Новая прорывная технология - объединение достижений фотоники и электроники на одном чипе
Оптическая связь революционизировала передачу данных на большие расстояния, но ее масштабирование до микрочипов является более сложным делом. Теперь, однако, новая технология позволяет интегрировать оптические компоненты в чипы общего назначения, используя стандартные производственные процессы и материалы.
Свет может переносить данные быстрее, чем электрические соединения, что делает его очень привлекательным для производителей микросхем, которые хотят увеличить скорость своих устройств. И, в отличие от электропроводки, он также генерирует очень мало тепла, что существенно, если учесть огромную стоимость хранения серверов.
Но нельзя манипулировать светом так же, как электричеством, а технологические компании потратили большую часть века, совершенствуя свои технологии в области электроники. Чтобы не изобретать колесо, вырос интерес к кремниевой - попытка использовать любимый материал полупроводниковой промышленности для создания оптических схем.
Был достигнут некоторый прогресс, но, несмотря на общие ингредиенты, процессы, необходимые для создания электроники и фотоники, различны. Это означает, что объединение их в один и тот же чип сложно, поэтому несколько таких устройств, как правило, относительно дороги.
Это изменилось два с половиной года назад, когда исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли и Бостонского университета объявили, что им удалось построить микропроцессор, объединяющий электронные и оптические компоненты с использованием существующих производственных процессов.
Они построили свое устройство на пластинах из кремния, в которых есть слой стекла из двуокиси кремния под верхним слоем кремния. Это материал, обычно используемый для кремниевой фотоники и для некоторых высокопроизводительных электронных чипов, но он намного дороже, чем объемный кремний, используемый для большинства микрочипов.
Теперь те же самые исследователи представили новую технику в журнале Nature, которая позволяет комбинированной электронике и фотонике использовать тот же недорогой исходный материал и процессы, что и обычные микрочипы. Они разработали способ добавления фрагментов двуокиси кремния к объемному кремнию и затем нанесения тонкой пленки поликристаллического кремния сверху. После чего эту пленку можно было бы создать как в фотонных компонентах над стеклянными фрагментами, так и в электронных компонентах над объемным кремнием.
Помимо возможности использования гораздо более дешевого исходного материала, использование новой технологии в стандартных производственных процессах означает, что производители микросхем, заинтересованные в добавлении фотонных компонентов к своим устройствам, не должны будут делать больше дополнительной работы. «Мы могли представить себе производителя микропроцессора или производителя графического процессора, такого как Intel или Nvidia, говорящего: "Теперь у нас есть фотонный вход и выход для нашего микропроцессора или графического процессора". "И им не нужно многое менять в своем процессе, чтобы повысить производительность встроенной оптики", - заявил исследователь исследовательской лаборатории Массачусетского технологического института Амир Атабаки. Делая оба набора компонентов из того же материала не требуют компромисса.
С поликремнием существует компромисс между оптической и электрической эффективностью, поэтому потребовалась значительная оптимизация, чтобы найти правильное сочетание типов кремния, методов осаждения и температур и времени обработки. Горан Машанович, профессор Саутгемптонского университета Великобритании, который работает над Кремниевой фотоникой, также отмечает, что микрочип, построенный исследователями, использовал 65-нанометровые транзисторные процессы.
Эта технология появилась в 2006 году, и полупроводниковые гиганты теперь продвинулись к 10-нанометровым процессам, поэтому успех подхода, вероятно, будет зависеть от того, можно ли его уменьшить еще больше. Ayar Labs нацеливается на энергоемкие центры обработки данных, где внедрение нового недорогого метода может сократить использование энергии на 30-50 процентов. Они также стремятся повысить скорость и эффективность суперкомпьютеров.
По-прежнему пока нет никаких признаков того, как скоро новый подход исследователей к объемному кремнию может быть коммерциализирован, но он может иметь еще больший эффект, поскольку может использовать низкие издержки и массивную цепочку поставок существующей полупроводниковой промышленности. Таким образом, кремниевая фотоника скоро может плотно войти в нашу жизнь.
