Новая эра микроэлектроники
Новая технология функционирования интегральных схем с оптической передачей данных может стать следующим шагом в развитии микроэлектроники. Это преодолеет узкое место в существующих чипах, ускорив скорость обмена информацией и сократив потребление энергии на порядок! Такие результаты декларируются группой ученых из нескольких американских университетов в опубликованной несколько дней назад в журнале “Nature” статье.
Исследователи разработали метод изготовления кремниевых чипов, которые могут работать на основе световых сигналов, а стоит технология не дороже современной. Данный результат стал плодом многолетней работы, финансируемой Агентством перспективных разработок DARPA, в которой сотрудничали несколько команд: во главе с Владимиром Стояновичем (Vladimir Stojanovic) из калифорнийского университета Беркли, профессором Радживом Рамом (Rajeev Ram) из массачусетского технологического института и Милошем Поповичем (Milos Popovic) из бостонского университета. Также в коллаборации принимала участие исследовательская группа по производству полупроводников из университета штата Нью-Йорк в Олбани.
Физическим препятствием развития современной микроэлектроники стала скорость передачи электрических сигналов. Традиционный метод по проводам и дорожкам исчерпал свои возможности и не удовлетворяет запросам по движению технологии вперед. Кроме того, он требует для работы много энергии и выделяет большое количество тепла. Единственным найденным и реализованным решением для преодоления этого барьера стало освоение оптической передачи данных. Теперь возможен дальнейший технологический прогресс - более высокая производительность при меньшей потребляемой мощности.
Вместо классического металлического провода, по которому можно передать данные со скоростью от 10 до 100 гигабит в секунду, теперь используется оптическое волокно, увеличивающая это значение более чем в 100 раз - да 10-20 терабит в секунду, - объясняет Попович.
При замене медного провода оптоволокном можно получить множество плюсов. Световым сигналом можно передавать данные на гораздо более высоких частотах и без существенной потери энергии. К тому же можно использовать много разных диапазонов (цветов) световых волн в одном волокне, и каждый из них может образовывать свой канал информации. Еще одним удобством стало то, что оптоволокна могут быть расположены в схеме более плотно, чем металлические, без создания взаимных помех друг другу.
Раньше процесс внедрения оптоволокна в современные чипы, которые используются в любой электронике, в компьютерах и в смартфонах, был затруднен из-за производственных ограничений. Современные чипы выпускаются дошедшими до совершенства технологиями, способными печатать миллиарды транзисторов на одной схеме. Эти производственные процессы разрабатывались без использования оптоволокна и внедрение в них этой новинки без уменьшения текущих электронных показателей работы схем оказалась весьма сложной задачей.
Первым крупным успехом стала показанная в 2015 году разработка этих же ученых. Они продемонстрировали первый в мире микропроцессор с возможностью передачи оптических данных и создали технологический процесс по его производству. Созданный ими стартап Ayar Labs, Inc. начал сотрудничать с крупным производителем микроэлектроники GlobalFoundries для коммерциализации этой технологии.
Однако тот подход был применим лишь к небольшой части современных микросхем, они не смогли переделать наиболее распространенный вид чипов, которые используют исходный материал, называемый объемным кремнием.
За три года ученые доработали свой метод для применения во всех коммерчески распространенных чипах. В новом технологическом решении вводится набор новых слоев кремниевой основы для обработки оптических сигналов. По их заверениям, любой современный промышленный процесс производства интегральных схем может быть легко дополнен предлагаемым решением.
Новая технология привносит фотонику в современные микросхемы, это сулит быструю и эффективную передачу данных, что позволит значительно улучшить вычислительную мощность и компактность электроники. Подобные чипы должны показать себя в разных приложениях, например таких как обучение в искусственных нейронных сетях, задачи распознавания изображений и речи, идентификация лиц и дополненная реальность. Кроме этого, на основе оптической микроэлектроники смогут создать новые типы защиты данных и аппаратную аутентификацию, более мощные процессоры для беспроводных сетей пятого поколения (5G).
Для современных и будущих технологий производства полупроводниковых схем с размерами транзисторов менее 20 нм не существует другого способа интегрировать оптическую обработку сигналов, кроме найденного нами подхода, - заявляет Владимир Стоянович. Слои кремния, используемые для формирования полупроводников, стали слишком тонкими, и для поддержки фотоники необходимы дополнительные слои - технологию их сопряжения смогли придумать ученые. Теперь дело за промышленностью.
