Silīcija fotonika kā alternatīva vara starpsavienojumiem. Ziņu un analītiskais portāls "elektronikas laiks" Silīcija fotonika

Silīcija fotoniskā mikroshēma, kas ir desmit gadu pētījumu rezultāts, spēj pārraidīt datus, izmantojot gaismas impulsus ar ātrumu līdz 100 Gbps. Pārbaudes laikā pārraides attālums sasniedza divus kilometrus.

Gaisma ļauj pārsūtīt datus ātrāk nekā vara kabeļi, kas savieno uzglabāšanas sistēmas, tīkla iekārtas un serverus apstrādes centros. Silīcija fotoniskā mikroshēma dos iespēju savienot nākamo paaudžu serverus un superdatorus ar ātrgaitas optiskās šķiedras savienojumiem, kuros starp skaitļošanas mezgliem jāpārsūta milzīgi datu apjomi.

IBM izstrādā savu tehnoloģiju, domājot par datu centriem, un nav sagaidāms, ka tā drīzumā kļūs par personālajiem datoriem vai rokas ierīcēm, sacīja Vilfirds Henšs, IBM silīcija fotonikas nodaļas vecākais vadītājs.

Silīcija fotonikas tehnoloģijām ir potenciāls būtiski mainīt veidu, kā serveri tiek izvietoti datu centros, jo tās spēj atdalīt apstrādes, atmiņas un uzglabāšanas vienības vienu no otras. Šīs atsaistes rezultātā lietojumprogrammas varēs darboties ātrāk, un komponentu izmaksas tiks samazinātas, apvienojot ventilatorus un barošanas avotus.

Sakarā ar pieaugošo mašīnmācīšanās sistēmu un lielo datu apstrādes izmantošanu, mūsdienās pieaug pieprasījums pēc serveru skaitļošanas jaudas. Izmantojot optiskos starpsavienojumus, desmitiem procesoru varētu sazināties vienā servera plauktā, tādējādi atvieglojot uzdevumu sadali vairāku mezglu apstrādei, saka Ričards Dohertijs, The Envisioneering Group pētniecības direktors.

Viņš piebilda, ka ar optiskajiem starpsavienojumiem serverus, tāpat kā diskus, var viegli nomainīt bez pārtraukuma, pamatojoties uz skaitļošanas jaudas vajadzībām.

Gaismu jau izmanto tālsatiksmes datu pārraidei sakaru tīklos, taču optiskās šķiedras tehnoloģija nav lēta. Optiskos kabeļus atbalsta arī Thunderbolt interfeiss, kas tiek izmantots Mac un personālajos datoros ātrgaitas datu apmaiņai ar perifērijas ierīcēm.

IBM silīcija fotonikas tehnoloģija ir lētāka un ar mazāku diapazonu nekā telekomunikāciju tīkla optiskā iekārta, saka Henšs.

Intel arī izveidoja silīcija-fotoniskās mikroshēmas datu centriem, taču korporācija nespēja ievērot paziņotos izlaišanas datumus. IBM, iespējams, nav pirmais, kas piedāvā silīcija-fotonisko raidītāju, taču tā tehnoloģija ir dzīvotspējīgāka un mazāk sarežģīta nekā Intel, uzskata Dohertijs.

Pēc viņa teiktā, IBM mikroshēma ir vieglāk un lētāk izgatavojama un tai ir vienkārša uzbūve, savukārt Intel risinājumam ir nepieciešami papildu fiziskie komponenti.

Pats Intel gan apgalvo, ka tā optiskie moduļi ir integrēti un tiem ir priekšrocības testēšanas un izmaksu ziņā.

Abu uzņēmumu mikroshēmas pārraida datus pilnīgi dažādos veidos, un katrai no tām ir savas priekšrocības. IBM mikroshēma ir paredzēta četru dažādu viļņu garumu kanālu pārnešanai pa vienu šķiedru, savukārt Intel tehnoloģija ir mērogojamāka, ļaujot kabelī ievietot vairāk vadu, sacīja Dohertijs.

Intel ir MXC optiskie kabeļi ar līdz 64 kodoliem, katrs ar pārraides ātrumu 25 Gbps. Taču šķiedru skaita palielināšana var būt dārga, un IBM viena kodola opcija var apmierināt daudzu datu centru ātruma un attāluma prasības par zemākām izmaksām, piebilda Dohertijs.

IBM neteica, kad tās silīcija fotoniskās mikroshēmas varētu nonākt tirgū.

Ir pienācis pavasaris... Un līdz ar to nāk laiks nākamajam Intel izstrādātāju forumam (IDF), kas notiek divas reizes gadā saulainajā Kalifornijā un regulāri apmeklē citas pasaules pilsētas (pavisam nesen Krievijā). Turklāt pavasaris šajā gadījumā atnāca ne tikai vārdu dēļ – Sanfrancisko, kur IDF atkal notiek no 1. līdz 3. martam milzīgajā Moscone West konferenču centrā,

Šobrīd ir patiešām silts, koki un krūmi zied, izdalot pavasara smaržas, un vietējie staigā pa ielām kreklos vai vieglās jakās, ja nelīst. Uz šī dzīvespriecīgā fona, lidojot no sniegotās Maskavas, nebūtu tik viegli visu dienu sēdēt konferenču telpās un preses telpās, grūstoties starp vairākiem tūkstošiem apmeklētāju un IDF organizatoru skatēs un malās. Ja vien nebūtu tā reizēm unikālā un aizraujošā informācija, kas tev birst milzīgās porcijās, neatstājot ne mirkli miera. Pat es, regulārs centrālo Intel forumu (kā arī daudzu citu izstāžu un konferenču par līdzīgām tēmām apmeklētājs), kuram šādi notikumi, šķiet, ir apnikuši un uztveru tos gandrīz kā kārtējo Holivudas grāvēju, kas labi veidots pēc sen zināmiem klišejas, bieži vien ir jābrīnās par jaunu produktu plūsmu, ko tās organizatori ir sagatavojuši IDF dalībniekiem. Vietām pārsteigt un pat apbrīnot...

Iespējams, mūsu pastāvīgajiem lasītājiem nav jāskaidro, kas ir Intel izstrādātāju forums un “ar ko viņi to ēd”. Šim pasākumam, ko daudzus gadus regulāri rīko Intel Corporation un tās tuvākie draugi IT darbnīcā, ir savas individuālās īpašības, kas to atšķir no dažādām datoru izstādēm (piemēram, CeBIT, Computex, Comdex vai CES, kur simtiem un tūkstošiem IT produktu ražotāju lielīties ar saviem sasniegumiem, lai tos pārdotu izdevīgāk), kā arī no lielākajām pasaules zinātniskajām un tehniskajām konferencēm (piemēram, Material Research Society Meeting, IEEE un citām līdzīgām konferencēm, kurās simtiem pasaules vadošo institūtu un pētniecības laboratoriju ziņo par jaunākajām zinātnes jomām). atklājumi, izgudrojumi un tehnoloģijas, ieviešana, kas vēl jāpēta vēl daudzus gadus). Manuprāt, IDF joprojām ir tuvāk pēdējam nekā pirmajam. Tā kā Intel, kas pētniecībai un attīstībai ik gadu tērē vairāk nekā 4 miljardus ASV dolāru, IDF cenšas demonstrēt ne tik daudz pašreizējos un pārdošanai gatavus produktus (mikroprocesorus, platformas utt.),

cik daudz pateikt nozarei vektoru, kādā tā attīstīsies turpmāko gadu laikā. Publicēt atklātībā esošās un nākotnes tehnoloģijas, kuras korporācija ievieš kopā ar saviem partneriem un citiem IT izstrādātājiem, piesaistīt jaunus pētniekus un inženierus (tas ir, foruma nosaukumā "izstrādātājus") un, iespējams, apspriest atsevišķu soļi visā IT kopienā. Un, lai gan, protams, zināmā mērā ir klātesošs arī “izstādes un pārdošanas” aprises IDF, visvērtīgākā un interesantākā, manuprāt, tajā ir pētnieciskā un tehnoloģiskā daļa.

Tātad pašreizējā IDF “nulles” diena, kas notika 28. februārī vadošajai presei un analītiķiem no visas pasaules, sagādāja vairākus pārsteigumus, par kuriem es mēģināšu runāt šajā ziņojumā, kas ir pirms stāsta par forumu. pati par sevi.

Silīcija nanotehnoloģijas: skats 20 gadus uz priekšu

Pirmajā nulles dienas ziņojumā tika apspriesti veidi, kā silīcija tehnoloģija skaitļošanas ierīču ražošanai var attīstīties un attīstīsies nākamajās desmitgadēs. Īsi un primitīvi to varētu saukt par "Mūra likuma attaisnojumu 20 gadiem nākotnē", ja šādu šķietami banālu vēstījumu neatbalstītu elpu aizraujošās zinātniskās izpētes detaļas nanotehnoloģiju jomā un to ieviešana praksē rūpniecībā. - mēroga tehnoloģijas. Ar ziņojumu iepazīstināja Intel tehnoloģiju stratēģijas un Intel nanotehnoloģiju pētniecības direktors Paulo Gargini (attēlā).

Vairāk nekā stundu garā prezentācija noritēja ļoti ātrā tempā, neļaujot nevienam ne mirkli atjēgties un mierīgi pārdomāt to vai citu slaidu. Acīmredzot dažiem mūsu domīgajiem lasītājiem noderētu tās detalizēts pārstāsts. Taču tas aizņemtu nenormāli daudz vietas (šie ir aptuveni simts “nopietni” slaidi, katram no kuriem vēl jāpievieno daudz komentāru). Tāpēc es atzīmēšu tikai dažus, manuprāt, interesantākos punktus, jo īpaši tāpēc, ka dažas no tajā esošajām detaļām es un mani kolēģi jau aprakstīju mūsu rakstos, pamatojoties uz iepriekšējo IDF rezultātiem un nesenajiem “tehnoloģijas sasniegumiem Intel. Šo materiālu izklāstīšu sīkāk, varbūt citreiz.

Pēdējo 40 gadu laikā elementu skaits silīcija mikroshēmās ir nepārtraukti turpinājis dubultoties ik pēc diviem gadiem, un viena tranzistora izmaksas mikroshēmā ir samazinājušās tādā pašā tempā.

Apmēram pirms 10 gadiem zinātnieki prognozēja lielas problēmas pārejā uz 100 nanometru ierīcēm, taču, par laimi, tas nenotika, un tagad nozares līderiem ir labi izpētītas perspektīvas tradicionālās silīcija tehnoloģijas attīstībai ar plakaniem CMOS tranzistoriem vēl 10 gadi (sk. slaidu).

Nepieciešamība pēc principiāli jaunām elektroniskām ierīcēm radīsies tikai līdz 2013. gadam, kad līdzšinējo ierīču miniaturizācijas iespējas būs praktiski izsmeltas.

Starp jaunajām aplūkotajām silīcija ierīcēm ir vairāku vārtu (piemēram, trīsvārtu) nanotranzistori, ierīces, kuru pamatā ir silīcija nanocaurules, kuras pilnībā ieskauj vārti, kā arī ierīces ar kvazibalistisku transportu.

Ilgākā termiņā tiek apsvērtas arī oglekļa nanocaurules ar vairāku nanometru diametru, kas atkarībā no to struktūras var darboties kā metāls vai pusvadītājs. Ierīces, kuru pamatā ir InSb heterostruktūras (ar unikāli augstu mobilitāti), ir interesantas nanoelektronikai, skatīt slaidu.

Bet kas notiks pēc 2020. gada, kad CMOS tehnoloģija izsmēs savas miniaturizācijas iespējas, sasniedzot atomu robežu?

Tad, iespējams, spēlēs spintronika - darbojoties ar elementārdaļiņu magnētiskajiem momentiem:

Daži cilvēki runā arī par kvantu datoriem. Pagaidām CMOS tehnoloģija ir dzīva, un Mūra likums paliks spēkā vēl vismaz 15-20 gadus.

Silīcija fotonika: jauns sasniegums

Vēl viens interesants notikums no šīs IDF 0. dienas bija ziņojums par , kas izveidots uz silīcija mikroshēmas uzņēmumā Intel. Stingri sakot, ziņa par to izplatījās visā pasaulē dažas dienas pirms IDF (17. februārī tika publicēts atbilstošs raksts Nature un korporācijas preses relīze), taču šeit galvenie jaunās ierīces izstrādātāji publiski dalījās ar daudziem līdz šim. nezināmas detaļas un ar šādiem lāzeriem demonstrēja skatītājiem daudzus kristālus. Piemēram, šajā fotogrāfijā (autora foto) kristālā ir uzreiz 8 šādi lāzeri.

Neiedziļinoties detaļās, mēs atzīmējam, ka, lai izveidotu šādu lāzeru uz silīcija, Intel zinātniekiem bija jāatrisina svarīga problēma - tā sauktā "divu fotonu absorbcija", kas iepriekš neļāva izveidot nepārtrauktu lāzeru uz silīcija.

Silīcija kā materiāla izmantošana lāzera radīšanai un IR starojuma daudzkārtējai pastiprināšanai (pateicoties gigantiskajam, aptuveni 20 000 reižu vairāk nekā Ramana efektam),

Iepriekš tas bija problemātiski, jo Ramana pastiprinājums bija piesātināts ar spēcīgu sūknēšanu, un piesātinājuma laikā iegūtā jauda nebija pietiekama, lai izveidotu nepārtrauktu lāzeru.

Fakts ir tāds, ka viena infrasarkanā fotona (gaismas kvanta) enerģija nav pietiekama, lai pēc sadursmes ar silīcija kristāla režģa atomu no tā izsistītu (atbrīvotu) elektronu. Taču, ja divi fotoni uzreiz saduras ar atomu (kas bieži notiek, kad lāzeru intensīvi sūknē ārējais starojums), tad kļūst iespējama atoma jonizācija, un silīcijā esošie brīvie elektroni paši sāk absorbēt fotonus, tādējādi novēršot tālāku Ramana pastiprināšanos. . Problēma tika atrisināta, izveidojot tā saukto p-i-n struktūru gar optisko kanālu (silīcija reģioni ar caurumu un elektronu vadītspēju attiecīgi neleģētā optiskā kanāla malās silīcijā, sk. attēlu).

Izmantojot elektrisko novirzi starp silīcija p- un n-reģioniem, “divu fotonu” brīvos elektronus var efektīvi noņemt no optiskā kanāla apgabala, tādējādi ievērojami palielinot Ramana pastiprinājumu silīcijā un radot nepārtrauktu viļņu lāzeru.

Pamatojoties uz šo risinājumu, ir iespējams izveidot divas svarīgas optiskās ierīces tieši uz viena silīcija kristāla - pastiprinātāju un signāla modulatoru.

Un arī, izmantojot spoguļu kaskādes (kas atrodas tieši uz silīcija), lai izgatavotu vairāku viļņu garumu optiskos sakaru kanālus un kompaktus lāzerus dažādiem lietojumiem.

Intel Photonic Technology Lab direktora Mario Paniccia rokās ir jauns nepārtraukta viļņa silīcija lāzera kristāls (pa labi) un tradicionāls dārgs Raman optiskais pastiprinātājs (pa kreisi):

Šis Intel darbinieku sasniegums paver jaunus apvāršņus silīcija fotonikas attīstībai un tās tālākai ieviešanai tradicionālajā mikroelektronikā.

Saskaņā ar Intel korporatīvo tehnoloģiju grupas vadītāja un tehnoloģiju nodaļas vadītāja Džastina Ratnera teikto: “Mēs esam empīriski pierādījuši, ka ražošanas tehnoloģijas, kas ir saderīgas ar CMOS silīcija dizainu, ļauj izveidot pusvadītāju optiskās ierīces. Šī fakta pierādīšana bija milzīgs sasniegums, taču ne mazāk nozīmīgi soļi ir nepieciešami šī tehnoloģiskā virziena tālākai attīstībai. Tagad mums jāiemācās, kā integrēt silīcija fotonikas ierīces standarta datora komponentos; Mēs joprojām nezinām, kā to izdarīt. Taču tajā pašā laikā turpinām aktīvi strādāt ar dažāda veida produktu izstrādē iesaistītajām nodaļām, lai piedāvātu ražotājiem modeļus pusvadītāju fotonikas izmantošanai Intel risinājumos.

Intel pētnieki ir izstrādājuši pasaulē pirmo pusvadītāju mikroshēmu, kas spēj radīt augstas kvalitātes nepārtrauktus lāzera starus. Astoņi lāzeri ir integrēti vienā silīcija mikroshēmā.

Silīcija fotonika kā līdzeklis, lai novērstu vājās vietas ceļā uz tera skaitļošanas laikmetu

Silīcija fotonika ir būtiska Corporate Technology Group ilgtermiņa attīstības stratēģijas sastāvdaļa, kuras mērķis ir paātrināt pāreju uz tera skaitļošanu. Fakts ir tāds, ka, attīstoties daudzkodolu procesoriem ar milzīgu skaitļošanas jaudu, inženieriem rodas jaunas problēmas. Piemēram, pieprasījums pēc saziņas ātruma starp atmiņu un procesoru drīz pārsniegs fiziskos ierobežojumus, ko uzliek vara vadītāji, un elektrisko signālu pārraides ātrums kļūs lēnāks par procesora ātrumu. Jau tagad jaudīgu skaitļošanas sistēmu veiktspēju bieži ierobežo datu apmaiņas ātrums starp procesoru un atmiņu. Mūsdienu datu pārraides tehnoloģijas ir paredzētas daudz mazākam joslas platumam salīdzinājumā ar fotoniku, un, palielinoties attālumam, kurā dati tiek pārraidīti, pārraides ātrums kļūst vēl lēnāks.

“Ir nepieciešams saskaņot datu pārraides ātrumu starp skaitļošanas platformas komponentiem ar procesoru ātrumu. Tas patiešām ir ļoti svarīgs uzdevums. Mēs uzskatām, ka silīcija fotonika ir šīs problēmas risinājums, un mēs īstenojam pētniecības programmu, kas mūs pozicionē šīs jomas priekšgalā,” sacīja Intel Corporation izcilais pētniecības inženieris Kevins Kāns.

Optiskās atmiņas moduļa prototipa testi ir parādījuši, ka, lai piekļūtu servera atmiņai, var izmantot gaismu, nevis elektrību.

Intel vadošā optikas pētnieka Drū Alduino vadītā komanda izstrādā optiskā procesora-atmiņas sakaru sistēmu Intel platformām. Testēšanas platforma jau ir izveidota, pamatojoties uz pilnībā buferētu FB-DIMM atmiņu, kurā tiek palaists un palaists Microsoft Windows. Pašreizējais prototips ir pierādījums spējai savienot atmiņu ar procesoru, izmantojot optiskās sakaru līnijas, neapdraudot sistēmas veiktspēju.

Šāda risinājuma komerciālas versijas izveide lietotājiem sniedz milzīgas priekšrocības. Optiskās sakaru sistēmas novērsīs vājās vietas, kas saistītas ar atmiņas joslas platuma un procesora ātruma atšķirībām, un uzlabos skaitļošanas platformas vispārējo veiktspēju.

No izpētes līdz ieviešanai

Fotonikas tehnoloģiju laboratorija, ko vada Intel izcilais pētniecības inženieris Mario Paniccia, ir pierādījis, ka visus optisko sakaru komponentus — lāzeru, modulatoru un demodulatoru — var izgatavot no pusvadītājiem, izmantojot esošās ražošanas tehnoloģijas. PTL jau ir demonstrējis kritiskos silīcija fotonikas komponentus, kas darbojas ar rekordlielu veiktspēju, tostarp modulatorus un demodulatorus, kas nodrošina datu pārraides ātrumu līdz 40 Gbps.

Lai ieviestu pusvadītāju fotonikas tehnoloģiju, ir nepieciešami seši galvenie komponenti:

lāzeru izstarojoši fotoni;
modulators fotonu plūsmas pārvēršanai informācijas plūsmā pārraidei starp skaitļošanas platformas elementiem;
viļņvadi, kas darbojas kā “pārraides līnijas”, lai nogādātu fotonus uz galamērķi, un multipleksori gaismas signālu apvienošanai vai atdalīšanai;
korpuss, īpaši nepieciešams, lai radītu montāžas tehnoloģijas un zemu izmaksu risinājumus, kas izmantojami personālo datoru masveida ražošanā;
demodulators, lai uztvertu fotonu plūsmas, kas nes informāciju, un pārveidotu tās atpakaļ elektronu plūsmā, kas pieejama apstrādei ar datoru;
elektroniskās shēmas šo komponentu vadīšanai.

%%%
Jautājums par visu šo optisko sakaru komponentu ieviešanu, izmantojot pusvadītāju tehnoloģijas, ir plaši atzīts par lielu pētniecības problēmu, kuras risināšana radīs milzīgu tehnisku izrāvienu. PTL jau ir uzstādījis vairākus pasaules rekordus, izstrādājot augstas veiktspējas ierīces, modulatorus, pastiprinātājus un demodulatorus, kas nodrošina datu pārraides ātrumu līdz 40 Gbps. Nākamo piecu gadu laikā Intel centīsies integrēt šos komponentus faktiskajos produktos.

Viena no galvenajām silīcija fotonikas sastāvdaļām ir modulators, kas nodrošina pārraides ātrumu līdz 40 Gbit/s.

Pusvadītāju fotonikas jomā Intel jau ir iegājis mājas posmā. Pētījumi optisko elementu integrācijas jomā jau ir pārgājuši no zinātnes vai tehnoloģiju attīstības stadijas uz komerciālu produktu radīšanas posmu. Pētnieku komanda tagad koncentrējas uz iespēju un specifikāciju noteikšanu inovatīvu produktu izstrādei, pamatojoties uz šo revolucionāro tehnoloģiju. Galu galā Intel komandas izveido prototipus un cieši sadarbojas ar produktu izstrādes komandām, lai paātrinātu jaunu tehnoloģiju ieviešanu.

Papildus savām darbībām Intel Corporation finansē dažus no daudzsološākajiem pētījumiem šajā virzienā ārpus CTG - jo īpaši tā sadarbojas ar Kalifornijas Universitāti Santabarbarā, kas izstrādā hibrīda pusvadītāju lāzeru. PTL laboratorijā stažējas arī talantīgi absolventi no dažādām augstskolām no citām valstīm.

Intel vadošais optikas pētnieks Ričards Džonss sacīja: “Pašreizējā hibrīda pusvadītāju lāzera projektā mēs saskaramies ar diviem galvenajiem izaicinājumiem. Pirmkārt, mums ir jāpārceļ hibrīda lāzera izmēģinājuma ražošana no Kalifornijas Universitātes uz Intel rūpnīcu. Otrkārt, mums ir jāapvieno hibrīdlāzers, ātrgaitas pusvadītāju modulators un multipleksors, lai pierādītu, ka varam izveidot vienu optisko raidītāju, kura pamatā ir ar CMOS saderīga ražošanas tehnoloģija.

Silīcija fotonikas tehnoloģiju ieviešana ietvers jaunu ražošanas procesu izstrādi liela apjoma lāzeru ražošanai. Intel panākumi fotonikas jomā ļaus ievērojami pārspēt potenciālos konkurentus. PTL laboratorija jau ir reģistrējusi aptuveni 150 patentus. Prestižākās publikācijas, piemēram, Nature, atzīmēja Intel speciālistu bezprecedenta sasniegumus. Turklāt Intel tika piešķirta 2007. gada EE Times ACE balva par daudzsološāko jauno tehnoloģiju.

Fotonu dzīšana

Atšķirībā no esošajiem labi izveidotajiem tranzistoru ražošanas procesiem, kas ir pārbaudīti gadu desmitiem, pusvadītāju fotonikas elementu radīšanas tehnoloģija ir pilnīgi jauna. Tās ieviešanas ceļā ir zināmas problēmas: ierīču optimizēšana, dizaina uzticamības palielināšana, testēšanas metodikas izstrāde, energoefektivitātes nodrošināšana un subminiatūru ierīču izstrāde.

Testēšanas stends 40 gigabitu silīcija lāzera modulatoram

Viena no svarīgākajām problēmām ir optimizācija, jo PTL laboratorija izstrādā optiskās ierīces masu skaitļošanai. Kamēr nav citu līdzīgu produktu, standartu vai citu atskaites punktu, inženieri, kas izstrādā jaunu tehnoloģisko procesu, paši meklē risinājumus, kas vislabāk atbilst datoru lietojumprogrammu vajadzībām.

Pašlaik pētnieku grupa no PTL laboratorijas, kas pēc fotoelektronikas standartiem ir salīdzinoši neliela, pakāpeniski pāriet uz pusvadītāju fotonikas risinājumu komercializāciju un sagaida, ka šīs neticamās tehnoloģijas masveida pieņemšana varētu sākties jau 2010. gadā. Optikas speciālistu grupa no Digital Enterprise Group (DEG) Viktora Krutula vadībā izstrādā lietojumprogrammas, kas nodrošinās pamatu jaunu tehnoloģiju attīstībai. "Mēs uzskatām, ka, apgūstot optiskos sakarus, Intel produkti arī turpmāk atbildīs Mūra likumam," saka Krutals.

Kad informācijas pārsūtīšanai starp vienas un tās pašas skaitļošanas platformas komponentiem un starp dažādām sistēmām tiek izmantoti fotoni, nevis elektroni, notiks nākamā datora revolūcija. Vadošie elektronikas ražotāji visā pasaulē jau ir pievienojušies šīm sacensībām, cenšoties iegūt konkurences priekšrocības. Jaunās tehnoloģijas nozīmi var salīdzināt ar integrālo shēmu izgudrojumu. Intel ir vadošā loma šajā pētniecībā un pusvadītāju fotonikas komponentu izstrādē.

Pagājušais 2007. gads bija ļoti veiksmīgs daudzu Intel tehnoloģiju attīstībai, tostarp silīcija fotonikas jomā. Žurnāls MIT Technology Review salīdzināja Intel jaunākos sasniegumus šajā jomā ar trīskāršu uzvaru sacīkstēs - šādi vadošā izdevuma novērotāji novērtēja virkni korporācijas oficiālo paziņojumu. Saskaņā ar Intel korporatīvo tehnoloģiju grupas vadītāja un tehnoloģiju nodaļas vadītāja Džastina Ratnera teikto: “Mēs esam empīriski pierādījuši, ka ražošanas tehnoloģijas, kas ir saderīgas ar silīcija CMOS dizaina tehnoloģiju, ļauj izveidot pusvadītāju optiskās ierīces.

Šī fakta pierādīšana bija milzīgs sasniegums, taču ne mazāk nozīmīgi soļi ir nepieciešami šī tehnoloģiskā virziena tālākai attīstībai. Tagad mums jāiemācās, kā integrēt silīcija fotonikas ierīces standarta datora komponentos; Mēs joprojām nezinām, kā to izdarīt. Taču tajā pašā laikā turpinām aktīvi strādāt ar dažāda veida produktu izstrādē iesaistītajām nodaļām, lai piedāvātu ražotājiem modeļus pusvadītāju fotonikas izmantošanai Intel risinājumos.

Silīcija fotonika kā līdzeklis, lai novērstu vājās vietas ceļā uz tera skaitļošanas laikmetu

Optiskās atmiņas moduļa prototipa testi ir parādījuši, ka, lai piekļūtu servera atmiņai, var izmantot gaismu, nevis elektrību

"Mums ir jāsaskaņo datu pārraides ātrums starp skaitļošanas platformas komponentiem ar procesoru ātrumu. Tas tiešām ir ļoti svarīgs uzdevums. Mēs redzam silīcija fotoniku kā šīs problēmas risinājumu, un tāpēc mums ir pētniecības programma, kas ļauj mums ieņemt vadošo pozīciju šajā jomā." sacīja Kevins Kāns, Intel Corporation izcilais pētniecības inženieris.

No izpētes līdz ieviešanai

Lai ieviestu pusvadītāju fotonikas tehnoloģiju, ir nepieciešami seši galvenie komponenti:

lāzeru izstarojoši fotoni;
modulators fotonu plūsmas pārvēršanai informācijas plūsmā pārraidei starp skaitļošanas platformas elementiem;
viļņvadi, kas darbojas kā "pārraides līnijas", lai nogādātu fotonus uz galamērķiem, un multipleksori gaismas signālu apvienošanai vai atdalīšanai;
korpuss, īpaši nepieciešams, lai radītu montāžas tehnoloģijas un zemu izmaksu risinājumus, kas izmantojami personālo datoru masveida ražošanā;
demodulators, lai uztvertu fotonu plūsmas, kas nes informāciju, un pārveidotu tās atpakaļ elektronu plūsmā, kas pieejams apstrādei ar datoru;
elektroniskās shēmas šo komponentu vadīšanai.

Jautājums par visu šo optisko sakaru komponentu ieviešanu, izmantojot pusvadītāju tehnoloģijas, ir plaši atzīts par lielu pētniecības problēmu, kuras risināšana radīs milzīgu tehnisku izrāvienu. PTL jau ir uzstādījis vairākus pasaules rekordus, izstrādājot augstas veiktspējas ierīces, modulatorus, pastiprinātājus un demodulatorus, kas nodrošina datu pārraides ātrumu līdz 40 Gbps. Nākamo piecu gadu laikā Intel centīsies integrēt šos komponentus faktiskajos produktos.

Intel vadošais optikas pētnieks Ričards Džounss sacīja: "Mums ir divi lieli izaicinājumi hibrīda lāzera projektā. Pirmkārt, mums ir jāpārvieto hibrīda lāzera izmēģinājuma ražotne no UCLA uz Intel rūpnīcu. "Otrkārt, mums ir jāapvieno hibrīdlāzers, ātrdarbīgs pusvadītāju modulators un multipleksors, lai pierādītu, ka mēs varam izveidot vienu optisko raidītāju, kura pamatā ir ar CMOS saderīga ražošanas tehnoloģija.

Fotonu dzīšana

Lai praksē varētu izmantot jaunus komponentus, PTL ir jānodrošina, lai optiskie komponenti atbilstu īpaši augstiem skaitļošanas nozares uzticamības kritērijiem. Optikas nozarē gadu desmitiem ir izstrādāti stingri uzticamības standarti. Saskaņā ar tiem, pirms jaunu produktu masveida ražošanas uzsākšanas, ir nepieciešami mēneši. Ja šo ilgo pārbaužu laikā tiek konstatētas problēmas, to labošana un atkārtota pārbaude var ievērojami aizkavēt produkta nonākšanu tirgū.

Pašlaik PTL pētniecības grupa, kas ir salīdzinoši maza pēc fotoelektronikas standartiem, pakāpeniski pārvērš savu uzmanību uz pusvadītāju fotonikas risinājumu komercializāciju un sagaida, ka šīs neticamās tehnoloģijas masveida pieņemšana sāksies jau 2010. gadā.

Optikas speciālistu grupa no Digital Enterprise Group (DEG) Viktora Krutula vadībā izstrādā lietojumprogrammas, kas nodrošinās pamatu jaunu tehnoloģiju attīstībai. "Mēs uzskatām, ka, apgūstot optiskos sakarus, Intel produkti arī turpmāk atbildīs Mūra likumam," saka Krutals.

IBM paziņoja par izrāvienu silīcija fotonikas jomā – tika izveidota pirmā pilnībā integrētā multipleksētā mikroshēma. Jaunā ierīce ļaus atsevišķām mikroshēmām sazināties savā starpā, izmantojot optiskos, nevis elektromagnētiskos viļņus, kas palielinās caurlaidspēju līdz 100 GB sekundē un vairāk. Šī mikroshēma ir novietota uz vienas silīcija formas, un tā ir būtiska optisko tehnoloģiju ilgtermiņa ieviešanai mikromērogā. Bet kāpēc tādi spēcīgi uzņēmumi kā IBM un Intel pavadīja veselas desmitgades, pētot silīcija fotoniku?

Teorētiski silīcija fotonika varētu atrisināt daudzas no galvenajām problēmām, kas saistītas ar vara savienotāju nepārtrauktu izmantošanu. Viena no galvenajām problēmām ar vara stiepli ir tā, ka to nevar mērogot tikpat agresīvi kā citas svarīgas mūsdienu procesora daļas. Pārsniedzot noteiktu punktu, ir fiziski neiespējami vēl vairāk samazināt vara stiepli, nesamazinot tā veiktspēju un/vai glabāšanas laiku. Teorētiski optiskie savienojumi var pārsūtīt datus daudz ātrāk, vienlaikus patērējot mazāk enerģijas. Turklāt daudzi uzņēmumi uzskata, ka silīcija fotonika ir nepieciešama, lai izveidotu superdatorus, kuru skaitļošanas jauda ir aptuveni viena eksamēroga skaitļošana.

Diemžēl silīcijs ir slikta vide optiskajām ierīcēm, jo ražošanas mērogi ir tik dažādi (optiskie viļņvadi un citi komponenti ir daudz lielāki par CMOS silīciju), ka nav inženiertehnisko risinājumu, kas varētu efektīvi un lēti integrēt optiskos elementus esošajā CMOS, izmantojot silīciju, nevis izmantojot silīciju. dārgi alternatīvi materiāli, piemēram, gallija arsenīds. Tagad uzņēmums varēja novietot mikroshēmas, kas izveidotas, izmantojot silīcija fotonikas tehnoloģiju, tieši procesora modulī.

Diagramma no Intel prezentācijas par silīcija fotoniku arī ilustrē enerģijas patēriņu, ko ražotāji cenšas sasniegt. Ilgtermiņa plāni silīcija fotonikai piedāvā joslas platumu un enerģiju uz vienu informācijas bitu, ko vara savienojumi nevar.
Pēc gadu desmitiem ilga darba silīcija fotonika var šķist tikai vēl viena neprātīga ideja, kas izskatās labi uz papīra, bet ir pilnībā nepiemērojama praksē, taču progress nestāv uz vietas, un, lai gan modernākie uzņēmumi, piemēram, IBM, Intel vai HP, var neizlaist tehnoloģiju līdz komerciālam līmenim tuvākajā nākotnē, tas noteikti atradīs pielietojumu zinātniskās laboratorijās, superdatoros un datu centros.