Silikon fotonikasi: yorug'lik elektr o'rnini bosadimi?
To'liq yarimo'tkazgichli CW lazeri ilgari engib bo'lmaydigan ikki fotonli yutilish muammosini hal qiladi.
Mikroelektronika mikrosxemalar orasidagi elektr signallarini uzatishda allaqachon jismoniy cheklovlarga (atom darajasida) duch kelmoqda. Bu muammoning mumkin bo'lgan echimi noan'anaviy texnologiyalarning rivojlanishi bo'lishi mumkin, xususan, kremniy fotonikasi.
Intel allaqachon elektronlar kabi yorug'lik yordamida mikrosxemalar orasidagi signallarni yuborish uchun zarur bo'lgan ko'plab tuzilmalarni yaratdi. Buning asosiy muammosi mos yorug'lik manbasining yo'qligi edi. Intel yaqinda bu sohada yangi yutuqni e'lon qildi - Raman effekti deb nomlangan fizik hodisani qo'llagan birinchi yarimo'tkazgichli CW lazer (kvant mexanikasida Raman effekti sochuvchi moddaning molekulalari va tushayotgan yorug'lik o'rtasidagi energiya almashinuvi sifatida tasvirlangan), va standart ketma -ket CMOS -kristallar yordamida qurilgan.
Yarimo'tkazgichlarning kuchidan foydalangan holda, Intel tadqiqotchilari an'anaviy va katta hajmli Raman lazerining funktsional imkoniyatlarini shisha va odatda chamadon kattaligida, silikon gofretdagi bitta yo'lning qalinligigacha tushunishga muvaffaq bo'lishdi.
Silikon fotonikaning bu yutug'i amaliy va arzon kommunikatsiyalar va hisoblash echimlariga, yangi tibbiy asbob -uskunalar va datchiklarga olib keladi va sozlanadigan yarimo'tkazgichli lazer o'zining yuzlab va minglab dollarlik salaflarini almashtirishi mumkin. Bu yutuq, shuningdek, mikrosxemalar va tashqi qurilmalar o'rtasida yangi optik o'zaro bog'lanishlarni tezroq yaratilishiga olib kelishi mumkin. yupqa optik tolalar elektr kabellariga qaraganda kamroq joy egallaydi va ta'minlaydi Yaxshi sharoitlar kompyuter va serverlarni sovutish.
Yarimo'tkazgichli lazerli displey plitasi mavjud CMOS texnologiyasi yordamida ishlab chiqarish liniyasida ishlab chiqarilgan. Bu shuni anglatadiki, ushbu yangi texnologiyalar uchun laboratoriyadan ishlab chiqarishgacha yo'l, ba'zi noan'anaviy texnologiyalar kabi, uzoq va qiyin bo'lmasligi mumkin, balki to'g'ridan -to'g'ri va tez bo'lishi mumkin.
Fotonik mantiq yarimo'tkazgichlar mantig'ining o'rnini bosa olmaydi, lekin u allaqachon ma'lumotlarni uzatish uchun ishlatilishi mumkin. Ham qurilmalar o'rtasida, ham protsessor yadrolari o'rtasida.
Yaqinda Apple tomonidan "temir" yangiliklari e'lon qilinganini ko'rib, shuni aytish mumkinki, yangi texnologiyalar tropik ko'kalamzorlarga o'xshaydi: kecha o'sib ulg'aygan kichkina kurtak bor edi, bugun esa u allaqachon chuqur ildiz otgan va mahkam quchoqlagan kuchli tok. uning asirlari bilan hisoblash texnologiyasining bozor tanasi.
Thunderbolt interfeysi bilan birinchi "ko'knorlarning" paydo bo'lishi qiziqish bilan qabul qilindi, lekin boshqa hech narsa emas. Shuningdek, bir vaqtlar bozor g'aroyib FireWire portiga qaragan Apple noutbuklari PowerBook 3G.
Keyingi Thunderbolt displey porti bilan birgalikda Apple -ning deyarli barcha hisoblash uskunalariga kiritilishi periferik ishlab chiqaruvchilarni ushbu texnologiyani qo'llab -quvvatlash haqida jiddiy o'ylashga majbur qildi. Yaxshiyamki, Intel tomonidan ishlab chiqilgan yangi boshqaruvchi bir vaqtning o'zida "momaqaldiroq" va USB 3.0 spetsifikatsiyasini qo'llab -quvvatlaydi. Va agar hamma narsa so'nggi interfeys bilan aniq bo'lsa, Thunderbolt sirlarga to'la. Qaysilari?
Xo'sh, masalan, "Mening nomim senga nima?" Serialidan. Thunderbolt - bu Intelning Light Peak tadqiqot texnologiyasining bozor nomi kalit so'z engil - engil. Endi Thunderbolt iste'molchiga uch metrgacha bo'lgan masofada mis simlar orqali ma'lumotlarni uzatadigan soniyasiga o'n gigabit, Light Peak optik kabel orqali yuz metrga uzatadigan soniyasiga ellik gigabaytga qaraganda, haqiqiy gullardir.
Thunderbolt optik varianti yaqin kelajak masalasidir. Kelajakda, biz o'rgangan mikroelektronika bilan bir qatorda, "yorug'lik malikasi" - fotonika ma'lumotlarni qayta ishlashga yordam bera boshlaydi.
Yuqori tezlikda ma'lumot almashish texnologiyasida Intel fotonikani qanday ishlatishi haqida Silicon Photonics Link "Bir soniyada yuklab olish: Silicon Photonics-dagi yutuqlar" maqolasida o'qishingiz mumkin.
Intel Silicon Photonics Solutions kompaniyasi kompyuter periferik interfeysiga sekundiga ellik gigabayt etkazib beradi.
Silikon fotonikaga asoslangan tizimlarning tarkibiy qismlarini batafsil ko'rib chiqish vaqti keldi. Tizimlar, chunki Intel echimlari yagona echimlardan uzoqdir. Va, eng muhimi, bugungi kunda bu endi faqat laboratoriya mashg'ulotlari emas. Silikon fotonikasi barcha kerakli imkoniyatlarga ega bo'ldi va mavjud mikroelektron echimlar bilan samarali hamkorlik qilishga tayyor.
IBM tomonidan SNIPER (Silicon Nano -Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver) nomli loyiha - hozirgi materialning qahramoni bunday hamkorlikning namunasidir.
Fotonika. G'isht texnologiyasi
Fotonika mikrosxemada elektronikani to'liq almashtira oladimi? Balki yo'q. Yorug'likning tarqalishi optika qonunlariga asoslanadi, bu tranzistorlar, kondansatkichlar va diodlar kabi asosiy komponentlarning dizaynini sezilarli darajada cheklaydi. Yo'q, tranzistorning optik analoglarini ishlab chiqishga urinishlar uzoq vaqt davomida amalga oshirilgan va hozir ham ular to'xtamaydi. Faqat hozir ular tasdiqlangan CMOS texnologiyasi bilan raqobatlasha olmaydi.
Fotonik tranzistorlar sxemasi o'tgan asrning saksoninchi yillarida taklif qilingan.
Fotonika haqiqatan ham ustun bo'lgan narsa-bu komponentlarni birlashtiruvchi yuqori tezlikli kanallarni amalga oshirishdir raqamli sxemalar... Ya'ni, elektronika tobora faollasha boshlagan joylarda. Mikrosxemalar komponentlarining birlashish darajasining oshishi ularni bog'laydigan metall o'tkazgichlarning hajmiga ta'sir qiladi. Yigirma ikki nanometrga o'tish bilan texnologik jarayon CMOS muhandislari miniatyurali mis shinalaridagi vaqtinchalik hodisalar muammosiga duch kelishdi. Bu hodisalar silikon chipga mahkam o'ralgan murakkab hisoblash kompleksining ishida xatolarga olib kelishi mumkin.
Fotonikani mikrosxemalar uchun aloqa vositasi sifatida ishlatish texnologlarga bir vaqtning o'zida yangi chiplarni mis o'tkazgichlarda o'tuvchi jarayonlar ta'siridan qutqarish va mikrosxemaning isitilishini sezilarli darajada kamaytirish imkonini beradi. O'z energiyasini samarasiz ravishda issiqlikka aylantiradigan elektronlardan farqli o'laroq, optik o'tkazgich bo'ylab harakatlanadigan fotonlar umuman issiqlikni tarqatmaydi.
Shunday qilib, savdo elektronika va fotonikaning kombinatsiyasidir. Elektronika raqamli sxemaning asosi bo'lib qoladi, fotonik esa universal o'tkazuvchi vosita rolini oladi.
Bunday muhit uchun nima kerak? Birinchidan, fotonlarning manbai lazerdir. Keyinchalik - fotonlar mikrosxemalar ichida tarqalishi mumkin bo'lgan o'tkazuvchi vosita - to'lqinlar. Nol va elektron komponentlardan tashkil topganlar yorug'lik oqimiga aylanishi uchun va teskari konversiya uchun modulyatorlar va demodulyatorlar kerak bo'ladi, lekin, albatta, oddiy emas, balki optik.
Xo'sh, joriy integral mikrosxemalar kanallari talab qiladigan yuqori o'tkazish qobiliyatiga erishish uchun multipleksorlar va demultipleksatorlar (albatta, optik) kerak bo'ladi. Bundan tashqari, bu barcha komponentlar CMOS texnologiyasi uchun ishlatiladigan bir xil kremniy asosda amalga oshirilishi kerak.
Ushbu qurilish bloklarining rivojlanishi - silikon fotonikaning so'nggi yigirma yil davomida bosib o'tgan yo'li. Bu vaqt mobaynida fotonikaning sifat jihatidan yangi bosqichga o'tishiga imkon beradigan "texnologiyalar yig'indisi" bo'lgan juda ko'p noyob echimlar taklif qilindi. Birlashtirilgan optik elektron sxemalar.
Silikon lazer
Umuman olganda, "kremniy lazer" iborasi oksimoron. Yarimo'tkazgich bilvosita bo'shliq deb ataladigan bo'lsak, kremniy yorug'lik chiqarishga mutlaqo qodir emas. Shu sababli optik tolali telekommunikatsiyalarda boshqa (to'g'ridan-to'g'ri bo'shliqli) yarim o'tkazgichlarga asoslangan eritmalar, masalan, galyum arsenidi ishlatiladi. Shu bilan birga, silikon to'lqin qo'llanmalarini yaratish va elektr signallariga optik signallarni aniqlash uchun juda yaxshi.
Xo'sh, muammo nimada? Siz kremniy pallasida tashqi lazerdan foydalanishingiz yoki kremniyga asoslangan gibrid sxemani va masalan, xuddi shu galyum arsenidini ishlab chiqishingiz mumkin. Lekin na birini, na boshqasini samarali deb hisoblash mumkin emas. Agar tashqi lazer ishlatilsa (va bu makro darajadagi zamonaviy optik tolali tizimlarda), nanometr o'lchamli to'lqin qo'llanmasiga nisbatan nurni aniq sozlash deyarli mumkin emas. Galyum arsenidini CMOS chiplarini ishlab chiqarish jarayoniga kiritish muvaffaqiyatsiz tugadi. Bu ikki yarimo'tkazgich uchun ishlab chiqarish shartlari juda farq qiladi.
Shunday qilib, silikon lazer hech qachon yorug'likni ko'rmaydimi (aniqrog'i, chiqarmaydimi)? Albatta yo'q. Silikonni turli xil fokuslar yordamida porlashi mumkin. Masalan, silikon ustida fotonlar chiqaradigan material bilan doping qilish. Yoki kremniyning tuzilishini shunday o'zgartiringki, u porlab ketishi mumkin. Uchinchi usul-vaqtincha kremniyni deyarli to'g'ridan-to'g'ri bo'shliqli yarimo'tkazgichga aylantiradigan nurning Raman nurlanishidan (Raman deb ham ataladi) foydalanish.
Silikon porlashining bir usuli - gözenekli kremniy tuzilishini yaratish
Raman lazerining sxematik va fotomikrografi
Hozirgi vaqtda olimlar silikon doping texnologiyalari sohasida eng katta muvaffaqiyatga erishdilar. Ularga asoslangan uzluksiz to'lqinli kremniyli lazerning eng mashhur qo'llanilishi-Kaliforniya universiteti Santa Barbara bilan hamkorlikda Intel tomonidan ishlab chiqilgan lazer. Olimlar silikon to'lqin o'tkazgichga to'g'ridan-to'g'ri yarim o'tkazgichli indiy fosfidni "yopishtirish" uchun oksiddan foydalanishga muvaffaq bo'lishdi. "Yelim" ning qalinligi atigi 25 atom. Kremniy va indiy fosfid (bu "elektr nasos" deb ataladi) o'rtasidagi potentsial farqni yaratib, ular "elim" orqali silikon to'lqin o'tkazgichiga kiradigan fotonlar hosil bo'lishiga erishdilar.
CW gibrid silikon lazerining sxematik diagrammasi
Bunday sxema asosida turli to'lqin uzunlikdagi (infraqizil diapazonli, silikondan shaffof) gibrid kremniyli lazerning variantlari yaratiladi, bu ko'p kanalli aloqa tizimini amalga oshirish imkonini beradi.
Kremniy modulyatorlari
Silikon lazer chiqaradigan foton oqimi, ikkilik signal yordamida modulyatsiya qilinadigan tashuvchi chastotasi sifatida qaralishi mumkin.
Olimlar yorug'lik interferentsiyasi fenomenidan foydalanishga qaror qilmaguncha, optik modulyatorlar imkonsiz deb hisoblangan. Umuman olganda, modulyatsiyalangan optik signalni elektr toki (elektro-optik effekt deb ataladigan) ta'siri ostida sinishi indeksini o'zgartiradigan materialdan o'tgan nurli nur va nurning aralashuvi natijasida olish mumkin. Afsuski, kremniy uni bu erga ham tortdi - uning nosimmetrik kristall panjarasi elektro -optik effektni amalga oshirishga imkon bermaydi. Qotishma yana yordamga keldi.
Olimlar kremniy to'lqin o'tkazgichini ikkiga ajratishdi va uning yelkasidan silikon nitrid qatlamini qurdilar, u silikon kristall panjarasini cho'zdi. Ushbu bo'limga kuchlanish qo'llanilishi to'lqin yo'riqchisining bu qo'lidagi yorug'likning sinishiga olib keladi. Shu bilan birga, boshqa qo'lda, xuddi shu oqim buzilmasdan tarqaladi.
Mach-Zehnder modulyatoridagi yorug'lik sinishi qo'lining bir qismini mikrografi
Butun Mach-Zehnder modulyatorini va uning variantlarini amalga oshirish.
Chiqishdagi bu oqimlarning kombinatsiyasi ularning aralashuviga olib keladi, shu bilan birga silikon nitrid to'lqinlar qo'llanmasining kuchlanish qismiga chiqish oqimi modulyatsiya qilinadi. Olimlar velosipedni qayta kashf qilishlari shart emas edi. Shunga o'xshash ta'sir Mach-Zehnder interferometrlarida keng qo'llaniladi. Shuning uchun kremniy modulyatorlari va demodulyatorlari aynan bir xil nomlanadi.
Kremniy multipleksorlari
Turli to'lqin uzunlikdagi lazerlarning ko'p sonli modulyatsiyalangan yorug'lik oqimlari ma'lumotlar uzatish parallelligi tufayli aloqa kanalining o'tkazuvchanligini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Lekin bu oqimlar majmuasini qanday qilib birlashtirish mumkin? Bundan tashqari, natijada umumiy oqim yana bo'linishi mumkin. Bu erda multipleksorlar yordamga keladi. Albatta, optik.
Bir qator to'lqinlar (AWG) ga asoslangan optik multipleksor g'oyasi.
AWG multipleksorining mikrografi
Mach-Zehnder modulyatorlari kaskadiga asoslangan optik multipleksor
Hozirgi vaqtda to'lqin uzunlikdagi bo'linish multipleksatsiyasi (WDM) yordamida yorug'likni mikrominaturada ko'paytirish texnologiyasi taklif qilingan. Ko'pincha, uni amalga oshirish uchun to'lqinlar va oynalarga (AWG - to'lqinli yo'l panjarasi) asoslangan diffraktsiya tuzilishi ishlatiladi, bunda har bir yorug'lik nurlari to'lqin uzunligiga mos egilgan o'z to'lqin o'tkazgichi bo'ylab harakatlanadi. Yopish orqali, bu to'lqin qo'llanmalari to'lqin uzunligi zich oqimini beradi. Yana bir keng tarqalgan echim-bu allaqachon ma'lum bo'lgan Mach-Zehnder modulyatorlari kaskadidan foydalanish.
IBM SNIPER. Silikon terabit
Intelning silikon fotonik echimlari interfeyslarda fotonik texnologiyalarni ilgari suradi periferik qurilmalar... Eng yaqin tijorat istiqboli-bu Thunderbolt interfeysining ellik gigabaytli optik versiyasi (uni sanoatda amalga oshirish vaqtida boshqacha nomlash mumkin). Uzoq muddatda Intel tezlikni sekundiga ikki yuz gigabitgacha oshirishni o'ylamoqda. Tez deyish - hech narsa demaslik: masalan, kontent DVD bu tezlikda u bir soniyada uzatilishi mumkin.
IBM Research laboratoriyasi aynan shu maqsadni qo'ydi. Yetkazib berildi va erishildi! To'g'ri, IBM o'z terabitini aloqa interfeyslarida emas, balki ko'p yadroli protsessor yadrolarini bog'laydigan tezyurar avtobuslarda ishlatishni rejalashtirmoqda.
Silikon fotonikaga asoslangan yadro ichidagi aloqa
IBM Research -dan SNIPER loyihasi g'oyasi (diagrammaning fotonik qismi ko'k rangda ko'rsatilgan)
SNIPER loyihasi fotonik aloqa tarmog'ini yaratish uchun yuqorida muhokama qilingan "qurilish bloklari" dan foydalangan holda nanofotonik g'oyaning amalda amalga oshirilishi. Bu fotonik tarmoq ko'p qavatli tizimli pirog ustiga o'rnatilgan bo'lib, u ko'p protsessorli modul va modulni o'z ichiga oladi. tasodifiy kirish xotirasi... Tashqi tomondan chiqadigan bunday tarmoq protsessorni periferiya bilan bog'laydigan yuqori tezlikdagi optik ma'lumotlar uzatish chipiga ushbu tizimning ulanishini ta'minlaydi. Ichki to'lqinli yo'riqnoma protsessor moduli yadrolari o'rtasida ma'lumotlarni yo'naltirishni ta'minlaydi.
SNIPER loyihasining olti kanalli foton moduli
Hozirgi kunda SNIPER loyihasi gibrid kremniyli lazerlar, Mach-Zehnder modulyatorlari va to'lqinlar qo'llanmasiga asoslangan multipleksor yordamida oltita kanalli fotonik qabul qiluvchi modulini amalga oshirish bilan faxrlanadi. Ushbu qabul qilgichning har bir kanalining o'tkazuvchanligi sekundiga yigirma gigabitni tashkil qiladi. Ellikta shunday kanal 25 millimetrli substratda bir xil terabit o'tkazuvchanligini ta'minlaydi.
Terabit o'tkazish qobiliyatini ta'minlaydigan SNIPER fotonik chip
Eng muhimi, SNIPER endi tadqiqot loyihasi emas. Ishlab chiqarish tsikli uchun silikon litografiya uchun fotonikaning barcha elementlarining kutubxonalari ishlab chiqilgan. Ularni chipdagi tizimning CMOS mantig'i bilan birlashtirish metodologiyasi.
Bu qaror birinchi navbatda qaerda qo'llaniladi? Albatta, superkompyuter tizimlarida va bulutli hisoblash ma'lumotlar markazlarida. Elektr zanjirlarining hisoblash kuchi yorug'lik tezligida aloqa o'rnatishi kerak bo'lgan joyda.
Biroq, silikon fotonikani iste'molchi hisobiga kengaytirish yaqinda ekaniga amin bo'lishingiz mumkin. Hamma narsa tashqi qurilmalarni ulash uchun interfeyslardan boshlanadi, keyin ko'rasiz, ko'p yadroli echimlar uchun avtobuslar kuchayadi, bu bizning protsessorlar ichidagi zerikarli kremniyni spektrning barcha ranglari bilan porlab turgan sehrli kristallga aylantiradi.
O'tgan 2007 yil Intelning ko'plab texnologiyalari, shu jumladan silikon fotonikasi sohasida rivojlanishi uchun juda muvaffaqiyatli bo'ldi. MIT Technology Review kompaniyasi Intel kompaniyasining bu sohadagi so'nggi yutuqlarini poygalarda uch karra yutish bilan solishtirdi, chunki etakchi nashr sharhlovchilari bir qator korporativ e'lonlarni baholadilar.
Jastin Rattner, bosh texnologiya xodimi va Intel korporativ texnologiyalar guruhi rahbari: "Biz empirik tarzda CMOS kremniy texnologiyasiga mos keladigan ishlab chiqarish texnologiyalaridan yarimo'tkazgichli optik qurilmalar yaratish uchun foydalanish mumkinligini ko'rsatdik. Bu haqiqatning isboti katta yutuq edi, ammo bu texnologik yo'nalishni yanada rivojlantirish uchun hech qanday ahamiyatli qadamlar kerak emas. Endi biz kremniy fotonik qurilmalarini kompyuterning standart komponentlariga qanday qo'shishni o'rganishimiz kerak; buni qanday qilishni hali bilmaymiz. Shu bilan birga, biz yarimo'tkazgichli fotonik modellarni ishlab chiqaruvchilar uchun Intel echimlariga etkazish uchun mahsulotni ishlab chiqish guruhlari bilan faol ishlashni davom ettirmoqdamiz.
Intel korporatsiyasi tadqiqotchilari yuqori sifatli uzluksiz lazer nurini ishlab chiqarishga qodir dunyodagi birinchi yarimo'tkazgichli chipni ishlab chiqdilar. Sakkizta lazer bitta silikon chipga birlashtirilgan.
Kremniy fotonikasi tera hisoblash davrining to'sig'i sifatida
Kremniy fotonikasi korporativ texnologiyalar guruhining tera-hisoblash tizimiga o'tishni tezlashtirish bo'yicha uzoq muddatli rivojlanish strategiyasining ajralmas qismi hisoblanadi. Gap shundaki, ulkan ishlov berish quvvatiga ega bo'lgan ko'p yadroli protsessorlar rivojlanar ekan, muhandislar yangi qiyinchiliklarga duch kelishadi. Masalan, xotira va protsessor o'rtasidagi aloqa tezligiga bo'lgan ehtiyoj tez orada mis o'tkazgichlar qo'yadigan jismoniy chegaralardan oshib ketadi va elektr signallarining tezligi protsessor tezligidan sekinroq bo'ladi. Hozir ham kuchli hisoblash tizimlarining ishlashi ko'pincha protsessor va xotira o'rtasida ma'lumot almashish tezligi bilan chegaralanadi. Hozirgi ma'lumot uzatish texnologiyalari fotonikaga qaraganda ancha past o'tkazish qobiliyatiga mo'ljallangan va ma'lumotlar uzatish masofasi oshgani sayin, uzatish tezligi yanada past bo'ladi.
«Hisoblash platformasi komponentlari o'rtasida ma'lumotlarni uzatish tezligini protsessorlar tezligiga moslashtirish kerak. Bu, albatta, juda muhim vazifadir. Biz kremniy fotonikasini bu muammoning echimi deb bilamiz va bu sohaning boshida bo'lishimizga imkon beradigan tadqiqot dasturini amalga oshirmoqdamiz ”, - dedi Intel korporatsiyasining taniqli tadqiqot muhandisi Kevin Kan.
Optik xotira modulining prototipi sinovlari shuni ko'rsatdiki, server xotirasiga kirish uchun elektrdan emas, nurdan foydalanish mumkin.
Intelning etakchi optika tadqiqotchisi Drew Alduino boshchiligidagi guruh protsessor va xotira o'rtasida optik aloqa tizimini ishlab chiqmoqda. Intel platformalari... To'liq tamponlangan FB-DIMM sinov platformasi yuklash va ishga tushirish uchun allaqachon yaratilgan Microsoft Windows... Ishlaydigan prototip - bu xotirani optik aloqa liniyalari yordamida protsessorga tizimning ishlashini yo'qotmasdan ulash imkoniyatining isboti.
Bunday echimning tijorat versiyasini yaratish foydalanuvchilar uchun katta foyda keltiradi. Optik kommunikatsiyalar xotira o'tkazuvchanligi va protsessor tezligini to'sib qo'yadi va hisoblash platformasining umumiy ish faoliyatini yaxshilaydi.
Tadqiqotdan tortib amalga oshirishgacha
Intel korporatsiyasining taniqli tadqiqot muhandisi Mario Paniccia boshchiligidagi Fotonik texnologiyalari laboratoriyasi barcha optik aloqa komponentlari - lazer, modulyator va demodulyator - mavjud ishlab chiqarish texnologiyalaridan foydalangan holda yarimo'tkazgichlardan tayyorlanishi mumkinligini isbotladi. PTL allaqachon silikon fotonikaning rekonstruktsion ko'rsatkichlarida ishlaydigan komponentlarini, shu jumladan 40 Gbit / s gacha tezlikni uzatuvchi modulyatorlar va demodulyatorlarni namoyish qildi.
Yarimo'tkazgichli fotonik texnologiyasini amalga oshirish uchun oltita asosiy komponent kerak:
- fotonlar chiqaradigan lazer;
- fotonlar oqimini hisoblash platformasi elementlari o'rtasida uzatish uchun axborot oqimiga aylantirish modulyatori;
- fotonlarni o'z manzillariga etkazish uchun "uzatish liniyalari" vazifasini bajaradigan to'lqinlar, yorug'lik signallarini birlashtirish yoki ajratish uchun multipleksorlar;
- shaxsiy kompyuterlarni ommaviy ishlab chiqarishda ishlatilishi mumkin bo'lgan yig'ish texnologiyalari va arzon echimlarni yaratish uchun ayniqsa zarur bo'lgan holat;
- axborot tashuvchi fotonlar oqimlarini qabul qilish va ularni kompyuterda qayta ishlash uchun mavjud bo'lgan elektron oqimga aylantirish uchun demodulyator;
- Ushbu komponentlarni boshqarish uchun elektron sxemalar.
%%%
Yarimo'tkazgichli texnologiyalar asosida optik aloqaning barcha komponentlarini amalga oshirish eng muhim tadqiqot muammosi sifatida tan olingan, uning echimi katta texnik yutuqlarga olib keladi. PTL allaqachon yuqori tezlikda ishlaydigan qurilmalar, modulyatorlar, kuchaytirgichlar va 40 Gbit / s gacha ma'lumotlarni uzatish tezligini ta'minlovchi demodulyatorlar bo'yicha bir qator jahon rekordlarini o'rnatdi. Keyingi besh yil ichida Intel ushbu komponentalarni haqiqiy mahsulotlarga birlashtirish yo'llarini qidiradi.
Silikon fotonikaning asosiy tarkibiy qismlaridan biri - modulyator bo'lib, u 40 Gbit / s gacha uzatish tezligini ta'minlaydi.
Yarimo'tkazgichli fotonika sohasida Intel allaqachon uy -joy maydoniga kirgan. Optik elementlarning integratsiyasi sohasidagi tadqiqotlar allaqachon ilmiy yoki texnologik rivojlanish bosqichidan tijorat mahsulotlarini yaratish bosqichiga o'tdi. Hozirgi tadqiqot guruhi ushbu inqilobiy texnologiya asosida innovatsion mahsulotlarni loyihalash imkoniyatlari va spetsifikatsiyalarini aniqlamoqda. Oxir -oqibat, Intel mutaxassislari prototiplarni yaratadilar va mahsulotni ishlab chiqish guruhlari bilan yaqindan ishlashni tezlashtiradi. yangi texnologiya.
Intel korporatsiyasi o'z faoliyatidan tashqari, CTGdan tashqari bu yo'nalishdagi eng istiqbolli tadqiqotlarni moliyalashtiradi - xususan, Santa -Barbaradagi Kaliforniya universiteti bilan gibrid yarimo'tkazgichli lazerni ishlab chiqadi. PTL laboratoriyasi, shuningdek, boshqa mamlakatlarning turli oliy o'quv yurtlarining iqtidorli bitiruvchilari uchun amaliyot o'taydi.
Intelning optika bo'yicha etakchi tadqiqotchisi Richard Jons shunday dedi: «Hozirgi vaqtda gibrid yarimo'tkazgichli lazer loyihasida bizni ikkita katta qiyinchilik kutmoqda. Birinchidan, biz Kaliforniya Universitetidan gibrid lazerlarning pilot ishlab chiqarilishini Intelga ko'chirishimiz kerak. Ikkinchidan, biz CMOS-ga mos ishlab chiqarish texnologiyasi asosida yagona optik uzatgichni yaratishimiz mumkinligini isbotlash uchun gibrid lazer, yarimo'tkazgichli modulyator va multipleksorni birlashtirishimiz kerak bo'ladi.
Kremniy fotonikasi texnologiyasini joriy etish keng miqyosda lazer ishlab chiqarish uchun yangi ishlab chiqarish jarayonlarini ishlab chiqishni o'z ichiga oladi. Intelning fotonika sohasidagi muvaffaqiyati unga potentsial raqobatchilardan ancha ustun bo'lish imkonini beradi. PTL laboratoriyasi allaqachon 150 ga yaqin patentni ro'yxatdan o'tkazgan. Nature kabi eng nufuzli nashrlar Intel mutaxassislarining misli ko'rilmagan yutuqlarini nishonladilar. Bundan tashqari, Intel kompaniyasi 2007 yilning eng yangi texnologiyasi uchun EE Times ACE mukofotini oldi.
Fotonlarni ta'qib qilish
Yarimo'tkazgichli fotonikaning elementlarini yaratish texnologiyasi mavjud, yaxshi o'rnatilgan va o'n yillar davomida tasdiqlangan tranzistorli ishlab chiqarish jarayonlaridan farqli o'laroq. Uni amalga oshirish yo'lida muayyan muammolar mavjud: qurilmalarni optimallashtirish, dizaynning ishonchliligini oshirish, sinov metodologiyasini ishlab chiqish, energiya samaradorligini ta'minlash, subminyatura qurilmalarini ishlab chiqish.
40 gigabitli silikon lazer modulyatori uchun sinov dastgohi
Optimallashtirish eng katta muammolardan biridir, chunki PTL umumiy hisoblash uchun optik qurilmalarni ishlab chiqadi. Boshqa shunga o'xshash mahsulotlar, standartlar yoki boshqa ko'rsatkichlar bo'lmaguncha, texnologik muhandislar kompyuter dasturlarining ehtiyojlariga eng mos keladigan echimlarni izlaydilar.
Hozirgi vaqtda fotoelektronika jihatidan nisbatan kichik bo'lgan PTL tadqiqot guruhi asta -sekin yarimo'tkazgichli fotonik echimlarni tijoratlashtirishga o'tmoqda va bu aql bovar qilmaydigan texnologiyaning ommaviy qabul qilinishi 2010 yil boshlanishini kutmoqda. Viktor Krutul boshchiligida u ilovalarni ishlab chiqadi. yangi texnologiyaning paydo bo'lishi uchun zamin yaratadi. "Bizning fikrimizcha, optik aloqa o'rnatilishi bilan Intel mahsulotlari Mur qonuniga amal qilishda davom etadi", - deydi Krutal.
Elektronlar emas, balki fotonlar bitta hisoblash platformasi komponentlari o'rtasida va turli tizimlar o'rtasida ma'lumot uzatish uchun ishlatilganda, boshqa kompyuter inqilobi sodir bo'ladi. Butun dunyodagi etakchi elektronika ishlab chiqaruvchilari raqobatbardoshlikni qo'lga kiritish uchun musobaqaga qo'shilishdi. Yangi texnologiyaning ahamiyatini integral mikrosxemalar ixtirosi bilan solishtirish mumkin. Intel yarimo'tkazgichli fotonikaga asoslangan komponentlarni tadqiq qilish va rivojlantirishda etakchi hisoblanadi.
IBM silikon fotonikada birinchi to'liq integratsiyalangan multipleksli chip bilan yutuqni e'lon qildi. Yangi qurilma individual chiplarning bir -biri bilan elektromagnit to'lqinlar emas, balki optik yordamida muloqot qilishiga imkon beradi, bu esa tarmoqli kengligini sekundiga 100 Gb yoki undan ko'pgacha oshiradi. Bu mikrosxemalar bitta kremniyli qolipga o'rnatilgan va optik texnologiyalarni mikro-miqyosda uzoq muddat qabul qilishda hal qiluvchi ahamiyatga ega. Lekin nima uchun IBM va Intel kabi kuchli kompaniyalar o'nlab yillar davomida kremniy fotonikasini o'rganishdi?
Nazariy jihatdan, kremniy fotonikasi mis konnektorlardan doimiy foydalanish bilan bog'liq ko'plab jiddiy muammolarni hal qila oladi. Mis simining asosiy muammolaridan biri shundaki, uni boshqa muhim qismlar kabi faol ravishda o'lchab bo'lmaydi. zamonaviy protsessor... Muayyan nuqtadan so'ng, mis simining ishlashini va / yoki saqlash muddatini buzmasdan, uni yanada qisqartirish jismonan imkonsizdir. Nazariy jihatdan, optik ulanishlar kamroq quvvat ishlatganda ma'lumotlarni tezroq uzatishi mumkin. Bundan tashqari, ko'pgina kompaniyalar, silikon fotonikasi exacale hisoblash quvvatiga ega superkompyuterlarni yaratish uchun zarur deb hisoblaydilar.
Afsuski, kremniy optik qurilmalar uchun kambag'al muhitdir, chunki ishlab chiqarish ko'lami juda xilma -xil (optik to'lqinlar va boshqa komponentlar CMOS kremniyidan ancha katta), shuning uchun optik elementlarni mavjud CMOS -ga samarali va arzon tarzda birlashtira oladigan muhandislik echimlari yo'q. masalan, gallium arsenidi kabi qimmat bo'lmagan muqobil materiallardan ko'ra kremniy. Endi kompaniya silikon fotonik texnologiyasi yordamida yaratilgan chiplarni to'g'ridan -to'g'ri protsessor moduliga qo'yishga muvaffaq bo'ldi.
Silikon fotonika bo'yicha Intel taqdimotining grafigi ishlab chiqaruvchilar erishmoqchi bo'lgan quvvat sarfini ham ko'rsatadi. Silikon fotonikaning uzoq muddatli rejalari mis ulanishlar uchun mavjud bo'lmagan tarmoqli kengligi va energiyani taklif qiladi.
O'nlab yillar davom etgan ishlardan so'ng, kremniy fotonikasi qog'ozda yaxshi ko'rinadigan, lekin amalda mukammal bo'lgan boshqa aqldan ozgan g'oya bo'lib tuyulishi mumkin, lekin taraqqiyot to'xtamayapti va IBM, Intel yoki HP kabi etakchi kompaniyalar texnologiyani tijorat darajasida chiqara olmaydi. yaqin kelajakda ilmiy laboratoriyalarda, superkompyuterlarda va ma'lumotlar markazlarida ilovalarni topish ehtimoli bor.
Bahor keldi ... Shu bilan quyoshli Kaliforniyada yiliga ikki marta o'tkaziladigan va dunyoning boshqa shaharlariga (va yaqinda Rossiyada) muntazam tashrif buyuradigan navbatdagi Intel Dasturchilar Forumi (IDF) vaqti keldi. Bundan tashqari, bahor kirib keladi bu ish San -Frantsiskoda ID 1 -martdan 3 -martga qadar Moscone West -ning ulkan konferentsiya markazida o'tkaziladigan so'zlar uchun emas.
haqiqatan ham hozir iliq, daraxtlar va butalar gullab -yashnamoqda, bahor xushbo'y hidi cho'kib ketgan, yomg'ir bo'lmasa, mahalliy aholi ko'ylakda yoki yengil kurtkada ko'chalarda yurishadi. Qorli Moskvadan kelgan bu quvnoq fonda, kun bo'yi konferents -zallar va matbuot xonalarida o'tirish, bir necha ming tashrif buyuruvchilar va ID tashkilotchilari o'rtasida ko'rgazma zallarida va yonida o'tirish oson emas edi. Agar ba'zida sizga ulkan qismlar tushsa, sizni dam olmasdan qoldiradi. Hatto men ham Intel markaziy forumlarining doimiy tashrifchisi (shunga o'xshash mavzudagi boshqa ko'rgazmalar va konferentsiyalar kabi), xuddi shunga o'xshash voqealardan charchaganman va ularni deyarli Gollivudning boshqa blokbasteri kabi qabul qilganman. Ma'lum klişe, uni tashkilotchilari ID ishtirokchilari uchun tayyorlagan yangiliklarni tez -tez hayratda qoldirishi kerak. Hayron qoling va hatto joylarga qoyil qoling ...
Bizning doimiy o'quvchilarimiz, ehtimol, Intel Developer Forum nima ekanligini va "nima bilan iste'mol qilinishini" tushuntirishga hojat yo'q. Ko'p yillar davomida Intel korporatsiyasi va uning AT -do'konidagi eng yaqin do'stlari tomonidan muntazam o'tkaziladigan ushbu tadbir o'zining individual xususiyatlariga ega bo'lib, uni har xil kompyuter ko'rgazmalaridan ajratib turadi (CeBIT, Computex, Comdex yoki CES, bu erda yuzlab va minglab ishlab chiqaruvchilar. IT mahsulotlari o'z yutuqlari bilan maqtanishadi, ularni yanada foydali sotish uchun) va yirik jahon ilmiy -texnik konferentsiyalaridan (masalan, Material Research Society Meeting, IEEE va boshqalar), bu erda dunyoning yuzlab etakchi institutlari va tadqiqot laboratoriyalari so'nggi ilmiy kashfiyotlar, ixtirolar va texnologiyalar to'g'risida hisobot, ularni amalga oshirish ko'p yillar davomida hal qilinishi kerak). Menimcha, ID, birinchisiga qaraganda, ikkinchisiga yaqinroq. Intel har yili tadqiqot va ishlanmalarga 4 milliard dollardan ko'proq mablag 'sarflaganligi sababli, IDF hozirgi bozorga tayyor mahsulotlarni (mikroprotsessorlar, platformalar va boshqalar) namoyish etishga harakat qilmoqda.
kelgusi yillarda u rivojlanadigan vektor haqida sanoatni qancha xabardor qilish kerak. Korporatsiya o'z sheriklari va boshqa IT-ishlab chiquvchilari bilan birgalikda joriy qilayotgan joriy va kelajakdagi texnologiyalarni ommaga oshkor qilish, yangi tadqiqotchilar va muhandislarni jalb qilish (ya'ni "ishlab chiquvchilar", forum deb ataladi) va ehtimol texnik-iqtisodiy asoslarini muhokama qilish. butun IT -hamjamiyatda ma'lum qadamlar. Va, albatta, "ko'rgazma va sotish" tuvali ham ma'lum darajada IDFda mavjud bo'lsa -da, eng qimmatli va qiziqarli, menimcha, aynan uning tadqiqot va texnologik qismi.
Shunday qilib, 28 fevral kuni dunyoning etakchi matbuoti va tahlilchilari uchun o'tkazilgan IDning "nol" kuni bir nechta kutilmagan hodisalarni taqdim etdi. Forumning o'zi.
Silikon nanotexnologiyasi: 20 yil oldinga qarab
Birinchi nol kunlik hisobotda, hisoblash qurilmalarini ishlab chiqarish uchun kremniy texnologiyasi yaqin o'n yilliklar ichida qanday rivojlanishi mumkinligi va rivojlanishi haqida so'z yuritildi. Nanotexnologiya sohasidagi ilmiy tadqiqotlar va ularni sanoat miqyosida amaliyotda tatbiq etishning hayajonli tafsilotlari bunday oddiy xabarni qo'llab-quvvatlamasa, buni qisqacha va ibtidoiy tarzda "Mur qonunini 20 yil oldin oqlash" deb atash mumkin. Taqdimotni Intel texnologiya strategiyasi va Intel nanotexnologiyasi tadqiqotlari direktori Paulo Gargini (rasmda) taqdim etdi.
Bir soatdan ko'proq taqdimot juda tez sur'atda bo'lib o'tdi, bu esa bir soniya ham o'ziga kelishiga va u yoki bu slaydni xotirjamlik bilan aks ettirishiga imkon bermadi. Ko'rinib turibdiki, uni batafsil o'qish ba'zi o'quvchilarimiz uchun foydali bo'ladi. Ammo bu juda ko'p joyni egallaydi (yuzga yaqin "jiddiy" slaydlar bor, ularning har biriga hali ko'p sharhlar qo'shiladi). Men, menimcha, faqat eng qiziqarli daqiqalarni qayd etaman, ayniqsa men va mening hamkasblarim avvalgi IDning natijalari va so'nggi "texnologik yutuqlar" haqidagi maqolamizda mavjud bo'lgan ba'zi tafsilotlarni tasvirlab berganimiz uchun. "Intel tomonidan. Men ushbu materialni batafsilroq, ehtimol boshqa safar taqdim etaman.
So'nggi 40 yil ichida kremniy chiplaridagi elementlar soni har ikki yilda doimiy ravishda ikki baravar ko'payib bordi va chipdagi bitta tranzistorning narxi bir xil darajada kamaydi.
Taxminan 10 yil oldin, olimlar 100 nanometrli qurilmalarga o'tishda katta muammolarni bashorat qilishgan edi, lekin, xayriyatki, bunday bo'lmadi va hozirda sanoat rahbarlari boshqasiga tekis CMOS tranzistorli an'anaviy kremniy texnologiyasini rivojlantirish istiqbollarini yaxshi o'rganib chiqishdi. Kelgusi 10 yil (qarang. Slayd).
Printsipial jihatdan yangi elektron qurilmalarga bo'lgan ehtiyoj faqat 2013 yilga kelib, hozirgi qurilmalarni miniatyuralash imkoniyatlari tugagach paydo bo'ladi.
Yangi kremniyli qurilmalar orasida ko'p darvozali (masalan, uch eshikli) nanotransistorlar, to'liq darvoza bilan o'ralgan silikon nanotubkalarga asoslangan qurilmalar va kvazibalistik transportga ega qurilmalar ko'rib chiqiladi.
Uzoqroq nuqtai nazardan, uglerodli nanotubalar diametri bir necha nanometrga teng bo'lib, ular tuzilishiga qarab metall yoki yarimo'tkazgich vazifasini bajarishi mumkin. InSb heterostrukturalariga asoslangan qurilmalar (o'ziga xos yuqori harakatchanlik bilan) nanoelektronika uchun qiziqish uyg'otadi, slaydga qarang.
Ammo 2020 yildan keyin nima bo'ladi, CMOS texnologiyasi atomizatsiya chegarasiga etib, miniatyuralash imkoniyatlarini tugatadi?
Shunda, ehtimol, spintronik elementar zarrachalarning magnit momentlari bilan ishlay boshlaydi:
Ba'zi odamlar kvant kompyuterlari haqida ham gapirishadi. Bu orada CMOS texnologiyasi tirik va Mur qonuni kamida 15-20 yil davomida o'z kuchida qoladi.
Silikon fotonikasi: yangi yutuq
IDning nolinchi kunidagi yana bir qiziqarli voqea - bu Intel -da kremniy chipida yaratilgani haqidagi suhbat. Qat'iy aytganda, bu yangilik IDFdan bir necha kun oldin butun dunyoga tarqaldi (17 -fevralda Nature -da tegishli maqola va korporatsiyaning press -relizi), lekin bu erda yangi qurilmaning asosiy ishlab chiqaruvchilari shu paytgacha ko'pchilikka ochiq bo'lishdi. noma'lum tafsilotlar va tomoshabinlarga bunday lazerli ko'plab kristallarni ko'rsatdi. Masalan, bu fotosuratda (muallifning surati) kristall bir vaqtning o'zida 8 ta shunday lazerni o'z ichiga oladi.
Tafsilotlarga to'xtalmasdan, shuni ta'kidlaymizki, kremniyda bunday lazerni yaratish uchun Intel olimlari muhim muammoni-"ikki fotonli yutilish" ni hal qilishlari kerak edi, bu ilgari kremniyda uzluksiz lazer yaratilishiga to'sqinlik qilgan.
Kremniyni lazer yaratish va infraqizil nurlanishni ko'paytirish uchun material sifatida ishlatish (gigant, taxminan 20000 marta Raman effekti tufayli),
Ilgari, bu muammoli edi, chunki Raman daromadi yuqori quvvatli nasos bilan to'yinganlikka erishdi va to'yinganlikda olingan quvvat cw lazerini yaratish uchun etarli emas edi.
Gap shundaki, bitta infraqizil fotonning (yorug'lik kvantining) energiyasi, to'qnashuv sodir bo'lganda, kremniy kristalli panjara atomidan elektronni urib chiqarish uchun etarli emas. Ammo, agar bir vaqtning o'zida ikkita foton atom bilan to'qnashsa (bu tez -tez lazer tashqi nurlanish bilan kuchli pompalanganda sodir bo'ladi), atomning ionlanishi mumkin bo'ladi va kremniydagi erkin elektronlar fotonlarni o'zlariga singdira boshlaydi va shu bilan Ramanning yanada kuchayishiga to'sqinlik qiladi. . Muammo optik kanal bo'ylab p-i-n-tuzilmasini yaratish yo'li bilan hal qilindi (mos ravishda silikonli ochilmagan optik kanalning yon tomonida teshikli va elektron o'tkazuvchanli silikon hududlar, rasmga qarang).
Kremniyning p va n hududlari o'rtasida elektr tarafkashlikni qo'llash orqali, "ikki fotonli" erkin elektronlar optik kanal hududidan samarali ravishda olib tashlanishi mumkin, shu bilan silikonda Raman daromadini sezilarli darajada oshiradi va lazer lazerini yaratadi.
Bu yechim asosida ikkita muhim optik qurilmani to'g'ridan -to'g'ri bitta kremniy kristalida - kuchaytirgich va signal modulyatorida yaratish mumkin.
Shuningdek, ko'zgu kaskadlari yordamida (to'g'ridan -to'g'ri kremniyda joylashgan) ko'p to'lqinli optik aloqa kanallari va turli xil ilovalar uchun ixcham lazerlar yasash.
Intel Photonic Technology Laboratoriyasi direktori Mario Paniccia qo'lida yangi CW kremniyli lazerli qolip (o'ngda) va an'anaviy qimmat Raman optik kuchaytirgichi (chapda):
Intel xodimlarining bu yutug'i silikon fotonikani rivojlantirish va uni an'anaviy mikroelektronikada yanada tatbiq etish uchun yangi ufqlarni ochadi.