proč ale tak mocné společnosti jako IBM a Intel strávily celá desetiletí studiem křemíkové fotoniky?
Teoreticky by křemíková fotonika mohla vyřešit mnoho hlavních problémů spojených s pokračujícím používáním měděných konektorů. Jedním z hlavních problémů měděného drátu je to, že jej nelze škálovat tak agresivně jako jiné životně důležité části. moderní procesor. Za určitým bodem je fyzicky nemožné dále zmenšit měděný drát, aniž by došlo ke snížení jeho výkonu a/nebo životnosti. Teoreticky mohou optická připojení přenášet data mnohem rychleji a zároveň spotřebovávat méně energie. Navíc mnoho společností věří, že křemíková fotonika je nezbytná k vytvoření superpočítačů s výpočetním výkonem přibližně jednoho exascale computingu.
Křemík je bohužel špatným prostředím pro optická zařízení, protože výrobní měřítka se natolik liší (optické vlnovody a další komponenty jsou mnohem větší než křemík CMOS), že neexistují žádná technická řešení, která by mohla účinně a levně integrovat optické prvky do stávajícího CMOS pomocí křemíku. drahé alternativní materiály, jako je arsenid gallia. Nyní se společnosti podařilo umístit čipy vytvořené pomocí technologie křemíkové fotoniky přímo na modul procesoru.
Graf z prezentace Intelu o křemíkové fotonice ilustruje spotřebu energie, které se výrobci snaží dosáhnout. Dlouhodobé plány pro křemíkovou fotoniku nabízejí šířku pásma a energii na bit informace, kterou měděné spoje nemohou.
Po desetiletích práce se může křemíková fotonika zdát jen jako další bláznivý nápad, který vypadá dobře na papíře, ale v praxi je zcela nepoužitelný, ale pokrok nestojí na místě a ačkoli špičkové společnosti jako IBM, Intel nebo HP možná nevydají technologie na komerční úroveň v blízké budoucnosti jistě najde uplatnění ve vědeckých laboratořích, superpočítačích a datových centrech.
Přišlo jaro... A s ním přichází čas na další Intel Developer Forum (IDF), které se koná dvakrát ročně ve slunné Kalifornii a pravidelně navštěvuje další města po celém světě (nověji v Rusku). Navíc na jaře dovnitř v tomto případě přišel nejen pro slovíčkaření – v San Franciscu, kde se IDF opět koná od 1. do 3. března v obrovském kongresovém centru Moscone West,
Teď je opravdu teplo, stromy a keře kvetou a vydávají vůně jara a místní chodí po ulicích v košilích nebo lehkých bundách, pokud neprší. V této veselé kulisě, po odletu ze zasněžené Moskvy, by nebylo tak snadné sedět celý den v konferenčních místnostech a tiskových místnostech a tlačit se mezi několika tisíci návštěvníky a organizátory IDF na výstavních vitrínách a na okraji. Nebýt někdy jedinečných a vzrušujících informací, které na vás padají v obrovských porcích a nezanechávají ani chvilku klidu. Dokonce i já, pravidelný návštěvník centrálních Intel Fór (ale i mnoha dalších výstav a konferencí na podobná témata), který se zdá být otrávený podobnými akcemi a vnímám je téměř jako další hollywoodský trhák, dobře udělaný podle dlouho známých klišé, často musí být překvapeni proudem nových produktů, které jeho organizátoři pro účastníky IDF připravili. Nechat se překvapit a místy i obdivovat...
Pravděpodobně není třeba našim pravidelným čtenářům vysvětlovat, co je Intel Developer Forum a „čím to žerou“. Tato akce, již řadu let pravidelně pořádá společnost Intel Corporation a její nejbližší přátelé v IT dílně, má své individuální charakteristiky, které ji odlišují od různých počítačových výstav (jako CeBIT, Computex, Comdex nebo CES, kde stovky a tisíce výrobců IT produktů chlubit se svými úspěchy, aby je mohli výhodněji prodávat) a na velkých světových vědeckých a technických konferencích (jako Material Research Society Meeting, IEEE a další podobné, kde se účastní stovky předních světových institutů a výzkumné laboratoře zpráva o nejnovějších vědeckých objevech, vynálezech a technologiích, jejichž realizace bude trvat mnoho let). Podle mého názoru má IDF stále blíž k tomu druhému než k prvnímu. Vzhledem k tomu, že společnost Intel, která ročně utrácí více než 4 miliardy dolarů na výzkum a vývoj, se v IDF snaží demonstrovat méně aktuální a na trh připravené produkty (mikroprocesory, platformy atd.),
jak moc sdělit odvětví vektor, ve kterém se bude v následujících letech vyvíjet. Zveřejnit ty současné a budoucí technologie, které společnost zavádí společně se svými partnery a dalšími IT vývojáři, přilákat nové výzkumníky a inženýry (tj. „vývojáři“, podle názvu fóra) a případně diskutovat o proveditelnosti určitých kroků v rámci celé IT komunity. A i když je samozřejmě do jisté míry přítomen i nástin „výstavy a prodeje“ na IDF, nejcennější a nejzajímavější je podle mého názoru jeho výzkumná a technologická část.
„Nultý“ den aktuálního IDF, který proběhl 28. února pro přední tisk a analytiky z celého světa, tedy přinesl několik překvapení, o kterých se pokusím hovořit v této zprávě, která předchází příběhu o Fóru sám.
Silikonová nanotechnologie: Pohled na 20 let dopředu
První zero-day zpráva pojednávala o způsobech, kterými se křemíková technologie pro výrobu výpočetních zařízení může a bude vyvíjet v nadcházejících desetiletích. Stručně a primitivně by se to dalo nazvat „ospravedlněním Moorova zákona na 20 let do budoucna“, kdyby na první pohled banální premisa nebyla podpořena dechberoucími detaily vědeckého výzkumu v oblasti nanotechnologií a jejich zavádění do praxe. v průmyslových technologiích. Zprávu představil Paulo Gargini (na obrázku), ředitel Intel Technology Strategy a Intel Nanotechnology Research.
Více než hodinová prezentace probíhala ve velmi rychlém tempu a nedovolila nikomu ani na vteřinu se vzpamatovat a v klidu reflektovat ten či onen snímek. Jeho podrobné převyprávění by zřejmě bylo užitečné pro některé z našich přemýšlivých čtenářů. Zabralo by to ale neúměrně mnoho místa (jedná se asi o stovku „seriózních“ snímků, ke každému z nich je ještě potřeba přidat spoustu komentářů). Proto uvedu pouze některé z nejzajímavějších, podle mého názoru, bodů, zejména proto, že některé podrobnosti, které jsou v něm obsaženy, jsem již popsal já a moji kolegové v našich článcích na základě výsledků předchozích IDF a nedávných „technologických průlomů“. “ společnosti Intel. Podrobněji tento materiál představím snad jindy.
Za posledních 40 let se počet prvků na křemíkových čipech neustále zdvojnásoboval každé dva roky a stejným tempem klesaly náklady na jeden tranzistor na čipu.
Asi před 10 lety vědci předpovídali velké problémy při přechodu na 100nanometrová zařízení, ale naštěstí se tak nestalo a nyní mají lídři v oboru dobře prostudované vyhlídky na vývoj tradiční křemíkové technologie s planárními tranzistory CMOS pro dalších 10 let (viz. snímek).
Potřeba zásadně nových elektronických zařízení vyvstane až do roku 2013, kdy budou možnosti miniaturizace současných zařízení skutečně vyčerpány.
Mezi zvažovanými novými křemíkovými zařízeními jsou multi-hradlové (například tri-gate) nanotranzistory, zařízení na bázi křemíkových nanotrubic zcela obklopených hradlem a také zařízení s kvazibalistickým transportem.
V dlouhodobějším horizontu se uvažuje i o uhlíkových nanotrubičkách o průměru několika nanometrů, které mohou podle své struktury působit jako kov nebo polovodič. Pro nanoelektroniku jsou zajímavá zařízení na bázi InSb heterostruktur (s unikátně vysokou mobilitou), viz snímek.
Co se ale stane po roce 2020, kdy technologie CMOS vyčerpá své miniaturizační schopnosti a dosáhne atomového limitu?
Pak možná vstoupí do hry spintronika – operující s magnetickými momenty elementárních částic:
Někteří lidé také mluví o kvantových počítačích. V současnosti je technologie CMOS naživu a Moorův zákon zůstane v platnosti minimálně dalších 15-20 let.
Silikonová fotonika: nový průlom
Další zajímavou událostí z 0. dne tohoto IDF byla zpráva o , vytvořená na křemíkovém čipu v Intelu. Přísně vzato se zpráva o tom rozšířila do světa pár dní před IDF (17. února vyšel odpovídající článek v Nature a tisková zpráva korporace), ale zde hlavní vývojáři nového zařízení veřejně sdíleli mnohé dosavadní neznámé detaily a předvedl publiku četné krystaly s takovými lasery. Například na této fotografii (foto autor) krystal obsahuje 8 takových laserů najednou.
Aniž bychom zacházeli do podrobností, poznamenáváme, že aby bylo možné vytvořit takový laser na křemíku, museli vědci společnosti Intel vyřešit důležitý problém - takzvanou „dvoufotonovou absorpci“, která dříve bránila vytvoření kontinuálního laseru na křemíku.
Využití křemíku jako materiálu pro vytvoření laseru a pro mnohonásobné zesílení IR záření (díky gigantickému, přibližně 20 000násobku Ramanova efektu),
Dříve to bylo problematické, protože Ramanův zisk byl saturován při silném čerpání a výkon získaný během saturace nestačil k vytvoření kontinuálního laseru.
Faktem je, že energie jednoho infračerveného fotonu (světelné kvantum) nestačí na to, aby z něj při srážce s atomem krystalové mřížky křemíku vyrazil (uvolnil) elektron. Pokud se však dva fotony srazí s atomem najednou (což se často stává, když je laser intenzivně čerpán vnějším zářením), pak je možná ionizace atomu a volné elektrony v křemíku začnou samotné fotony absorbovat, čímž zabrání dalšímu Ramanovu zesílení. . Problém byl vyřešen vytvořením tzv. p-i-n struktury podél optického kanálu (oblasti křemíku s děrovou, resp. elektronovou vodivostí na stranách nedopovaného optického kanálu v křemíku, viz obrázek).
Aplikací elektrického předpětí mezi p- a n-oblastmi křemíku mohou být „dvoufotonové“ volné elektrony účinně odstraněny z oblasti optického kanálu, čímž se výrazně zvýší Ramanův zisk v křemíku a vytvoří se kontinuální vlnový laser.
Na základě tohoto řešení je možné přímo na jediném křemíkovém krystalu vytvořit dvě důležitá optická zařízení - zesilovač a modulátor signálu.
A také pomocí kaskád zrcadel (umístěných přímo na křemíku) k vytvoření vícevlnových optických komunikačních kanálů a kompaktních laserů pro různé aplikace.
V rukou Maria Paniccia, ředitele Intel Photonic Technology Lab, je krystal nového kontinuálního křemíkového laseru (vpravo) a tradičního drahého Ramanova optického zesilovače (vlevo):
Tento úspěch zaměstnanců Intelu otevírá nové obzory pro vývoj křemíkové fotoniky a její další implementaci v tradiční mikroelektronice.