Fotonica cu siliciu ca alternativă la interconexiunile din cupru. SNIPER: viitorul luminos al nanofotonicii cu siliciu Fotonica cu siliciu starea actuală și perspectivele de dezvoltare

Pe 18 septembrie a acestui an, Intel, împreună cu Universitatea din California, Santa Barbara, au demonstrat primul laser hibrid cu siliciu pompat electric din lume, care combină capacitățile de emisie și propagare a luminii de-a lungul unui ghid de undă de siliciu și, de asemenea, profită de costul producției de siliciu. Crearea unui laser hibrid de siliciu este următorul pas către obținerea de cipuri de siliciu care conțin zeci și chiar sute de lasere ieftine, care în viitor vor sta la baza electronicii computerului.

Istoria fotonicii siliciului

Unul dintre principalele domenii ale eforturilor de cercetare și dezvoltare ale Intel este fotonica cu siliciu. Următoarea descoperire a companiei în acest domeniu a fost crearea primului laser hibrid cu siliciu pompat electric din lume.

Calea este acum efectiv deschisă pentru a crea amplificatoare optice, lasere și convertoare de lungime de undă a luminii folosind tehnologia bine stabilită de fabricare a cipurilor de siliciu. Treptat, „siliconizarea” fotonicii devine o realitate și în viitor va face posibilă crearea de circuite optice low-cost, de înaltă performanță, care să permită schimbul de date atât în ​​interiorul, cât și în exteriorul PC-ului.

Sistemele de comunicații optice au anumite avantaje față de sistemele tradiționale prin cablu, principalul fiind lățimea lor de bandă enormă. De exemplu, fibrele optice utilizate astăzi în sistemele de comunicații pot transmite simultan până la 128 de fluxuri de date diferite. Limita teoretică pentru vitezele de transfer de date prin fibră optică este estimată la 100 de trilioane de biți pe secundă. Pentru a ne imagina această cifră uriașă, vom face o comparație simplă: această lățime de bandă este suficientă pentru a asigura transmiterea convorbirilor telefonice simultan către toți locuitorii planetei. Prin urmare, este de înțeles că sistemele de comunicații optice atrag o atenție deosebită din partea tuturor laboratoarelor de cercetare.

Pentru transmiterea informației folosind radiația luminoasă este necesar să existe mai multe componente obligatorii: surse de radiații (lasere), modulatoare de unde luminoase, prin care informațiile sunt înglobate în unda luminoasă, detectoare și fibră optică pentru transmiterea datelor.

Folosind mai multe lasere care emit diferite lungimi de undă și modulatori, mai multe fluxuri de date pot fi transmise simultan printr-o singură fibră optică. Pe partea de recepție, pentru procesarea informațiilor, se utilizează un demultiplexor optic, care separă purtătorii cu lungimi de undă diferite de semnalul de intrare și detectoare optice, care fac posibilă transformarea semnalelor optice în cele electrice. Schema bloc a sistemului de comunicații optice este prezentată în Fig. 1.

Orez. 1. Schema bloc a unui sistem de comunicații optice

Cercetările în domeniul sistemelor optice de comunicații și al circuitelor optice au început încă din anii 1970 - atunci circuitele optice au fost imaginate ca un fel de procesor optic sau cip super-optic, în care un dispozitiv de transmisie, un modulator, un amplificator, un detector și au fost integrate toate componentele electronice necesare. Cu toate acestea, implementarea practică a acestei idei a fost îngreunată de faptul că componentele circuitelor optice erau realizate din materiale diferite, astfel încât a fost imposibil să se integreze toate componentele necesare într-o singură platformă (cip) pe bază de siliciu. În ciuda triumfului siliciului în domeniul electronicii, utilizarea lui în optică părea foarte îndoielnică.

Posibilitatea utilizării siliciului pentru circuite optice a fost studiată de mulți ani - din a doua jumătate a anilor 1980. Cu toate acestea, s-au înregistrat puține progrese în această perioadă. În comparație cu alte materiale, încercările de a folosi siliciu pentru a construi circuite optice nu au adus rezultatele așteptate.

Faptul este că, datorită particularităților structurii benzii interzise a rețelei cristaline de siliciu, recombinarea sarcinilor din aceasta duce în principal la eliberarea de căldură și nu la emisia de fotoni, ceea ce nu permite utilizarea acestuia pentru creați lasere semiconductoare care sunt surse de radiație coerentă. În același timp, în semiconductori precum arseniura de galiu sau fosfura de indiu, energia de recombinare este eliberată în principal sub formă de fotoni infraroșii, prin urmare, aceste materiale pot servi ca surse de fotoni și pot fi folosite pentru a crea lasere.

Un alt motiv care împiedică utilizarea siliciului ca material pentru crearea circuitelor optice este că siliciul nu are efectul liniar electro-optic Pockels, pe baza căruia sunt construite modulatoarele optice rapide tradiționale. Efectul Pockels implică o modificare a indicelui de refracție al luminii dintr-un cristal sub influența unui câmp electric aplicat. Datorită acestui efect, lumina poate fi modulată, deoarece o modificare a indicelui de refracție al unei substanțe duce în mod corespunzător la o schimbare a fazei radiației transmise.

Efectul Pockels se manifestă doar în piezoelectrice și, datorită inerției sale scăzute, permite teoretic modularea luminii până la o frecvență de 10 THz. În plus, datorită relației liniare dintre indicele de refracție și intensitatea câmpului electric, distorsiunile neliniare în timpul modulării luminii sunt relativ mici.

Alți modulatori optici se bazează pe efecte precum electro-absorbția sau electro-refrecția luminii sub influența unui câmp electric aplicat, dar aceste efecte sunt slab exprimate în siliciu.

Modularea luminii în siliciu poate fi realizată pe baza efectului termic. Adică, atunci când temperatura siliciului se modifică, indicele său de refracție și coeficientul de absorbție a luminii se modifică. Totuși, datorită prezenței histerezii, astfel de modulatori sunt mai degrabă inerți și nu permit obținerea unei rate de modulație mai mare de câțiva kiloherți.

O altă metodă de modulare a radiațiilor bazată pe modulatoare de siliciu se bazează pe efectul absorbției luminii asupra purtătorilor liberi (găuri sau electroni). Această metodă de modulare, de asemenea, nu permite obținerea de viteze mari, deoarece este asociată cu mișcarea fizică a sarcinilor în interiorul modulatorului de siliciu, care în sine este un proces inert. În același timp, este de remarcat faptul că modulatoarele de siliciu bazate pe efectul descris pot suporta teoretic viteze de modulare de până la 1 GHz, dar în practică, modulatoarele au fost implementate până acum doar cu viteze de până la 20 MHz.

În ciuda tuturor dificultăților în utilizarea siliciului ca material pentru circuitele optice, recent s-au făcut progrese semnificative în această direcție. După cum s-a dovedit, dopajul siliciului cu erbiu (Er) modifică structura benzii interzise în așa fel încât recombinarea sarcinii este însoțită de emisia de fotoni, adică devine posibilă utilizarea siliciului pentru a produce lasere semiconductoare. Primul laser comercial bazat pe siliciu dopat a fost creat de ST Micro-electronics. Utilizarea laserelor semiconductoare reglabile, demonstrată de Intel încă din 2002, este de asemenea promițătoare. Astfel de lasere folosesc un interferometru Fabry-Perot ca rezonator și emit la mai multe frecvențe (mod multi-mod). Pentru a izola radiația monocromatică, se folosesc filtre externe speciale bazate pe rețele de difracție (filtre de dispersie) - Fig. 2.

Orez. 2. Laser reglabil cu filtre
pe bază de grătare de dispersie

Sistemul laser rezultat cu un rezonator dispersiv extern face posibilă reglarea lungimii de undă a radiației. În mod tradițional, reglarea de precizie a filtrelor în raport cu rezonatorul este utilizată pentru a obține lungimea de undă necesară.

Intel a reușit să creeze un laser reglabil fără părți în mișcare. Este alcătuit dintr-un laser multimod cu costuri reduse, cu o rețea încorporată în interiorul unui ghid de undă. Schimbând temperatura rețelei, puteți să vă reglați la o anumită lungime de undă, adică să comutați între modurile laser individuale.

Modulatori optici de siliciu

În februarie 2004, Intel a făcut o nouă descoperire în domeniul fotonicii cu siliciu, demonstrând primul modulator de fază optică de siliciu din lume la 1 GHz.

Acest modulator se bazează pe efectul împrăștierii luminii asupra purtătorilor de încărcare liberă și în structura sa este similar în multe privințe cu un tranzistor CMOS bazat pe tehnologia SOI (siliciu pe izolator). Structura modulatorului de fază optică este prezentată în Fig. 3.

Orez. 3. Schema bloc a unui modulator optic de fază cu siliciu

Un strat de siliciu cristalin este situat pe un substrat de siliciu cristalin cu un strat izolator (dioxid de siliciu) n-tip. Urmează un strat de dioxid de siliciu, în centrul căruia se află un strat de siliciu policristalin. p-tip care îndeplinește funcția de ghid de undă. Acest strat este separat de siliciul cristalin n-tip cu cel mai subtire strat de izolator (gate dielectric), a carui grosime este de numai 120 angstroms. Pentru a minimiza împrăștierea luminii datorată contactului cu metalul, contactele metalice sunt separate de stratul de oxid de siliciu printr-un strat subțire de siliciu policristalin de ambele părți ale ghidului de undă.

Când se aplică o tensiune pozitivă electrodului de control, o sarcină este indusă pe ambele părți ale dielectricului de poartă și pe partea ghidului de undă (siliciu policristalin p-tip) acestea sunt găuri, iar pe partea de silicon n-tip - electroni liberi.

În prezența încărcărilor libere în siliciu, indicele de refracție al siliciului se modifică. Modificarea indicelui de refracție determină, la rândul său, o schimbare de fază a undei luminoase care trece.

Modulatorul discutat mai sus permite modularea de fază a semnalului de referință. Pentru a transforma modularea de fază în amplitudine (un semnal modulat în fază este dificil de detectat în absența unui semnal de referință), modulatorul optic folosește suplimentar un interferometru Mach-Zehnder (MZI), care are două brațe, în fiecare dintre ele. este integrat un modulator optic de fază (Fig. .4).

Orez. 4. Schema bloc a modulatorului optic

Utilizarea modulatorilor optici de fază în ambele brațe ale interferometrului face posibilă asigurarea egalității lungimilor optice ale brațelor interferometrului.

Unda luminii de referință care se propagă de-a lungul fibrei optice este împărțită de un divizor Y în două unde coerente, fiecare dintre acestea se propagă de-a lungul unuia dintre brațele interferometrului. Dacă în punctul de conectare a brațelor interferometrului ambele unde sunt în fază, atunci în urma adunării acestor unde se va obține aceeași undă (neglijăm pierderile în acest caz) ca înaintea interferometrului (interferență constructivă) . Dacă undele se adună în antifază (interferență distructivă), atunci semnalul rezultat va avea amplitudine zero.

Această abordare permite modularea în amplitudine a semnalului purtător - prin aplicarea tensiunii unuia dintre modulatoarele de fază, faza undei într-unul dintre brațele interferometrului este schimbată în n sau nu se schimbă deloc, oferind astfel condițiile pentru interferența distructivă sau constructivă. Astfel, aplicarea tensiunii la modulatorul de fază cu o frecvență f, este posibilă modularea în amplitudine a semnalului cu aceeași frecvență f.

După cum sa menționat, modulatorul optic de siliciu al Intel, demonstrat în februarie 2004, era capabil să moduleze lumina la 1 GHz. Ulterior, în aprilie 2005, Intel a demonstrat un modulator care funcționează la o frecvență de 10 GHz.

Laser cu siliciu cu unda continua bazat pe efectul Raman

În februarie 2005, Intel a anunțat o altă descoperire tehnologică - crearea unui laser de siliciu cu undă continuă bazat pe efectul Raman.

Efectul Raman a fost folosit destul de mult timp și este utilizat pe scară largă pentru a crea amplificatoare de lumină și lasere bazate pe fibră optică.

Principiul de funcționare a unor astfel de dispozitive este următorul. Radiația laser (radiația pompă) cu o lungime de undă este introdusă într-o fibră optică (Fig. 5). Într-o fibră optică, fotonii sunt absorbiți de atomii rețelei cristaline, care, ca urmare, încep să se „legăneze” (se formează fononi vibraționali) și, în plus, se formează fotoni cu energie mai mică. Adică absorbția fiecărui foton cu o lungime de undă l=1,55 mm duce la formarea unui fonon și a unui foton cu o lungime de undă l=1,63 mm.

Orez. 5. Principiul de funcționare al unui amplificator de lumină datorită efectului Raman

Acum imaginați-vă că există și radiație modulată, care este alimentată în aceeași fibră ca și radiația pompei și duce la emisia stimulată de fotoni. Ca rezultat, radiația pompei într-o astfel de fibră este convertită treptat în radiație de semnal, modulată, amplificată, adică se realizează efectul de amplificare optică (Fig. 6).

Orez. 6. Utilizarea efectului Raman pentru amplificare
radiații modulate în fibra optică

Problema, totuși, este că o astfel de conversie a fasciculului pompei în radiație semnal și, în consecință, amplificarea radiației semnal necesită ca atât radiația semnal, cât și radiația pompei să parcurgă câțiva kilometri de-a lungul fibrei optice. Desigur, circuitele de amplificare bazate pe mulți kilometri de fibră optică nu pot fi numite simple și ieftine, drept urmare utilizarea lor este semnificativ limitată.

Spre deosebire de sticla, care formează baza fibrei optice, efectul Raman în siliciu este de 10 mii de ori mai puternic și pentru a obține același rezultat ca și în fibra optică, este suficient ca radiația pompei și radiația semnal să se propagă împreună pe o distanță de doar cativa centimetri. Astfel, utilizarea efectului Raman în siliciu face posibilă crearea de amplificatoare de lumină sau lasere optice în miniatură și ieftine.

Procesul de creare a unui amplificator optic de siliciu, sau laser Raman, începe cu crearea unui ghid de undă de siliciu optic. Acest proces tehnologic nu este diferit de procesul de creare a cipurilor CMOS tradiționale folosind substraturi de siliciu, ceea ce, desigur, este un avantaj imens, deoarece reduce semnificativ costul procesului de producție în sine.

Radiația introdusă într-un astfel de ghid de undă de siliciu parcurge doar câțiva centimetri, după care (datorită efectului Raman) este complet transformată în radiație de semnal cu o lungime de undă mai mare.

În timpul experimentelor, s-a dovedit că este recomandabil să creșteți puterea radiației pompei doar până la o anumită limită, deoarece o creștere suplimentară a puterii nu duce la o creștere a radiației semnalului, ci, dimpotrivă, la slăbirea acesteia. Motivul acestui efect este așa-numita absorbție cu doi fotoni, al cărei sens este următorul. Siliciul este o substanță optic transparentă pentru radiația infraroșu, deoarece energia fotonilor infraroșii este mai mică decât banda interzisă a siliciului și nu este suficientă pentru a transfera atomii de siliciu într-o stare excitată cu eliberarea unui electron. Cu toate acestea, dacă densitatea fotonului este mare, atunci poate apărea o situație în care doi fotoni se ciocnesc simultan cu un atom de siliciu. În acest caz, energia lor totală este suficientă pentru a transfera atomul cu eliberarea unui electron, adică atomul intră într-o stare excitată cu absorbția a doi fotoni simultan. Acest proces se numește absorbție cu doi fotoni.

Electronii liberi produși prin absorbția cu doi fotoni absorb la rândul lor atât radiația pompei, cât și radiația semnalului, rezultând o reducere puternică a efectului de câștig optic. În consecință, cu cât puterea de radiație a pompei este mai mare, cu atât efectul absorbției cu doi fotoni și absorbția radiației de către electroni liberi este mai puternic. Consecința negativă a absorbției cu doi fotoni a luminii a împiedicat crearea unui laser cu siliciu cu undă continuă pentru o lungă perioadă de timp.

Într-un laser cu siliciu creat în laboratorul Intel, pentru prima dată a fost posibil să se evite efectul absorbției cu doi fotoni a radiației, sau mai degrabă nu fenomenul de absorbție a doi fotoni în sine, ci consecința sa negativă - absorbția radiației pe s-au format electronii liberi. Laserul cu siliciu este o așa-numită structură PIN (tip P - Intrinsec - tip N) (Fig. 7). În această structură, un ghid de undă de siliciu este încorporat în interiorul unei structuri semiconductoare cu o regiune P și N. Această structură este similară cu un circuit tranzistor plan cu un dren și o sursă și, în loc de o poartă, este integrat un ghid de undă de siliciu. Ghidul de undă de siliciu în sine este format ca o regiune dreptunghiulară în secțiune transversală de siliciu (indice de refracție 3,6), înconjurat de o înveliș de oxid de siliciu (indice de refracție 1,5). Datorită acestei diferențe în indicile de refracție a siliciului cristalin și a oxidului de siliciu, este posibil să se formeze un ghid de undă optic și să se evite pierderea de radiație din cauza propagării transversale.

Orez. 7. Structura PIN a unui laser cu siliciu cu undă continuă

Folosind o astfel de structură de undă și un laser cu pompă cu o putere de o fracțiune de watt, este posibil să se creeze radiații într-un ghid de undă cu o densitate de ordinul a 25 MW/cm2, care este chiar mai mare decât densitatea de radiație care poate fi obținut folosind lasere semiconductoare de mare putere. Câștigul Raman la această densitate de radiație nu este foarte mare (de ordinul a câțiva decibeli pe centimetru), dar această densitate este destul de suficientă pentru implementarea unui laser.

Pentru a elimina efectul negativ al absorbției radiației de către electronii liberi produși în ghidul de undă ca urmare a absorbției cu doi fotoni, un ghid de undă de siliciu este plasat între două porți. Dacă se creează o diferență de potențial între aceste porți, atunci sub influența unui câmp electric, electronii liberi și găurile vor fi „trași” din ghidul de undă de siliciu, eliminând astfel consecințele negative ale absorbției cu doi fotoni.

Pentru a forma un laser pe baza acestei structuri PIN, este necesar să adăugați două oglinzi la capetele ghidului de undă, dintre care una trebuie să fie translucidă (Fig. 8).

Orez. 8. Schema unui laser cu siliciu cu undă continuă

Laser hibrid cu siliciu

Un laser cu siliciu cu undă continuă bazat pe efectul Raman necesită practic o sursă externă de radiație, care este folosită ca radiație de pompă. În acest sens, acest laser nu rezolvă una dintre principalele probleme ale fotonicii cu siliciu - capacitatea de a integra toate blocurile structurale (surse de radiații, filtre, modulatoare, demodulatoare, ghiduri de undă etc.) într-un singur cip de siliciu.

Mai mult, utilizarea surselor externe de radiații optice (situate în afara cipului sau chiar pe suprafața acestuia) necesită o precizie foarte mare a alinierii laserului în raport cu ghidul de undă din siliciu, deoarece alinierea greșită a mai multor microni poate duce la inoperabilitatea întregului dispozitiv (Fig. 9). Cerința de reglare de precizie nu permite ca această clasă de dispozitive să fie adusă pe piața de masă și le face destul de scumpe. Prin urmare, alinierea laserului cu siliciu în raport cu ghidul de undă din siliciu este una dintre cele mai importante sarcini în fotonica cu siliciu.

Orez. 9. Când utilizați lasere externe, este necesară o aliniere precisă a laserului
și ghid de undă

Această problemă poate fi rezolvată dacă laserul și ghidul de undă sunt create într-un singur cristal în cadrul aceluiași proces tehnologic. De aceea, crearea unui laser hibrid cu siliciu poate fi considerată ca ducând fotonica cu siliciu la un nou nivel.

Principiul de funcționare al unui astfel de laser hibrid este destul de simplu și se bazează pe proprietățile de emisie ale fosfurei de indiu (InP) și pe capacitatea siliciului de a conduce lumina.

Structura laserului hibrid este prezentată în Fig. 10. Fosfura de indiu, care acționează ca substanță activă a unui laser semiconductor, este situată direct deasupra ghidului de undă de siliciu și este separată de acesta printr-un strat subțire de dielectric (grosimea sa este de doar 25 de straturi atomice) - oxid de siliciu, care este „ transparent” la radiația generată. Când se aplică o tensiune între electrozi, are loc un flux de electroni în direcția de la electrozii negativi la cei pozitivi. Ca rezultat, un curent electric trece prin structura cristalină a fosfurei de indiu. Când un curent electric trece prin fosfura de indiu, procesul de recombinare a găurilor și a electronilor produce fotoni, adică radiații. Această radiație lovește direct ghidul de undă de siliciu.

Orez. 10. Structura laserului hibrid cu siliciu

Structura descrisă a unui laser cu siliciu nu necesită o aliniere suplimentară a laserului în raport cu ghidul de undă din siliciu, deoarece poziția lor relativă unul față de celălalt este realizată și controlată direct în timpul formării structurii monolitice a laserului hibrid.

Procesul de producție a unui astfel de laser hibrid este împărțit în mai multe etape principale. Inițial, într-un „sandwich” format dintr-un strat de siliciu, un strat izolator (oxid de siliciu) și un alt strat de siliciu, se formează o structură de ghid de undă prin gravare (Fig. 11), iar această etapă tehnologică de producție nu diferă de acele procese. care sunt utilizate în timpul microcircuitelor de producție

Orez. 11. Formarea unei structuri de ghid de undă în siliciu

În continuare, este necesar să se formeze o structură cristalină de fosfură de indiu pe suprafața ghidului de undă. În loc să folosiți procesul tehnologic complex de creștere a unei structuri cristaline de fosfură de indiu pe o structură de ghid de undă deja formată, un substrat de fosfură de indiu împreună cu un strat semiconductor n-tip se formează separat, ceea ce este mult mai simplu și mai ieftin. Provocarea este de a cupla fosfura de indiu la structura ghidului de undă.

Pentru a face acest lucru, atât structura ghidului de undă de siliciu, cât și substratul de fosfură de indiu sunt supuse unui proces de oxidare într-o plasmă de oxigen la temperatură joasă. Ca urmare a acestei oxidări, pe suprafața ambelor materiale se creează o peliculă de oxid cu o grosime de numai 25 de straturi atomice (Fig. 12).

Orez. 12. Substrat de fosfură de indiu
cu un strat de oxid format

Când două materiale sunt încălzite și presate împreună, stratul de oxid acționează ca un lipici transparent, topindu-le într-un singur cristal (Fig. 13).

Orez. 13. „Lipirea” structurii ghidurilor de undă din siliciu
cu suport de fosfură de indiu

Tocmai pentru că laserul cu siliciu al designului descris este format din două materiale lipite împreună, se numește hibrid. După procesul de lipire, excesul de fosfură de indiu este îndepărtat prin gravare și se formează contacte metalice.

Procesul tehnologic de producere a laserelor hibride cu siliciu permite plasarea a zeci și chiar sute de lasere pe un singur cip (Fig. 14).

Orez. 14. Schema unui cip care conține patru
laser hibrid cu siliciu

Primul cip, demonstrat de Intel împreună cu Universitatea din California, conținea șapte lasere hibride de siliciu (Fig. 15).

Orez. 15. Radiația de la șapte lasere hibride cu siliciu,
realizat pe un singur cip

Aceste lasere hibride funcționează la o lungime de undă de 1577 nm la un curent de prag de 65 mA cu putere de ieșire de până la 1,8 mW.

În prezent, laserul hibrid cu siliciu funcționează la temperaturi sub 40 °C, dar în viitor este planificată creșterea temperaturii de funcționare la 70 °C și reducerea curentului de prag la 20 mA.

Viitorul fotonicii cu siliciu

Dezvoltarea unui laser hibrid cu siliciu ar putea avea implicații de mare anvergură pentru fotonica cu siliciu și ar putea introduce era de calcul de înaltă performanță.

În viitorul apropiat, zeci de lasere de siliciu, modulatoare și un multiplexor vor fi integrate în cip, ceea ce va face posibilă crearea de canale optice de comunicație cu debit de terabit (Fig. 16).

Orez. 16. Microcircuit de canal de comunicație optic,
care conțin zeci de lasere cu siliciu,
filtre, modulatoare și multiplexor

„Cu această dezvoltare, vom putea crea magistrale optice de date cu costuri reduse cu lățime de bandă terabit pentru computerele viitorului. Astfel, vom putea aduce mai aproape debutul unei noi ere a calculului de înaltă performanță”, a declarat Mario Paniccia, directorul Photonics Technology Lab la Intel Corporation. „Deși utilizarea comercială a acestei tehnologii este încă departe, suntem încrezători că va fi posibil să găzduim zeci sau chiar sute de lasere hibride cu siliciu, precum și alte componente bazate pe fotonică de siliciu, pe un singur cip de siliciu.”

Fotonica cu siliciu: va înlocui electricitatea?

Laserul cu undă continuă complet semiconductor rezolvă problema de absorbție a doi fotoni, insurmontabilă anterior

Microelectronica se confruntă deja cu limitări fizice (la nivel atomic) în transmiterea semnalelor electrice între cipuri. O posibilă soluție la această problemă poate fi dezvoltarea unor tehnologii netradiționale, în special fotonica cu siliciu.

Intel a creat deja multe dintre structurile necesare pentru a transfera semnale între cipuri folosind lumina la fel de ușor ca electronii în prezent. Principala problemă pentru aceasta a fost lipsa unei surse de lumină adecvate. Intel a anunțat recent o nouă descoperire în acest domeniu - primul laser cu undă continuă complet semiconductor care utilizează un fenomen fizic numit efect Raman (în mecanica cuantică, efectul Raman este descris ca schimbul de energie între moleculele unei substanțe care se împrăștie și lumina incidentă). ), și construit folosind cristale CMOS standard disponibile.

Valorificând puterea semiconductorilor, cercetătorii Intel au reușit să realizeze funcționalitatea unui laser Raman tradițional, voluminos, pe bază de sticlă, de obicei de dimensiunea unei valize, reducându-i dimensiunea la grosimea unei singure piste pe o placă de siliciu.

Această descoperire în fotonica cu siliciu va duce la soluții practice și accesibile pentru comunicații și calcul, noi echipamente medicale și senzori și lasere cu semiconductor reglabil ar putea înlocui predecesorii lor, care costa sute și mii de dolari. Această realizare ar putea duce, de asemenea, la dezvoltarea mai rapidă a unor noi interconexiuni optice între cipuri și dispozitive externe, cum ar fi fibrele optice subțiri ocupă mai puțin spațiu decât cablurile electrice și vor oferi condiții de răcire mai bune pentru computere și servere.

Placa demonstrativă cu laser semiconductor a fost fabricată folosind tehnologia CMOS standard pe o linie de producție existentă. Aceasta înseamnă că pentru aceste noi tehnologii, drumul de la laborator la producție poate să nu fie lung și complex, așa cum este cazul unor tehnologii neconvenționale, ci mai degrabă direct și rapid.

Anul trecut 2007 a fost un mare succes pentru dezvoltarea multor tehnologii Intel, inclusiv în domeniul fotonicii cu siliciu. Revista MIT Technology Review a comparat cele mai recente realizări inovatoare ale Intel în acest domeniu cu o victorie triplă la curse - așa au evaluat observatorii publicației de top o serie de anunțuri oficiale ale corporației. Potrivit lui Justin Rattner, director de tehnologie și șeful Intel Corporate Technology Group, „Am demonstrat empiric că tehnologiile de fabricație compatibile cu tehnologia de proiectare CMOS cu siliciu permit crearea de dispozitive optice semiconductoare.

Demonstrarea acestui fapt a fost o realizare uriașă, dar nu sunt necesari pași mai puțin semnificativi pentru dezvoltarea în continuare a acestei direcții tehnologice. Acum trebuie să învățăm cum să integrăm dispozitive fotonice cu siliciu în componentele computerului standard; Încă nu știm cum să facem asta. Dar, în același timp, continuăm să lucrăm activ cu diviziile implicate în dezvoltarea diferitelor tipuri de produse pentru a oferi producătorilor modele de utilizare a fotonicii semiconductoare în soluțiile Intel.”

Fotonica cu siliciu ca mijloc de eliminare a blocajelor pe drumul către era computerului tera

Fotonica pe siliciu este o componentă esențială a strategiei de dezvoltare pe termen lung a Corporate Technology Group, care vizează accelerarea tranziției la tera computing. Faptul este că, pe măsură ce se dezvoltă procesoare multi-core cu o putere de calcul enormă, apar noi probleme pentru ingineri. De exemplu, cererea de viteză de comunicare între memorie și procesor va depăși în curând limitările fizice impuse de conductorii de cupru, iar viteza de transmisie a semnalelor electrice va deveni mai mică decât viteza procesorului. Deja, performanța sistemelor de calcul puternice este adesea limitată de viteza schimbului de date între procesor și memorie. Tehnologiile actuale de transmisie a datelor sunt proiectate pentru o lățime de bandă mult mai mică în comparație cu fotonica și, pe măsură ce distanța pe care sunt transmise datele crește, viteza de transmisie devine și mai lentă.

Testele unui prototip de modul de memorie optică au arătat că lumina, mai degrabă decât electricitatea, poate fi folosită pentru a accesa memoria serverului.

„Trebuie să potrivim viteza de transfer de date între componentele platformei de calcul cu viteza procesoarelor. Aceasta este într-adevăr o sarcină foarte importantă. Vedem fotonica cu siliciu ca o soluție la această problemă și, prin urmare, avem un program de cercetare care ne permite să ocupăm o poziție de lider în acest domeniu.” , a declarat Kevin Kahn, Distinguished Research Engineer la Intel Corporation.

O echipă condusă de cercetătorul principal în optică al Intel, Drew Alduino, dezvoltă un sistem de comunicare procesor optic la memorie pentru platformele Intel. A fost deja creată o platformă de testare bazată pe memorie FB-DIMM complet tamponată, pe care pornește și rulează Microsoft Windows. Prototipul actual este dovada capacității de a conecta memoria la procesor folosind linii optice de comunicație fără a compromite performanța sistemului.

Crearea unei versiuni comerciale a unei astfel de soluții are beneficii enorme pentru utilizatori. Sistemele de comunicații optice vor elimina blocajul dintre lățimea de bandă a memoriei și viteza procesorului și vor îmbunătăți performanța generală a platformei de calcul.

De la cercetare la implementare

Photonics Technology Lab, condus de Intel Distinguished Research Engineer Mario Paniccia, a demonstrat că toate componentele de comunicații optice — laser, modulator și demodulator — pot fi fabricate din semiconductori folosind tehnologiile de producție existente. PTL a demonstrat deja componentele fotonice de siliciu critice care operează la o performanță record, inclusiv modulatoare și demodulatoare care oferă rate de date de până la 40 Gbps.

Pentru a implementa tehnologia fotonică a semiconductoarelor, sunt necesare șase componente principale:

• fotoni care emit laser;
• un modulator pentru conversia unui flux de fotoni într-un flux de informaţii pentru transmisie între elementele platformei de calcul;
• ghiduri de undă, care acționează ca „linii de transmisie” pentru a livra fotoni către destinațiile lor și multiplexoare pentru a combina sau separa semnalele luminoase;
• o carcasă, mai ales necesară pentru crearea de tehnologii de asamblare și soluții low-cost care pot fi utilizate în producția de masă de PC-uri;
• un demodulator pentru recepționarea fluxurilor de fotoni care transportă informații și convertirea acestora înapoi într-un flux de electroni, disponibil pentru procesare de către un computer;
• circuite electronice pentru controlul acestor componente.

Problema implementării tuturor acestor componente de comunicații optice folosind tehnologii semiconductoare este recunoscută pe scară largă ca o problemă majoră de cercetare, a cărei soluție va duce la o descoperire tehnică uriașă. PTL a stabilit deja o serie de recorduri mondiale prin dezvoltarea de dispozitive de înaltă performanță, modulatoare, amplificatoare și demodulatoare care oferă rate de date de până la 40 Gbps. În următorii cinci ani, Intel va căuta să integreze aceste componente în produsele reale.

În domeniul fotonicii cu semiconductori, Intel a intrat deja pe calea casei. Cercetările în domeniul integrării elementelor optice au trecut deja de la etapa de dezvoltare științifică sau tehnologică la etapa de creare a produselor comerciale. Echipa de cercetare se concentrează acum pe identificarea capacităților și specificațiilor pentru proiectarea produselor inovatoare bazate pe această tehnologie revoluționară. În cele din urmă, echipele Intel creează prototipuri și lucrează îndeaproape cu echipele de dezvoltare a produselor pentru a accelera adoptarea de noi tehnologii.

Pe lângă propriile activități, Intel finanțează unele dintre cele mai promițătoare cercetări în acest domeniu în afara CTG - în special, colaborează cu Universitatea California din Santa Barbara, care dezvoltă un laser semiconductor hibrid. La laboratorul PTL fac și absolvenți talentați de la diverse universități din alte țări.

Cercetatorul principal în optică Intel, Richard Jones, a declarat: „Avem două provocări majore în avans cu proiectul laser hibrid. În primul rând, trebuie să mutăm instalația de producție pilot de laser hibrid de la UCLA la uzina Intel. „În al doilea rând, trebuie să combinăm un laser hibrid, un modulator semiconductor de mare viteză și un multiplexor pentru a demonstra că putem crea un singur transmițător optic bazat pe tehnologia de fabricație compatibilă cu CMOS.”

Introducerea tehnologiilor fotonice cu siliciu va implica dezvoltarea de noi procese de fabricație pentru producerea laserelor la scară mare. Succesele Intel în domeniul fotonicii îi vor permite să depășească semnificativ potențialii concurenți. Laboratorul PTL a înregistrat deja aproximativ 150 de brevete. Cele mai prestigioase publicații, precum Nature, au remarcat realizările fără precedent ale specialiștilor Intel. În plus, Intel a primit premiul EE Times ACE 2007 pentru cea mai promițătoare tehnologie nouă.

Urmărind fotoni

Spre deosebire de procesele existente de producție de tranzistori bine stabilite care au fost dovedite de zeci de ani, tehnologia de creare a elementelor pentru fotonica semiconductoare este complet nouă. Există anumite probleme în calea implementării sale: optimizarea dispozitivelor, creșterea fiabilității proiectării, dezvoltarea metodologiei de testare, asigurarea eficienței energetice și dezvoltarea dispozitivelor subminiaturale.

Pentru ca noile componente să fie utilizate în practică, PTL trebuie să se asigure că componentele optice îndeplinesc criteriile de fiabilitate excepțional de ridicate ale industriei de calcul. În industria optică, de-a lungul deceniilor au fost dezvoltate standarde stricte de fiabilitate. În conformitate cu acestea, sunt necesare luni de testare înainte de începerea producției în masă a produselor noi. Dacă sunt identificate probleme în timpul acestor teste îndelungate, corectarea lor și retestarea pot întârzia semnificativ timpul de lansare pe piață al produsului.

Una dintre cele mai importante probleme este optimizarea, deoarece laboratorul PTL dezvoltă dispozitive optice pentru calculul de masă. Deși nu există alte produse, standarde sau alte puncte de referință similare, inginerii care dezvoltă ei înșiși un nou proces tehnologic caută soluții care răspund cel mai bine nevoilor aplicațiilor informatice.

În prezent, grupul de cercetare PTL, relativ mic în funcție de standardele fotoelectronice, își schimbă treptat atenția către comercializarea soluțiilor fotonice cu semiconductori și se așteaptă ca adoptarea în masă a acestei tehnologii incredibile să înceapă încă din 2010.

Un grup de specialiști în optică de la Digital Enterprise Group (DEG), condus de Victor Krutul, dezvoltă aplicații care vor oferi baza dezvoltării noii tehnologii. „Credem că prin stăpânirea comunicațiilor optice, produsele Intel vor continua să respecte Legea lui Moore”, spune Krutal.

Când fotonii, mai degrabă decât electronii, sunt utilizați pentru a transfera informații între componentele aceleiași platforme de calcul și între sisteme diferite, va avea loc următoarea revoluție a computerului. Producătorii de top de electronice din întreaga lume s-au alăturat deja acestei curse, căutând să obțină un avantaj competitiv. Semnificația noii tehnologii poate fi comparată cu inventarea circuitelor integrate. Intel este lider în această cercetare și în dezvoltarea componentelor bazate pe fotonica semiconductoare.

65 de nanometri este următorul obiectiv al uzinei de la Zelenograd Angstrem-T, care va costa 300-350 de milioane de euro. Compania a depus deja o cerere pentru un împrumut preferenţial pentru modernizarea tehnologiilor de producţie către Vnesheconombank (VEB), a informat Vedomosti în această săptămână cu referire la preşedintele consiliului de administraţie al uzinei, Leonid Reiman. Acum Angstrem-T se pregătește să lanseze o linie de producție pentru microcircuite cu o topologie de 90 nm. Plățile împrumutului anterior VEB, pentru care a fost achiziționat, vor începe la jumătatea anului 2017.

Beijingul se prăbușește pe Wall Street

Indicii cheie americani au marcat primele zile ale Anului Nou cu o scădere record, miliardarul George Soros a avertizat deja că lumea se confruntă cu o repetare a crizei din 2008.

Primul procesor rus de consum Baikal-T1, la un preț de 60 de dolari, este lansat în producție de masă

Compania Baikal Electronics promite să lanseze în producție industrială procesorul rusesc Baikal-T1 care costă aproximativ 60 de dolari la începutul anului 2016. Dispozitivele vor fi solicitate dacă guvernul creează această cerere, spun participanții de pe piață.

MTS și Ericsson vor dezvolta și implementa împreună 5G în Rusia

Mobile TeleSystems PJSC și Ericsson au încheiat acorduri de cooperare în dezvoltarea și implementarea tehnologiei 5G în Rusia. În proiecte-pilot, inclusiv în timpul Cupei Mondiale 2018, MTS intenționează să testeze evoluțiile vânzătorului suedez. La începutul anului viitor, operatorul va începe un dialog cu Ministerul Telecomunicațiilor și Comunicațiilor de Masă privind formarea cerințelor tehnice pentru a cincea generație de comunicații mobile.

Sergey Chemezov: Rostec este deja una dintre cele mai mari zece corporații de inginerie din lume

Șeful Rostec, Serghei Chemezov, într-un interviu acordat RBC, a răspuns la întrebări stringente: despre sistemul Platon, problemele și perspectivele AVTOVAZ, interesele Corporației de Stat în afacerile farmaceutice, a vorbit despre cooperarea internațională în contextul sancțiunilor. presiune, substituirea importurilor, reorganizare, strategie de dezvoltare și noi oportunități în vremuri dificile.

Rostec „se îngrădește” și încalcă laurii Samsung și General Electric

Consiliul de Supraveghere al Rostec a aprobat „Strategia de Dezvoltare până în 2025”. Principalele obiective sunt creșterea ponderii produselor civile de înaltă tehnologie și prinderea din urmă cu General Electric și Samsung în indicatori financiari cheie.