Silicijska fotonika: hoće li svjetlost zamijeniti električnu energiju?
Potpuno poluvodički laser s kontinuiranim valovima rješava prethodno nepremostiv problem apsorpcije dva fotona
Mikroelektronika se već suočava s fizičkim ograničenjima (na atomskoj razini) u prijenosu električnih signala između čipova. Moguće rješenje Ovaj problem može proizaći iz razvoja netradicionalnih tehnologija, posebice silicijske fotonike.
Intel je već stvorio mnoge strukture potrebne za prijenos signala između čipova pomoću svjetlosti jednako lako kao što to danas rade elektroni. Glavni problem za to bio je nedostatak odgovarajućeg izvora svjetlosti. Intel je nedavno najavio novi napredak u ovom području - prvi potpuno poluvodički laser s kontinuiranim valovima koji koristi fizički fenomen nazvan Ramanov efekt (u kvantnoj mehanici Ramanov efekt opisuje se kao izmjena energije između molekula raspršujuće tvari i upadne svjetlosti ), i izgrađen korištenjem standardnih CMOS -kristala.
Iskorištavanjem snage poluvodiča, Intelovi istraživači uspjeli su realizirati funkcionalnost tradicionalnog, glomaznog Ramanovog lasera temeljenog na staklu obično veličine kovčega, smanjujući njegovu veličinu na debljinu jedne staze na silicijskoj pločici.
Ovaj napredak u silicijskoj fotonici dovest će do praktičnih i pristupačnih rješenja za komunikacije i računalstvo, nove medicinske opreme i senzora, a podesivi poluvodički laseri mogli bi zamijeniti svoje prethodnike koji su koštali stotine i tisuće dolara. Ovo postignuće također bi moglo dovesti do bržeg razvoja novih optičkih poveznica između čipova i vanjski uređaji, jer tanka optička vlakna zauzimaju manje prostora od električnih kabela i pružit će Bolji uvjeti hlađenje računala i servera.
Demonstracijska pločica poluvodičkog lasera proizvedena je korištenjem standardne CMOS tehnologije na postojećoj proizvodnoj liniji. To znači da za ove nove tehnologije put od laboratorija do proizvodnje možda neće biti dug i složen, kao što je slučaj s nekim nekonvencionalnim tehnologijama, već izravan i brz.
Fotonska logika još neće zamijeniti poluvodičku logiku, ali već se može koristiti za prijenos podataka. I između uređaja i između procesorskih jezgri.
Gledajući nedavnu najavu novih hardverskih proizvoda iz Applea, želi se reći da su nove tehnologije poput tropskog zelenila: još jučer je bio mali zakržljali izdanak, ali danas već postoji moćna loza koja je pustila duboke korijene i čvrsto prigrlila tržišno deblo računalne tehnologije sa svojim izdancima.
Pojava prvih Macova s Thunderbolt sučeljem dočekana je s znatiželjom, ali ništa više. Također je svojedobno tržište gledalo na neobičan FireWire priključak Apple prijenosna računala PowerBook 3G.
Naknadno uključivanje Thunderbolta, u kombinaciji s Display Portom, u gotovo svu Appleovu računalnu opremu natjeralo je proizvođače perifernih uređaja da ozbiljno razmisle o podržavanju ove tehnologije. Srećom, razvijen je novi kontroler od strane Intela, istovremeno podržava i Thunderclap i USB 3.0 specifikaciju. I ako je s najnovijim sučeljem sve jasno, onda je Thunderbolt pun misterija. Koji?
Pa, na primjer, iz serije "Kako se zoveš?" Uostalom, Thunderbolt je tržišno ime za Intel Light Peak istraživačku tehnologiju, gdje ključna riječ je svjetlo - svjetlo. Tih deset gigabita u sekundi koje Thunderbolt sada nudi potrošačima, prenoseći podatke bakrenim žicama na udaljenosti do tri metra, pravo je cvijeće u usporedbi s pedeset gigabita u sekundi koje Light Peak pruža preko optičkog kabela na stotinjak metara.
Pojava optičke verzije Thunderbolta stvar je bliske budućnosti. Budućnost u kojoj će, uz mikroelektroniku na koju smo navikli, u obradi podataka početi pomagati i “kraljica svjetla” - fotonika.
O tome kako Intel koristi fotoniku u svojoj tehnologiji brze razmjene podataka Silicon Photonics Link možete pročitati u članku “Preuzimanje u sekundi: napredak u silicijskoj fotonici.”
Intelova silicijska fotonička rješenja osigurat će 50 gigabita u sekundi propusnosti sučelja perifernog računala
Vrijeme je da detaljnije pogledamo komponente sustava temeljenih na silicijskoj fotonici. Sustavi, jer Intelova rješenja nisu jedina. I što je najvažnije, danas to više nisu samo laboratorijske vježbe. Silicijska fotonika stekla je sve potrebne sposobnosti i sasvim je spremna za plodnu suradnju s postojećim mikroelektroničkim rješenjima.
Primjer takve suradnje je junak ovog materijala - IBM projekt prikladno nazvan SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).
fotonika. Cigle tehnologije
Može li fotonika potpuno zamijeniti elektroniku u mikrosklopovima? Vjerojatno ne. Širenje svjetlosti temelji se na zakonima optike, što nameće značajna ograničenja na dizajn osnovnih komponenti kao što su tranzistori, kondenzatori i diode. Ne, pokušaji razvoja optičkih analoga tranzistora napravljeni su dosta davno, a ni danas ne prestaju. Ali ne mogu se natjecati s dokazanom CMOS tehnologijom.
Fotonski tranzistorski sklop predložen je još osamdesetih godina prošlog stoljeća
Ono gdje fotonika zaista briljira je u implementaciji brzih veza između komponenti digitalni sklopovi. Odnosno, na onim mjestima gdje elektronika počinje sve aktivnije kliziti. Povećanje stupnja integracije komponenti mikro krugova utječe na veličinu metalnih vodiča koji ih povezuju. S prijelazom na dvadeset i dva nanometra tehnološki proces Inženjeri proizvodnje CMOS-a suočili su se s problemom prijelaznih pojava u minijaturnim bakrenim sabirnicama. Ovi fenomeni mogu lako dovesti do grešaka u radu složenog računalnog sustava tijesno upakiranog u silikonski čip.
Korištenje fotonike kao komunikacijskog medija za mikro krugove omogućuje tehnolozima da istovremeno oslobode nove čipove od utjecaja prijelaznih procesa u bakrenim vodičima i značajno smanje zagrijavanje mikro kruga. Za razliku od elektrona, koji svoju energiju neproduktivno pretvaraju u toplinu, fotoni, krećući se po optičkom vodiču, uopće ne rasipaju toplinu.
Dakle, kompromisno rješenje je kombinacija elektronike i fotonike. Elektronika zadržava osnovu digitalnog sklopa, a fotonika preuzima ulogu univerzalnog vodljivog medija.
Što je potrebno za takvo okruženje? Prije svega, izvor fotona je laser. Sljedeći je vodljivi medij kroz koji se fotoni mogu širiti unutar mikrosklopova - valovoda. Da bi se nule i jedinice koje formiraju elektroničke komponente pretvorile u svjetlosni tok, a za inverznu pretvorbu bit će potrebni modulatori i demodulatori, ali, naravno, ne jednostavni, već optički.
Pa, kako bi se postigla visoka propusnost koju zahtijevaju kanali trenutnih integriranih krugova, bit će potrebni multiplekseri i demultiplekseri (također, naravno, optički). Štoviše, sve ove komponente moraju biti implementirane na istoj silikonskoj bazi koja se koristi za CMOS tehnologiju.
Razvoj ovih "građevinskih blokova" je put koji je silicijska fotonika slijedila posljednjih dvadeset godina. Tijekom tog vremena predloženo je mnogo jedinstvenih rješenja, koja su bila sam "zbroj tehnologija" koje su omogućile fotonici da prijeđe na kvalitativno novu razinu. Razina integrirane optičke elektronički sklopovi.
Silikonski laseri
Zapravo, izraz "silikonski laser" je oksimoron. Budući da je takozvani poluvodič s neizravnim procjepom, silicij je potpuno nesposoban emitirati svjetlost. Zbog toga telekomunikacije s optičkim vlaknima koriste rješenja koja se temelje na drugim poluvodičima (s izravnim procjepom), kao što je galijev arsenid. U isto vrijeme, silicij je izvrstan za stvaranje valovoda i detektiranje optičkih signala u električne.
Pa u čemu je problem? Možete koristiti laser izvan silicijskog kruga ili razviti hibridni krug temeljen na siliciju i, na primjer, galijevom arsenidu. Ali niti jedno rješenje ne može se smatrati učinkovitim. U slučaju korištenja vanjskog lasera (a u suvremenim optičkim sustavima na makro razini to se radi), na mikro razini gotovo je nemoguće točno kalibrirati snop u odnosu na valovod nanometarske veličine. Uključivanje galij arsenida u proces proizvodnje CMOS čipova nije uspjelo. Ova dva poluvodiča zahtijevaju vrlo različite uvjete proizvodnje.
Dakle, hoće li silikonski laser nikada vidjeti (ili bolje rečeno emitirati) svjetlost? Naravno da ne. Silicij se može natjerati da svijetli raznim trikovima. Na primjer, dopiranje materijalom koji će emitirati fotone izvan silicija. Ili promijeniti strukturu samog silicija na takav način da će biti prisiljen zasvijetliti. Treći način je korištenje Ramanovog raspršenja (također nazvano Ramanovo raspršenje), koje privremeno pretvara silicij u poluvodič s gotovo izravnim procjepom.
Jedan od načina da silicij svijetli je stvaranje porozne strukture silicija
Shema i mikrofotografija Ramanovog lasera
Trenutno su znanstvenici postigli najveći uspjeh u području tehnologija dopinga silicija. Najpoznatija izvedba silicijskog lasera s kontinuiranim valom koji se temelji na njima je laser koji je razvio Intel u suradnji sa Sveučilištem California, Santa Barbara. Znanstvenici su pomoću oksida uspjeli "zalijepiti" poluvodički indijev fosfid s izravnim procjepom na silicijski valovod. Debljina "ljepila" je samo 25 atoma. Stvaranjem potencijalne razlike između silicija i indijevog fosfida (to se zove "električno pumpanje"), postigli su stvaranje fotona, koji kroz "ljepilo" prodiru u silicijski valovod.
Shematski dijagram kontinuiranog valnog hibridnog silicijskog lasera
Na temelju ove sheme stvaraju se varijante hibridnog silicijskog lasera s različitim valnim duljinama (infracrveno područje, transparentan za silicij), što omogućuje implementaciju višekanalnog komunikacijskog sustava.
Silikonski modulatori
Struja fotona koju emitira silicijski laser može se smatrati nosivom frekvencijom koju treba modulirati binarnim signalom.
Optički modulatori smatrani su nemogućima sve dok znanstvenici nisu odlučili iskoristiti fenomen interferencije svjetla. Općenito, modulirani optički signal može se dobiti interferencijom referentne zrake svjetlosti i zrake propuštene kroz materijal koji pod utjecajem električne struje mijenja indeks loma (tzv. elektrooptički efekt). Nažalost, silicij nas je i ovdje iznevjerio - njegova simetrična kristalna rešetka ne dopušta ostvarenje elektrooptičkog efekta. Doping je ponovno priskočio u pomoć.
Znanstvenici su razdvojili silicijski valovod i izgradili sloj silicijevog nitrida na jednom od njegovih krakova, koji je razvukao kristalnu rešetku silicija. Primjena napona na ovaj dio dovodi do loma svjetlosti u ovom kraku valovoda. U isto vrijeme, u drugom kraku isti tok se širi bez izobličenja.
Mikrofotografija presjeka kraka loma svjetlosti u Mach-Zehnder modulatoru
Implementacija cijelog Mach-Zehnder modulatora i njegovih varijanti.
Kombinacija ovih tokova na izlazu rezultira njihovom interferencijom, a izlazni tok će biti moduliran primjenom napona na krak valovoda od silicijeva nitrida. Znanstvenici nisu morali ponovno izumiti kotač. Sličan učinak naširoko se koristi u Mach-Zehnderovim interferometrima. Stoga su silikonski modulatori i demodulatori nazvani potpuno isto.
Silikonski multiplekseri
Više moduliranih svjetlosnih tokova iz više lasera s različitim valnim duljinama može se značajno povećati propusnost komunikacijski kanal zbog paralelizacije prijenosa podataka. Ali kako se ove mnoge niti mogu spojiti u jednu? Štoviše, na takav način da se rezultirajući ukupni protok na izlazu može ponovno podijeliti. Tu u pomoć dolaze multiplekseri. Optički, naravno.
Ideja optičkog multipleksera temeljenog na nizu valovoda (AWG)
Mikrografija AWG multipleksera
Optički multipleksor temeljen na kaskadi Mach-Zehnder modulatora
Trenutno je predložena tehnologija za mikrominijaturno multipleksiranje svjetlosti pomoću njenog spektralnog multipleksiranja (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Najčešće se za njegovu realizaciju koristi difrakcijska struktura koja se temelji na nizu valovoda i zrcala (AWG - Arrayed Waveguide Grating) u kojoj se svaka svjetlosna zraka kreće duž vlastitog valovoda, zakrivljenog u skladu sa svojom valnom duljinom. Kada se ti valovodi spoje, daju rezultirajući spektralno zgusnuti tok. Drugo uobičajeno rješenje je korištenje kaskade nama već poznatih Mach-Zehnder modulatora.
IBM SNAJPER. Silicijski terabit
Intelova silicijska fotonička rješenja usmjerena su na unaprjeđenje fotoničkih tehnologija u području sučelja periferni uređaji. Neposredna komercijalna perspektiva je pedesetgigabitna optička verzija Thunderbolt sučelja (možda će se do industrijske implementacije zvati drugačije). Dugoročno, Intel razmatra povećanje propusnosti na dvjesto gigabita u sekundi. Reći da je brz znači ne reći ništa: na primjer, sadržaj DVD pri ovoj brzini može se prenijeti u jednoj sekundi.
Laboratorij IBM Research si je zadao potpuno isti cilj. Postavio sam i postigao! Istina, IBM planira koristiti svoj terabit ne u komunikacijskim sučeljima, već u brzim sabirnicama koje povezuju jezgre višejezgrenog procesora.
Međunuklearna komunikacija temeljena na silicijskoj fotonici
Ideja projekta SNIPER iz IBM Research (fotonski dio kruga prikazan je plavom bojom)
Projekt SNIPER praktična je implementacija ideje o nanofotonici, korištenjem "građevnih blokova" o kojima smo govorili gore za stvaranje fotonske komunikacijske mreže. Ova fotonska mreža integrirana je na vrhu višeslojne torte sustava na čipu koja uključuje višeprocesorski modul i RAM memorija. Imajući izlaze prema van, takva mreža omogućuje povezivanje ovog sustava na čipu na brzu optičku podatkovnu sabirnicu koja povezuje procesor s periferijom. Unutarnje valovodno ožičenje osigurava usmjeravanje podataka između jezgri procesorskog modula.
Šestokanalni fotonski modul projekta SNIPER
Projekt SNIPER trenutačno se može pohvaliti implementacijom šestokanalnog fotonskog primopredajnog modula koji koristi hibridne silikonske lasere, Mach-Zehnder modulatore i valovodni multiplekser. Propusnost svakog kanala ovog primopredajnika je dvadeset gigabita u sekundi. Pedeset ovih kanala implementirano je na supstrat od 25 četvornih milimetara, što daje isti terabit protoka.
Projekt SNIPER fotonski čip koji pruža terabitnu propusnost
Što je najvažnije, SNIPER više nije istraživački projekt. Biblioteke svih fotonskih elemenata za silicijsku litografiju testirane su za proizvodni ciklus. Kao i tehnika za njihovu integraciju s CMOS logikom sustava na čipu.
Gdje će se ovo rješenje prvo primijeniti? Naravno, u superračunalnim sustavima i podatkovnim centrima računalni oblak. Ono gdje je računalna snaga elektroničkih sklopova najpotrebnija je razmjena podataka brzinom svjetlosti.
Međutim, možemo biti sigurni da širenje silicijske fotonike u potrošačko računalstvo nije daleko. Sve će započeti sa sučeljima za povezivanje perifernih uređaja, a onda će ih, eto, sustići sabirnice za višejezgrena rješenja, pretvarajući dosadni silicij unutar naših procesora u čarobni kristal koji svjetluca svim bojama spektra.
Protekla 2007. godina bila je vrlo uspješna za razvoj mnogih Intelovih tehnologija, uključujući i područje silicijske fotonike. Časopis MIT Technology Review usporedio je najnovija dostignuća Intela u ovom području s trostrukom pobjedom na utrkama - tako su promatrači vodeće publikacije ocijenili niz službenih najava korporacije.
Prema riječima Justina Rattnera, glavnog tehnološkog direktora i voditelja Intelove korporativne tehnološke grupe, “Iskustveno smo dokazali da proizvodne tehnologije kompatibilne s CMOS dizajnom silicija omogućuju stvaranje poluvodičkih optičkih uređaja. Dokazivanje ove činjenice bilo je veliko postignuće, ali ništa manje značajni koraci nisu potrebni za daljnji razvoj ovog tehnološkog smjera. Sada moramo naučiti kako integrirati silicijske fotoničke uređaje u standardne računalne komponente; Još uvijek ne znamo kako to učiniti. Ali u isto vrijeme nastavljamo aktivno surađivati s odjelima uključenim u razvoj različitih vrsta proizvoda kako bismo proizvođačima ponudili modele za korištenje poluvodičke fotonike u Intelovim rješenjima.”
Istraživači u Intelu razvili su prvi poluvodički čip na svijetu koji može proizvesti kontinuirane laserske zrake visoke kvalitete. Osam lasera integrirano je u jedan silikonski čip.
Silicijska fotonika kao sredstvo za uklanjanje uskih grla na putu u eru tera računarstva
Silicijska fotonika je najvažnija komponenta Dugoročna razvojna strategija Corporate Technology Group usmjerena je na ubrzanje prijelaza na tera-računalstvo. Poanta je da kako se razvijamo višejezgreni procesori S ogromnom računalnom snagom, inženjeri se suočavaju s novim izazovima. Na primjer, zahtjev za brzinom komunikacije između memorije i procesora uskoro će premašiti fizička ograničenja koja nameću bakreni vodiči, a brzina prijenosa električnih signala postat će sporija od brzine procesora. Već je izvedba moćnih računalnih sustava često ograničena brzinom razmjene podataka između procesora i memorije. Današnje tehnologije prijenosa podataka dizajnirane su za puno manju propusnost u usporedbi s fotonikom, a kako se udaljenost preko koje se podaci prenose povećava, brzina prijenosa postaje još sporija.
“Potrebno je uskladiti brzinu prijenosa podataka između komponenti računalne platforme s brzinom procesora. Ovo je doista vrlo važan zadatak. Silicijsku fotoniku vidimo kao rješenje za ovaj problem i provodimo istraživački program koji nas postavlja na čelo ovog područja,” rekao je Intelov istaknuti istraživački inženjer Kevin Kahn.
Testovi prototipa optičkog memorijskog modula pokazali su da se za pristup memoriji poslužitelja može koristiti svjetlost, a ne električna energija.
Tim koji vodi Intelov vodeći istraživač optike, Drew Alduino, razvija optički komunikacijski sustav između procesora i memorije za Intelove platforme. Testna platforma je već napravljena na temelju potpuno međuspremnika FB-DIMM memorije, na kojoj se učitava i pokreće Microsoft Windows. Trenutačni prototip dokaz je mogućnosti povezivanja memorije s procesorom pomoću optičkih komunikacijskih linija bez ugrožavanja performansi sustava.
Izrada komercijalne inačice takvog rješenja ima ogromne prednosti za korisnike. Optički komunikacijski sustavi će eliminirati usko grlo između propusnosti memorije i brzine procesora i poboljšati ukupne performanse računalne platforme.
Od istraživanja do implementacije
Laboratorij Photonics Technology, koji vodi Intelov istaknuti istraživački inženjer Mario Paniccia, dokazao je da se sve optičke komunikacijske komponente — laser, modulator i demodulator — mogu proizvesti od poluvodiča korištenjem postojećih proizvodnih tehnologija. PTL je već pokazao kritične silikonske fotoničke komponente koje rade s rekordnim performansama, uključujući modulatore i demodulatore koji isporučuju brzine prijenosa podataka do 40 Gbps.
Za implementaciju tehnologije poluvodičke fotonike potrebno je šest glavnih komponenti:
- fotoni koji emitiraju laser;
- modulator za pretvaranje toka fotona u tok informacija za prijenos između elemenata računalne platforme;
- valovode, koji djeluju kao "prijenosne linije" za isporuku fotona do njihovih odredišta, i multipleksere za kombiniranje ili razdvajanje svjetlosnih signala;
- kućište, posebno potrebno za stvaranje tehnologija sklapanja i jeftinih rješenja koja se mogu koristiti u masovnoj proizvodnji osobnih računala;
- demodulator za primanje tokova fotona koji nose informacije i njihovo pretvaranje natrag u tok elektrona koji je dostupan za obradu računalom;
- elektronički sklopovi za upravljanje tim komponentama.
%%%
Pitanje implementacije svih ovih optičkih komunikacijskih komponenti pomoću poluvodičkih tehnologija široko je prepoznato kao veliki istraživački problem, čije će rješenje dovesti do velikog tehničkog proboja. PTL je već postavio brojne svjetske rekorde razvijajući visokoučinkovite uređaje, modulatore, pojačala i demodulatore koji omogućuju prijenos podataka do 40 Gbps. Tijekom sljedećih pet godina Intel će te komponente nastojati integrirati u stvarne proizvode.
Jedna od ključnih komponenti silicijske fotonike je modulator koji omogućuje brzine prijenosa do 40 Gbit/s.
U području fotonike poluvodiča, Intel je već ušao u početnu trku. Istraživanja u području integracije optičkih elemenata već su prešla iz faze znanstvenog ili tehnološkog razvoja u fazu stvaranja komercijalnih proizvoda. Istraživački tim sada je usredotočen na prepoznavanje mogućnosti i specifikacija za dizajniranje inovativnih proizvoda temeljenih na ovoj revolucionarnoj tehnologiji. U konačnici, Intelovi timovi stvaraju prototipove i blisko surađuju s timovima za razvoj proizvoda kako bi ubrzali usvajanje nova tehnologija.
Uz vlastite aktivnosti, Intel financira neka od najperspektivnijih istraživanja u ovom području izvan CTG-a - posebice surađuje sa Sveučilištem California u Santa Barbari, koje razvija hibridni poluvodički laser. Talentirani diplomanti raznih sveučilišta iz drugih zemalja također prolaze praksu u PTL laboratoriju.
Intelov vodeći istraživač optike, Richard Jones, rekao je: “Suočavamo se s dva velika izazova u trenutnom projektu hibridnog poluvodičkog lasera. Prvo, moramo premjestiti pilot proizvodnju hibridnih lasera sa Sveučilišta u Kaliforniji u tvornicu Intel. Drugo, moramo kombinirati hibridni laser, poluvodički modulator velike brzine i multiplekser kako bismo dokazali da možemo stvoriti jedan optički odašiljač temeljen na CMOS-kompatibilnoj tehnologiji proizvodnje.”
Uvođenje tehnologija silicijske fotonike uključivat će razvoj novih proizvodnih procesa za proizvodnju lasera u velikim količinama. Intelov uspjeh na polju fotonike omogućit će mu da značajno nadmaši potencijalne konkurente. PTL Laboratorij ima već registriranih oko 150 patenata. Najprestižnije publikacije, poput Naturea, zabilježile su neviđena postignuća Intelovih stručnjaka. Osim toga, Intel je 2007. godine dobio nagradu EE Times ACE za novu tehnologiju koja najviše obećava.
Jurnjava za fotonima
Za razliku od već desetljećima dokazanih već uhodanih procesa proizvodnje tranzistora, tehnologija izrade elemenata za poluvodičku fotoniku potpuno je nova. Postoje određeni problemi na putu njegove implementacije: optimizacija uređaja, povećanje pouzdanosti dizajna, razvoj metodologije ispitivanja, osiguranje energetske učinkovitosti i razvoj subminijaturnih uređaja.
Ispitni uređaj za 40-gigabitni silicijski laserski modulator
Jedan od najvažnijih problema je optimizacija, jer PTL laboratorij razvija optičke uređaje za masovno računalstvo. Iako ne postoje drugi slični proizvodi, standardi ili druge referentne točke, inženjeri koji razvijaju novi tehnološki proces sami traže rješenja koja najbolje zadovoljavaju potrebe računalnih aplikacija.
Trenutno skupina istraživača iz PTL laboratorija, relativno mala prema standardima fotoelektronike, postupno prelazi na komercijalizaciju rješenja poluvodičke fotonike i očekuje da bi masovno usvajanje ove nevjerojatne tehnologije moglo započeti već 2010. Skupina stručnjaka za optiku iz Digital Enterprise Group (DEG) pod vodstvom Victora Krutula razvija aplikacije koje će pružiti osnovu za razvoj nove tehnologije. "Vjerujemo da će ovladavanjem optičkim komunikacijama Intelovi proizvodi nastaviti biti u skladu s Mooreovim zakonom", kaže Krutal.
Prilikom prijenosa informacija između komponenti iste računalne platforme i između različitim sustavima neće se koristiti elektroni, nego fotoni, dogodit će se sljedeća računalna revolucija. Vodeći proizvođači elektronike diljem svijeta već su se uključili u ovu utrku, nastojeći steći konkurentsku prednost. Značenje nove tehnologije može se usporediti s izumom integriranih sklopova. Intel prednjači u ovom istraživanju i razvoju poluvodičkih komponenti temeljenih na fotonici.
IBM je najavio proboj u području silicijske fotonike - stvoren je prvi potpuno integrirani multipleksirani čip. Novi uređaj omogućit će pojedinačnim čipovima da međusobno komuniciraju pomoću optičkih umjesto elektromagnetskih valova, što će povećati propusnost na 100 GB u sekundi i više. Ovaj čip smješten je na jednoj silicijskoj matrici i ključan je za dugoročno usvajanje optičkih tehnologija na mikromjerama. Ali zašto su tako moćne tvrtke poput IBM-a i Intela provele cijela desetljeća proučavajući silicijsku fotoniku?
U teoriji, silicijska fotonika bi mogla riješiti mnoge glavne probleme povezane s kontinuiranom upotrebom bakrenih konektora. Jedan od glavnih problema s bakrenom žicom je taj što se s nje ne može skidati kamenac tako agresivno kao s drugih vitalnih dijelova. moderan procesor. Nakon određene točke, fizički je nemoguće dodatno smanjivati bakrenu žicu bez ugrožavanja njezine izvedbe i/ili vijeka trajanja. U teoriji, optičke veze mogu puno brže prenositi podatke uz manju potrošnju energije. Osim toga, mnoge tvrtke vjeruju da je silicijska fotonika neophodna za stvaranje superračunala s računalnom snagom od otprilike jedne eksaskale.
Nažalost, silicij je loše okruženje za optičke uređaje jer proizvodni razmjeri toliko variraju (optički valovod i druge komponente mnogo su veći od CMOS silicija) da ne postoje inženjerska rješenja koja mogu učinkovito i jeftino integrirati optičke elemente u postojeći CMOS pomoću silicija umjesto skupi alternativni materijali kao što je galijev arsenid. Sada je tvrtka mogla postaviti čipove stvorene pomoću tehnologije silicijske fotonike izravno na procesorski modul.
Grafikon iz Intelove prezentacije o silicijskoj fotonici također ilustrira potrošnju energije koju proizvođači pokušavaju postići. Dugoročni planovi za silicijsku fotoniku nude širinu pojasa i energiju po bitu informacije koje bakrene veze ne mogu.
Nakon desetljeća rada, silicijska fotonika može izgledati kao samo još jedna luda ideja koja izgleda dobro na papiru, ali je potpuno neprimjenjiva u praksi, no napredak ne stoji na mjestu, a iako vrhunske tvrtke poput IBM-a, Intela ili HP-a možda neće objaviti tehnologije na komercijalnu razinu u bliskoj budućnosti, zasigurno će naći primjenu u znanstvenim laboratorijima, superračunalima i podatkovnim centrima.
Proljeće je stiglo... A s njim dolazi i vrijeme za sljedeći Intel Developer Forum (IDF), koji se održava dva puta godišnje u sunčanoj Kaliforniji i redovito posjećuje druge gradove diljem svijeta (odnedavno, u Rusiji). Štoviše, proljeće u u ovom slučaju došao ne samo riječi radi - u San Francisco, gdje se IDF ponovno održava od 1. do 3. ožujka u ogromnom kongresnom centru Moscone West,
Sada je stvarno toplo, drveće i grmlje cvate, odiše mirisima proljeća, a mještani hodaju ulicama u košuljama ili laganim jaknama ako ne pada kiša. U ovoj veseloj pozadini, doletjeli iz snježne Moskve, ne bi bilo lako sjediti po cijele dane u konferencijskim i press sobama, naguravati se među nekoliko tisuća posjetitelja i organizatora IDF-a na izložbenim prostorima i sa strane. Da nije ponekad jedinstvenih i uzbudljivih informacija koje padaju na vas u ogromnim količinama, ne ostavljajući ni trenutka mira. Čak i ja, redoviti posjetitelj središnjih Intelovih foruma (kao i mnogih drugih izložbi i konferencija slične tematike), koji sam se kao zasitio ovakvih događanja i doživljavam ih gotovo kao još jedan hollywoodski blockbuster, dobro ukalupljen po odavno poznatom klišeja, često se mora iznenaditi nizom novih proizvoda koje su organizatori pripremili za sudionike IDF-a. Za iznenaditi se, a ponegdje i diviti...
Vjerojatno nema potrebe objašnjavati našim redovitim čitateljima što je Intel Developer Forum i “s čim ga jedu”. Ovaj događaj, koji već dugi niz godina redovito održava korporacija Intel i njeni najbliži prijatelji u IT radionici, ima svoje individualne karakteristike koje ga razlikuju od raznih računalnih izložbi (kao što su CeBIT, Computex, Comdex ili CES, gdje stotine i tisuće proizvođača IT proizvoda hvale se svojim postignućima kako bi ih isplativije prodali), te s velikih svjetskih znanstvenih i tehničkih konferencija (poput Material Research Society Meeting, IEEE i sličnih, gdje stotine vodećih svjetskih instituta i istraživački laboratoriji izvješće o najnovijim znanstvenim otkrićima, izumima i tehnologijama za čiju će implementaciju biti potrebni dugi niz godina). Po meni je IDF ipak bliži ovom drugom nego prvom. Budući da Intel, koji troši više od 4 milijarde dolara godišnje na istraživanje i razvoj, na IDF-u pokušava pokazati ne toliko aktualne i spremne proizvode za tržište (mikroprocesore, platforme, itd.),
koliko industriji reći vektor u kojem će se razvijati u narednim godinama. Objaviti javnosti one sadašnje i buduće tehnologije koje korporacija implementira zajedno sa svojim partnerima i drugim IT programerima, privući nove istraživače i inženjere (tj. “programere”, prema nazivu Foruma), te eventualno raspraviti o izvodljivosti određenih koraka unutar cijele IT zajednice. I premda je, naravno, “izložbeno-prodajna” kontura na IDF-u također donekle prisutna, najvrjedniji i najzanimljiviji je, po meni, njezin istraživačko-tehnološki dio.
Tako je “nulti” dan aktualnog IDF-a, koji se održao 28. veljače, za vodeće medije i analitičare iz cijelog svijeta donio nekoliko iznenađenja o kojima ću pokušati govoriti u ovoj reportaži koja prethodi priči o Forumu sebe.
Silicijska nanotehnologija: pogled 20 godina unaprijed
Prvo izvješće nultog dana raspravljalo je o načinima na koje se silicijska tehnologija za proizvodnju računalnih uređaja može i hoće razvijati u nadolazećim desetljećima. Ukratko i primitivno, ovo bi se moglo nazvati “opravdanjem za Mooreov zakon za 20 godina u budućnosti”, da ovakva na prvi pogled banalna premisa nije potkrijepljena zadivljujućim detaljima znanstvenih istraživanja u području nanotehnologije i njihove primjene u praksi. u industrijskim tehnologijama. Izvješće je predstavio Paulo Gargini (na slici), direktor odjela Intel Technology Strategy i Intel Nanotechnology Research.
Prezentacija koja je trajala više od sat vremena odvijala se vrlo brzim tempom, ne dopuštajući nikome da dođe k sebi ni na sekundu i mirno razmisli o ovom ili onom slajdu. Njegovo detaljno prepričavanje očito bi bilo korisno nekim našim promišljenim čitateljima. Ali to bi zauzelo neumjereno puno prostora (riječ je o stotinjak “ozbiljnih” slajdova, na svaki od kojih treba dodati još puno komentara). Stoga ću napomenuti samo neke od najzanimljivijih, po mom mišljenju, točaka, pogotovo jer smo neke od detalja prisutnih u njemu već opisali ja i moji kolege u našim člancima na temelju rezultata prethodnih IDF-ova i nedavnih „tehnoloških otkrića ” Intela. Ovaj ću materijal opširnije predstaviti, možda drugi put.
Tijekom proteklih 40 godina, broj elemenata na silicijskim čipovima stalno se udvostručavao svake dvije godine, a cijena jednog tranzistora na čipu smanjivala se istom brzinom.
Prije otprilike 10 godina znanstvenici su predviđali velike probleme u prijelazu na 100-nanometarske uređaje, ali, srećom, to se nije dogodilo, a sada čelnici industrije imaju dobro proučene izglede za razvoj tradicionalne tehnologije silicija s planarnim CMOS tranzistorima za još 10 godine (vidi. slajd).
Potreba za fundamentalno novim elektroničkim uređajima pojavit će se tek do 2013. godine, kada će mogućnosti minijaturizacije sadašnjih uređaja zapravo biti iscrpljene.
Među novim silicijskim uređajima koji se razmatraju su nanotranzistori s više vrata (na primjer, tri vrata), uređaji koji se temelje na silicijskim nanocjevčicama potpuno okruženim vratima, kao i uređaji s kvazi-balističkim transportom.
Dugoročno se razmatraju i ugljikove nanocijevi promjera nekoliko nanometara, koje ovisno o strukturi mogu djelovati kao metal ili poluvodič. Uređaji koji se temelje na InSb heterostrukturama (s jedinstveno visokom mobilnošću) zanimljivi su za nanoelektroniku, vidi slajd.
Ali što će se dogoditi nakon 2020., kada CMOS tehnologija iscrpi svoje mogućnosti minijaturizacije, dosegnuvši atomsku granicu?
Tada će možda na scenu stupiti spintronika - koja operira magnetskim momentima elementarnih čestica:
Neki ljudi također govore o kvantnim računalima. Za sada je CMOS tehnologija živa i Mooreov zakon će ostati na snazi još najmanje 15-20 godina.
Silicijska fotonika: novo otkriće
Još jedan zanimljiv događaj s Dana 0 ovog IDF-a bio je izvještaj o , stvorenom na silicijskom čipu u Intelu. Strogo govoreći, vijest o tome proširila se svijetom nekoliko dana prije IDF-a (17. veljače objavljen je odgovarajući članak u Natureu i priopćenje korporacije), no ovdje su glavni developeri novog uređaja javno podijelili mnoge dotadašnje nepoznate detalje i demonstrirao publici brojne kristale s takvim laserima. Na primjer, na ovoj fotografiji (fotografija autora) kristal sadrži 8 takvih lasera odjednom.
Ne ulazeći u detalje, napominjemo da su za stvaranje takvog lasera na siliciju Intelovi znanstvenici morali riješiti važan problem - takozvanu "apsorpciju dva fotona", koja je prije spriječila stvaranje kontinuiranog lasera na siliciju.
Upotreba silicija kao materijala za izradu lasera i višestruko pojačanje IC zračenja (zahvaljujući golemom, približno 20 000 puta većem Raman efektu),
Ranije je to bilo problematično, budući da se Ramanovo pojačanje zasitilo pod snažnim pumpanjem, a snaga dobivena tijekom zasićenja nije bila dovoljna za stvaranje kontinuiranog lasera.
Činjenica je da energija jednog infracrvenog fotona (kvanta svjetlosti) nije dovoljna da iz njega izbaci (oslobodi) elektron pri sudaru s atomom kristalne rešetke silicija. Međutim, ako se dva fotona sudare s atomom odjednom (što se često događa kada je laser intenzivno pumpan vanjskim zračenjem), tada postaje moguća ionizacija atoma, a slobodni elektroni u siliciju sami počinju apsorbirati fotone, čime se sprječava daljnje Ramanovo pojačanje . Problem je riješen stvaranjem takozvane p-i-n strukture duž optičkog kanala (područja silicija s rupnom odnosno elektronskom vodljivošću na stranama nedopiranog optičkog kanala u siliciju, vidi sliku).
Primjenom električnog prednapona između p- i n-područja silicija, "dvofotonski" slobodni elektroni mogu se učinkovito ukloniti iz područja optičkog kanala, čime se značajno povećava Ramanovo pojačanje u siliciju i stvara laser s kontinuiranim valom.
Na temelju ovog rješenja moguće je stvoriti dva važna optička uređaja izravno na jednom kristalu silicija - pojačalo i modulator signala.
I također, korištenjem kaskada zrcala (smještenih izravno na siliciju), za izradu optičkih komunikacijskih kanala s više valnih duljina i kompaktnih lasera za različite primjene.
U rukama Marija Paniccie, direktora Intel Photonic Technology Laba, nalazi se kristal novog silicijskog lasera s kontinuiranim valom (desno) i tradicionalno skupo Ramanovo optičko pojačalo (lijevo):
Ovo postignuće zaposlenika Intela otvara nove horizonte za razvoj silicijske fotonike i njezinu daljnju implementaciju u tradicionalnoj mikroelektronici.