Silikonska fotonika kao alternativa bakrenim interkonekcijama. Silicijumska fotonika: hoće li svjetlost zamijeniti električnu energiju? Trenutno stanje i izgledi razvoja silicijumske fotonike

Protekla 2007. bila je veoma uspešna za razvoj mnogih Intelovih tehnologija, uključujući i oblast silicijumske fotonike. Magazin MIT Technology Review uporedio je Intelova najnovija revolucionarna dostignuća u ovoj oblasti sa trostrukom pobedom na trkama - ovako su posmatrači vodeće publikacije ocenili seriju zvaničnih saopštenja korporacije. Prema Justinu Rattner-u, direktoru za tehnologiju i šefu Intelove korporativne tehnološke grupe, „Empirijski smo pokazali da proizvodne tehnologije kompatibilne sa silicijumskom CMOS tehnologijom dizajna omogućavaju stvaranje poluprovodničkih optičkih uređaja.

Dokazivanje ove činjenice bilo je veliko dostignuće, ali nisu potrebni ništa manje značajni koraci za dalji razvoj ovog tehnološkog pravca. Sada moramo naučiti kako da integrišemo silicijumske fotoničke uređaje u standardne kompjuterske komponente; Još uvijek ne znamo kako to učiniti. Ali u isto vrijeme, nastavljamo aktivno raditi s odjelima uključenim u razvoj različitih vrsta proizvoda kako bismo proizvođačima ponudili modele za korištenje poluvodičke fotonike u Intelovim rješenjima."

Silicijumska fotonika kao sredstvo za uklanjanje uskih grla na putu ka eri tera računarstva

Silicijumska fotonika je kritična komponenta dugoročne strategije razvoja Corporate Technology Group koja ima za cilj ubrzanje prelaska na tera computing. Činjenica je da se razvojem višejezgrenih procesora sa ogromnom računarskom snagom pojavljuju novi problemi za inženjere. Na primjer, zahtjev za brzinom komunikacije između memorije i procesora uskoro će premašiti fizička ograničenja koja nameću bakarni provodnici, a brzina prijenosa električnih signala će postati sporija od brzine procesora. Već su performanse moćnih računarskih sistema često ograničene brzinom razmjene podataka između procesora i memorije. Današnje tehnologije prijenosa podataka dizajnirane su za mnogo manji propusni opseg u odnosu na fotoniku, a kako se udaljenost na kojoj se prenose podaci povećavaju, brzina prijenosa postaje još sporija.

Testovi prototipa optičkog memorijskog modula pokazali su da se svjetlost, a ne struja, može koristiti za pristup memoriji servera

"Moramo uskladiti brzinu prijenosa podataka između komponenti računarske platforme sa brzinom procesora. Ovo je zaista vrlo važan zadatak. Mi vidimo silicijumsku fotoniku kao rješenje za ovaj problem i stoga imamo istraživački program koji omogućava nam da zauzmemo vodeću poziciju u ovoj oblasti", rekao je Kevin Kahn, istaknuti istraživač u Intel Corporation.

Tim predvođen Intelovim vodećim istraživačem optike, Drewom Alduinom, razvija optički sistem komunikacije procesor-memorija za Intelove platforme. Test platforma je već kreirana na bazi potpuno baferovane FB-DIMM memorije, na kojoj se pokreće i radi Microsoft Windows. Trenutni prototip je dokaz mogućnosti povezivanja memorije sa procesorom pomoću optičkih komunikacionih linija bez ugrožavanja performansi sistema.

Kreiranje komercijalne verzije takvog rješenja ima ogromne prednosti za korisnike. Optički komunikacioni sistemi će eliminisati usko grlo između memorijskog opsega i brzine procesora i poboljšati ukupne performanse računarske platforme.

Od istraživanja do implementacije

Tehnološka laboratorija Photonics, koju vodi Intelov istaknuti istraživač Mario Paniccia, dokazala je da se sve optičke komunikacijske komponente — laser, modulator i demodulator — mogu proizvesti od poluvodiča korištenjem postojećih proizvodnih tehnologija. PTL je već pokazao kritične silikonske fotoničke komponente koje rade s rekordnim performansama, uključujući modulatore i demodulatore koji isporučuju brzine podataka do 40 Gbps.

Za implementaciju tehnologije poluvodičke fotonike potrebno je šest glavnih komponenti:

• fotoni koji emituju laser;
• modulator za pretvaranje toka fotona u tok informacija za prijenos između elemenata računarske platforme;
• talasovode, koji se ponašaju kao "prenosne linije" za isporuku fotona na njihova odredišta i multipleksori za kombinovanje ili razdvajanje svetlosnih signala;
• kućište, posebno potrebno za kreiranje tehnologija sklapanja i jeftinih rješenja koja se mogu koristiti u masovnoj proizvodnji PC-a;
• demodulator za primanje tokova fotona koji nose informacije i njihovo pretvaranje nazad u tok elektrona, dostupan za obradu od strane kompjutera;
• elektronskih kola za upravljanje ovim komponentama.

Pitanje implementacije svih ovih optičkih komunikacionih komponenti korištenjem poluvodičkih tehnologija široko je prepoznato kao veliki istraživački problem čije će rješenje dovesti do velikog tehničkog iskora. PTL je već postavio brojne svjetske rekorde razvijajući uređaje visokih performansi, modulatore, pojačala i demodulatore koji pružaju brzine prijenosa podataka do 40 Gbps. Tokom narednih pet godina, Intel će nastojati da integriše ove komponente u stvarne proizvode.

U polju poluprovodničke fotonike, Intel je već ušao u domaću oblast. Istraživanja u oblasti integracije optičkih elemenata već su prešla iz faze naučnog ili tehnološkog razvoja u fazu stvaranja komercijalnih proizvoda. Istraživački tim je sada fokusiran na identifikaciju mogućnosti i specifikacija za dizajniranje inovativnih proizvoda zasnovanih na ovoj revolucionarnoj tehnologiji. Na kraju, Intelovi timovi kreiraju prototipove i blisko sarađuju sa timovima za razvoj proizvoda kako bi ubrzali usvajanje nove tehnologije.

Pored sopstvenih aktivnosti, Intel finansira neka od najperspektivnijih istraživanja u ovoj oblasti van CTG-a – posebno, sarađuje sa Kalifornijskim univerzitetom u Santa Barbari, koji razvija hibridni poluprovodnički laser. Talentovani diplomci sa raznih univerziteta iz drugih zemalja takođe prolaze praksu u PTL laboratoriji.

Vodeći Intelov istraživač optike, Richard Jones, rekao je: "Imamo dva velika izazova u budućnosti u razvoju hibridnog laserskog projekta. Prvo, moramo premjestiti pogon za proizvodnju hibridnih laserskih pilota iz UCLA u Intelovu tvornicu. "Drugo, moramo kombinovati hibridni laser, brzi poluvodički modulator i multiplekser kako bismo dokazali da možemo stvoriti jedan optički predajnik baziran na CMOS kompatibilnoj proizvodnoj tehnologiji.”

Uvođenje tehnologije silicijumske fotonike će uključivati ​​razvoj novih proizvodnih procesa za proizvodnju lasera u velikim količinama. Intelovi uspjesi u oblasti fotonike omogućit će mu da značajno nadmaši potencijalne konkurente. PTL Laboratorija je već registrovala oko 150 patenata. Najprestižnije publikacije, poput Nature, zabilježile su neviđena dostignuća Intelovih stručnjaka. Pored toga, Intel je nagrađen 2007 EE Times ACE Award za najperspektivniju novu tehnologiju.

U lovu na fotone

Za razliku od postojećih uhodanih procesa proizvodnje tranzistora koji su dokazani decenijama, tehnologija izrade elemenata za poluvodičku fotoniku je potpuno nova. Postoje određeni problemi na putu njegove implementacije: optimizacija uređaja, povećanje pouzdanosti dizajna, razvoj metodologije ispitivanja, osiguranje energetske efikasnosti i razvoj subminijaturnih uređaja.

Da bi se nove komponente koristile u praksi, PTL mora osigurati da optičke komponente ispunjavaju izuzetno visoke kriterije pouzdanosti u računarskoj industriji. U optičkoj industriji, strogi standardi pouzdanosti razvijani su decenijama. U skladu s njima, prije početka masovne proizvodnje novih proizvoda potrebni su mjeseci testiranja. Ako se uoče problemi tokom ovih dugih testova, njihovo ispravljanje i ponovno testiranje mogu značajno odgoditi vrijeme izlaska proizvoda na tržište.

Jedan od najvažnijih problema je optimizacija, jer PTL laboratorija razvija optičke uređaje za masovno računanje. Iako nema drugih sličnih proizvoda, standarda ili drugih referentnih tačaka, inženjeri koji razvijaju novi tehnološki proces sami traže rješenja koja najbolje odgovaraju potrebama računalnih aplikacija.

Trenutno, PTL istraživačka grupa, relativno mala po fotoelektroničkim standardima, postepeno prebacuje svoj fokus na komercijalizaciju poluvodičkih fotoničkih rješenja i očekuje da će masovno usvajanje ove nevjerovatne tehnologije početi već 2010.

Grupa stručnjaka za optiku iz Digital Enterprise Group (DEG), koju predvodi Victor Krutul, razvija aplikacije koje će pružiti osnovu za razvoj nove tehnologije. „Vjerujemo da će savladavanjem optičkih komunikacija, Intelovi proizvodi i dalje biti u skladu s Mooreovim zakonom“, kaže Krutal.

Kada se fotoni, a ne elektroni, koriste za prijenos informacija između komponenti iste računarske platforme i između različitih sistema, dogodit će se sljedeća kompjuterska revolucija. Vodeći proizvođači elektronike širom svijeta već su se pridružili ovoj utrci, nastojeći da steknu konkurentsku prednost. Značaj nove tehnologije može se uporediti sa pronalaskom integrisanih kola. Intel je vodeći u ovom istraživanju i razvoju komponenti zasnovanih na poluvodičkoj fotonici.

Protekla 2007. bila je veoma uspešna za razvoj mnogih Intelovih tehnologija, uključujući i oblast silicijumske fotonike. Magazin MIT Technology Review uporedio je Intelova najnovija revolucionarna dostignuća u ovoj oblasti sa trostrukom pobedom na trkama - ovako su posmatrači vodeće publikacije ocenili seriju zvaničnih saopštenja korporacije.

Prema Justinu Rattner-u, tehnološkom direktoru i šefu Intelove korporativne tehnološke grupe, „Empirijski smo pokazali da proizvodne tehnologije kompatibilne sa CMOS silikonskim dizajnom omogućavaju stvaranje poluvodičkih optičkih uređaja. Dokazivanje ove činjenice bilo je veliko dostignuće, ali nisu potrebni ništa manje značajni koraci za dalji razvoj ovog tehnološkog pravca. Sada moramo naučiti kako da integrišemo silicijumske fotoničke uređaje u standardne kompjuterske komponente; Još uvijek ne znamo kako to učiniti. Ali u isto vrijeme, nastavljamo aktivno raditi s odjelima uključenim u razvoj različitih vrsta proizvoda kako bismo proizvođačima ponudili modele za korištenje poluvodičke fotonike u Intelovim rješenjima.”

Istraživači u Intelu razvili su prvi poluvodički čip na svijetu koji je sposoban za proizvodnju visokokvalitetnih kontinuiranih laserskih zraka. Osam lasera je integrisano u jedan silikonski čip.

Silicijumska fotonika kao sredstvo za uklanjanje uskih grla na putu ka eri tera računarstva

Silicijumska fotonika je kritična komponenta dugoročne strategije razvoja Corporate Technology Group koja ima za cilj ubrzanje prelaska na tera computing. Činjenica je da se razvojem višejezgrenih procesora sa ogromnom računarskom snagom pojavljuju novi problemi za inženjere. Na primjer, zahtjev za brzinom komunikacije između memorije i procesora uskoro će premašiti fizička ograničenja koja nameću bakarni provodnici, a brzina prijenosa električnih signala će postati sporija od brzine procesora. Već su performanse moćnih računarskih sistema često ograničene brzinom razmjene podataka između procesora i memorije. Današnje tehnologije prijenosa podataka dizajnirane su za mnogo manji propusni opseg u odnosu na fotoniku, a kako se udaljenost na kojoj se prenose podaci povećavaju, brzina prijenosa postaje još sporija.

“Neophodno je brzinu prijenosa podataka između komponenti računarske platforme uskladiti sa brzinom procesora. Ovo je zaista veoma važan zadatak. Vidimo silicijumsku fotoniku kao rešenje za ovaj problem i sprovodimo istraživački program koji nas postavlja na čelo ove oblasti,” rekao je Intelov istaknuti istraživački inženjer Kevin Kan.

Testovi prototipa optičkog memorijskog modula su pokazali da se svjetlost, a ne električna energija, može koristiti za pristup memoriji servera.

Tim predvođen Intelovim vodećim istraživačem optike, Drewom Alduinom, razvija optički sistem komunikacije procesor-memorija za Intelove platforme. Test platforma je već kreirana na bazi potpuno baferovane FB-DIMM memorije, na kojoj se pokreće i radi Microsoft Windows. Trenutni prototip je dokaz mogućnosti povezivanja memorije sa procesorom pomoću optičkih komunikacionih linija bez ugrožavanja performansi sistema.

Kreiranje komercijalne verzije takvog rješenja ima ogromne prednosti za korisnike. Optički komunikacioni sistemi će eliminisati usko grlo između memorijskog opsega i brzine procesora i poboljšati ukupne performanse računarske platforme.

Od istraživanja do implementacije

Tehnološka laboratorija Photonics, koju vodi Intelov istaknuti istraživač Mario Paniccia, dokazala je da se sve optičke komunikacijske komponente — laser, modulator i demodulator — mogu proizvesti od poluvodiča korištenjem postojećih proizvodnih tehnologija. PTL je već pokazao kritične silikonske fotoničke komponente koje rade s rekordnim performansama, uključujući modulatore i demodulatore koji isporučuju brzine podataka do 40 Gbps.

Za implementaciju tehnologije poluvodičke fotonike potrebno je šest glavnih komponenti:

• fotoni koji emituju laser;
• modulator za pretvaranje toka fotona u tok informacija za prijenos između elemenata računarske platforme;
• talasovode, koji se ponašaju kao "prenosne linije" za dostavu fotona na njihova odredišta, i multipleksori za kombinovanje ili razdvajanje svetlosnih signala;
• kućište, posebno potrebno za kreiranje tehnologija sklapanja i jeftinih rješenja koja se mogu koristiti u masovnoj proizvodnji PC-a;
• demodulator za primanje tokova fotona koji nose informacije i njihovo pretvaranje natrag u tok elektrona dostupnih za obradu od strane kompjutera;
• elektronskih kola za upravljanje ovim komponentama.

%%%
Pitanje implementacije svih ovih optičkih komunikacionih komponenti korištenjem poluvodičkih tehnologija široko je prepoznato kao veliki istraživački problem čije će rješenje dovesti do velikog tehničkog iskora. PTL je već postavio brojne svjetske rekorde razvijajući uređaje visokih performansi, modulatore, pojačala i demodulatore koji pružaju brzine prijenosa podataka do 40 Gbps. Tokom narednih pet godina, Intel će nastojati da integriše ove komponente u stvarne proizvode.

Jedna od ključnih komponenti silicijumske fotonike je modulator koji obezbeđuje brzine prenosa do 40 Gbit/s.

U polju poluprovodničke fotonike, Intel je već ušao u domaću oblast. Istraživanja u oblasti integracije optičkih elemenata već su prešla iz faze naučnog ili tehnološkog razvoja u fazu stvaranja komercijalnih proizvoda. Istraživački tim je sada fokusiran na identifikaciju mogućnosti i specifikacija za dizajniranje inovativnih proizvoda zasnovanih na ovoj revolucionarnoj tehnologiji. Na kraju, Intelovi timovi kreiraju prototipove i blisko sarađuju sa timovima za razvoj proizvoda kako bi ubrzali usvajanje nove tehnologije.

Pored sopstvenih aktivnosti, Intel finansira neka od najperspektivnijih istraživanja u ovoj oblasti van CTG-a – posebno, sarađuje sa Kalifornijskim univerzitetom u Santa Barbari, koji razvija hibridni poluprovodnički laser. Talentovani diplomci sa raznih univerziteta iz drugih zemalja takođe prolaze praksu u PTL laboratoriji.

Vodeći Intelov istraživač optike, Richard Jones, rekao je: „Suočavamo se s dva velika izazova u trenutnom projektu hibridnog poluvodičkog lasera. Prvo, moramo premjestiti pilot proizvodnju hibridnog lasera sa Univerziteta u Kaliforniji u Intelovu fabriku. Drugo, moramo kombinirati hibridni laser, brzi poluvodički modulator i multiplekser kako bismo dokazali da možemo stvoriti jedan optički predajnik baziran na CMOS kompatibilnoj proizvodnoj tehnologiji.”

Uvođenje tehnologije silicijumske fotonike će uključivati ​​razvoj novih proizvodnih procesa za proizvodnju lasera u velikim količinama. Intelovi uspjesi u oblasti fotonike omogućit će mu da značajno nadmaši potencijalne konkurente. PTL Laboratorija je već registrovala oko 150 patenata. Najprestižnije publikacije, poput Nature, zabilježile su neviđena dostignuća Intelovih stručnjaka. Pored toga, Intel je nagrađen 2007 EE Times ACE Award za najperspektivniju novu tehnologiju.

U lovu na fotone

Za razliku od postojećih uhodanih procesa proizvodnje tranzistora koji su dokazani decenijama, tehnologija izrade elemenata za poluvodičku fotoniku je potpuno nova. Postoje određeni problemi na putu njegove implementacije: optimizacija uređaja, povećanje pouzdanosti dizajna, razvoj metodologije ispitivanja, osiguranje energetske efikasnosti i razvoj subminijaturnih uređaja.

Ispitni sto za 40 Gigabitni silikonski laserski modulator

Jedan od najvažnijih problema je optimizacija, jer PTL laboratorija razvija optičke uređaje za masovno računanje. Iako nema drugih sličnih proizvoda, standarda ili drugih referentnih tačaka, inženjeri koji razvijaju novi tehnološki proces sami traže rješenja koja najbolje odgovaraju potrebama računalnih aplikacija.

Trenutno, grupa istraživača iz PTL laboratorije, relativno male po fotoelektroničkim standardima, postepeno prelazi na komercijalizaciju rješenja poluvodičke fotonike i očekuje da bi masovno usvajanje ove nevjerovatne tehnologije moglo početi već 2010. godine. Grupa stručnjaka za optiku iz Digital Enterprise Group (DEG) pod vodstvom Viktora Krutula razvija aplikacije koje će pružiti osnovu za razvoj nove tehnologije. „Vjerujemo da će savladavanjem optičkih komunikacija, Intelovi proizvodi i dalje biti u skladu s Mooreovim zakonom“, kaže Krutal.

Kada se fotoni, a ne elektroni, koriste za prijenos informacija između komponenti iste računarske platforme i između različitih sistema, dogodit će se sljedeća kompjuterska revolucija. Vodeći proizvođači elektronike širom svijeta već su se pridružili ovoj utrci, nastojeći da steknu konkurentsku prednost. Značaj nove tehnologije može se uporediti sa pronalaskom integrisanih kola. Intel je vodeći u ovom istraživanju i razvoju komponenti zasnovanih na poluvodičkoj fotonici.

Silicijumski fotonski čip, rezultat desetogodišnjeg istraživanja, sposoban je da prenosi podatke pomoću svetlosnih impulsa brzinom do 100 Gbps. Tokom testiranja, razdaljina prenosa je dostigla dva kilometra.

Svetlost omogućava prenos podataka brže od bakarnih kablova koji povezuju sisteme za skladištenje, mrežnu opremu i servere u procesnim centrima. Silicijumski fotonski čip će omogućiti povezivanje servera i superračunara budućih generacija brzim optičkim vezama, u kojima se ogromne količine podataka moraju prenositi između računarskih čvorova.

IBM razvija svoju tehnologiju imajući na umu podatkovne centre i ne očekuje se da će uskoro postati PC ili ručni uređaj, rekao je Wilfird Hensch, viši menadžer IBM-ovog odjeljenja za silikonsku fotoniku.

Silicijumske fotoničke tehnologije imaju potencijal da fundamentalno promene način na koji se serveri postavljaju u data centrima zbog mogućnosti odvajanja jedinica za obradu, memoriju i skladištenje jedne od drugih. Kao rezultat ovog razdvajanja, aplikacije će moći raditi brže, a troškovi komponenti će biti smanjeni konsolidacijom ventilatora i napajanja.

Zbog sve veće upotrebe sistema mašinskog učenja i obrade velikih podataka, danas raste potražnja za računarskom snagom servera. Sa optičkim interkonekcijama, desetine procesora mogu komunicirati unutar jednog serverskog stalka, što olakšava distribuciju zadataka za obradu sa više čvorova, kaže Richard Doherty, direktor istraživanja u The Envisioneering Group.

Sa optičkim interkonekcijama, serveri bi se, kao i diskovi, mogli lako zamijeniti bez prekida na osnovu potreba za računarskom snagom, dodao je.

Svjetlost se već koristi za prijenos podataka na velike udaljenosti u komunikacijskim mrežama, ali tehnologija optičkih vlakana nije jeftina. Optički kablovi su takođe podržani Thunderbolt interfejsom, koji se koristi u Mac računarima i PC računarima za brzu razmenu podataka sa perifernim uređajima.

IBM-ova tehnologija silikonske fotonike jeftinija je i ima kraći domet od optičke opreme telekomunikacijske mreže, kaže Hensch.

Intel je takođe kreirao silikonsko-fotonske čipove za data centre, ali korporacija nije uspela da ispuni najavljene datume objavljivanja. IBM možda nije prvi koji je predložio silikonsko-fotonski predajnik, ali njegova tehnologija je održivija i manje složena od Intelove, smatra Doherty.

Prema njegovim riječima, IBM čip je lakši i jeftiniji za proizvodnju i ima jednostavnu strukturu, dok Intelovo rješenje zahtijeva dodatne fizičke komponente.

Sam Intel, međutim, tvrdi da su njegovi optički moduli integrisani i da imaju prednosti u smislu testiranja i cene.

Čipovi dvije kompanije prenose podatke na potpuno različite načine, a svaki ima svoje prednosti. IBM-ov čip je dizajniran da prenosi četiri kanala različitih talasnih dužina preko jednog vlakna, dok je Intelova tehnologija skalabilnija, omogućavajući više žica u kablu, rekao je Doherty.

Intel ima MXC optičke kablove sa do 64 jezgra, od kojih svaka ima brzinu prenosa od 25 Gbps. Ali povećanje broja vlakana može biti skupo, a IBM-ova opcija s jednim jezgrom može zadovoljiti zahtjeve brzine i udaljenosti mnogih podatkovnih centara po nižoj cijeni, dodao je Doherty.

IBM nije rekao kada bi njegovi silicijumski fotonski čipovi mogli doći na tržište.

Fotonička logika još neće zamijeniti poluvodičku logiku, ali se već može koristiti za prijenos podataka. I između uređaja i između jezgri procesora.

Gledajući nedavnu najavu novih hardverskih proizvoda iz Apple-a, želi se reći da su nove tehnologije poput tropskog zelenila: još jučer je bio mali zakržljali izdanak, ali danas već postoji moćna loza koja je duboko ukorijenila i čvrsto prigrlila tržišno deblo kompjuterske tehnologije sa svojim izdancima.

Pojava prvih Mac-ova sa Thunderbolt interfejsom dočekana je sa radoznalošću, ali ništa više. Takođe je svojevremeno tržište gledalo na neobičan FireWire port u Apple PowerBook 3G laptopovima.

Naknadno uključivanje Thunderbolta, u kombinaciji sa Display Portom, u gotovo svu Apple računarsku opremu natjeralo je proizvođače perifernih uređaja da ozbiljno razmisle o podršci ovoj tehnologiji. Na sreću, novi kontroler koji je razvio Intel istovremeno podržava i Thunderclap i USB 3.0 specifikaciju. A ako je sve jasno sa najnovijim interfejsom, onda je Thunderbolt pun misterija. Koji?

Pa, na primjer, iz serije "What's in your name?" Na kraju krajeva, Thunderbolt je tržišni naziv za Intelovu tehnologiju istraživanja Light Peak, gdje je ključna riječ svjetlo. Tih deset gigabita u sekundi koje Thunderbolt sada nudi potrošačima, prenoseći podatke preko bakrenih žica na udaljenosti do tri metra, zaista su cvijeće u poređenju sa pedeset gigabita u sekundi koje Light Peak pruža preko optičkog kabla preko sto metara.

Pojava optičke verzije Thunderbolta stvar je bliske budućnosti. Budućnost u kojoj će, uz mikroelektroniku na koju smo navikli, “kraljica svjetla” - fotonika - početi pomagati u obradi podataka.

O tome kako Intel koristi fotoniku u svojoj tehnologiji velike brzine razmjene podataka Silicon Photonics Link možete pročitati u članku „Preuzmite u sekundi: napredak u silikonskoj fotonici“.

Intelova silicijumska fotonička rešenja će obezbediti pedeset gigabita u sekundi propusnog opsega računarskog perifernog interfejsa

Vrijeme je da detaljnije pogledamo komponente sistema baziranih na silikonskoj fotonici. Sistemi, jer Intelova rješenja daleko od toga da su jedina. I što je najvažnije, danas to više nisu samo laboratorijske vježbe. Silicijum fotonika je stekla sve potrebne mogućnosti i sasvim je spremna za plodnu saradnju sa postojećim mikroelektronskim rešenjima.

Primjer takve saradnje je junak tekućeg materijala - IBM-ov projekat prikladno nazvan SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Photonics. Cigle tehnologije

Može li fotonika u potpunosti zamijeniti elektroniku u mikrokolama? Vjerovatno ne. Širenje svjetlosti temelji se na zakonima optike, što nameće značajna ograničenja u dizajnu osnovnih komponenti kao što su tranzistori, kondenzatori i diode. Ne, pokušaji da se razviju optički analogi tranzistora napravljeni su davno, a ni danas ne prestaju. Ali ne mogu se takmičiti sa dokazanom CMOS tehnologijom.

Kolo fotonskog tranzistora predloženo je još osamdesetih godina prošlog stoljeća

Ono u čemu se fotonika zaista ističe je u implementaciji brzih veza između komponenti digitalnog kola. Odnosno, na onim mjestima gdje elektronika počinje da klizi sve aktivnije. Povećanje stepena integracije komponenti mikrokola utiče na veličinu metalnih provodnika koji ih povezuju. Prelaskom na CMOS proizvodni proces od dvadeset dva nanometra, inženjeri su se suočili sa problemom prolaznih pojava u minijaturnim bakarnim sabirnicama. Ove pojave lako mogu dovesti do grešaka u radu složenog računarskog sistema čvrsto upakovanog u silicijumski čip.

Upotreba fotonike kao komunikacijskog medija za mikrokola omogućava tehnolozima da istovremeno oslobode nove čipove od utjecaja prolaznih procesa u bakrenim provodnicima i značajno smanje zagrijavanje mikrokola. Za razliku od elektrona, koji neproduktivno pretvaraju svoju energiju u toplinu, fotoni, krećući se duž optičkog vodiča, uopće ne rasipaju toplinu.

Dakle, kompromisno rješenje je kombinacija elektronike i fotonike. Elektronika zadržava osnovu digitalnih kola, a fotonika preuzima ulogu univerzalnog provodnog medija.

Šta je potrebno za takvo okruženje? Prije svega, izvor fotona je laser. Sljedeći je provodni medij kroz koji se fotoni mogu širiti unutar mikrokola - valovoda. Da bi se nule i jedinice koje formiraju elektroničke komponente pretvorile u svjetlosni tok i za inverznu konverziju bit će potrebni modulatori i demodulatori, ali, naravno, ne jednostavni, već optički.

Pa, da bi se postigla visoka propusnost koju zahtijevaju kanali trenutnih integriranih kola, bit će potrebni multiplekseri i demultiplekseri (također, naravno, optički). Štaviše, sve ove komponente moraju biti implementirane na istoj silikonskoj bazi koja se koristi za CMOS tehnologiju.

Razvoj ovih "građevnih blokova" je put kojim je silicijumska fotonika sledila poslednjih dvadeset godina. Za to vrijeme predloženo je mnogo jedinstvenih rješenja, koja su bila upravo „zbir tehnologija“ koja je omogućila fotonici da pređe na kvalitativno novi nivo. Nivo integrisanih optičko-elektronskih kola.

Silicijumski laseri

Zapravo, izraz "silicijumski laser" je oksimoron. Budući da je takozvani indirektni poluprovodnik, silicijum je potpuno nesposoban da emituje svetlost. Zbog toga telekomunikacije sa optičkim vlaknima koriste rješenja zasnovana na drugim (direktnim) poluprovodnicima, kao što je galijum arsenid. Istovremeno, silicijum je odličan za kreiranje talasovoda i detekciju optičkih signala u električne.

U čemu je problem? Možete koristiti laser izvan silikonskog kola ili razviti hibridno kolo bazirano na silicijumu i, na primjer, galij arsenidu. Ali nijedno rješenje se ne može smatrati djelotvornim. U slučaju korišćenja eksternog lasera (a u savremenim optičkim sistemima na makro nivou to se radi), na mikro nivou je gotovo nemoguće precizno kalibrisati snop u odnosu na talasovod veličine nanometara. Uključivanje galijum arsenida u proces proizvodnje CMOS čipova nije uspelo. Ova dva poluprovodnika zahtevaju veoma različite uslove proizvodnje.

Dakle, hoće li silicijumski laser nikada vidjeti (ili bolje rečeno emitovati) svjetlost? Naravno da ne. Silicij se može učiniti da svijetli korištenjem raznih trikova. Na primjer, dopiranje sa materijalom koji će emitovati fotone izvan silicija. Ili promijenite strukturu samog silicijuma na takav način da će biti prisiljen svijetliti. Treći način je korištenje Ramanskog raspršenja (takođe zvanog Ramanovo raspršivanje), koje privremeno pretvara silicij u poluvodič s gotovo direktnim razmakom.

Jedan od načina da silicijum sjaji je stvaranje porozne silikonske strukture

Šema i mikrograf Raman lasera

Trenutno, naučnici su postigli najveći uspeh u oblasti tehnologija dopinga silicijumom. Najpoznatija implementacija silikonskog lasera sa kontinualnim talasom zasnovana na njima je laser koji je razvio Intel u saradnji sa Univerzitetom Kalifornije, Santa Barbara. Naučnici su uspjeli "zalijepiti" indijum fosfid poluprovodnika sa direktnim razmakom na silicijumski talasovod koristeći oksid. Debljina "ljepka" je samo 25 atoma. Stvaranjem razlike potencijala između silicijuma i indijum fosfida (to se zove "električno pumpanje"), postigli su formiranje fotona, koji kroz "lepak" prodiru u silicijumski talasovod.

Šematski dijagram hibridnog silikonskog lasera s kontinuiranim valovima

Na osnovu ove šeme kreiraju se varijante hibridnog silicijumskog lasera sa različitim talasnim dužinama (infracrveni opseg, transparentan za silicijum), što omogućava implementaciju višekanalnog komunikacionog sistema.

Silicijumski modulatori

Struja fotona koje emituje silikonski laser može se smatrati nosećom frekvencijom koju treba modulirati binarnim signalom.

Optički modulatori su smatrani nemogućim sve dok naučnici nisu odlučili da iskoriste fenomen svjetlosne interferencije. Općenito, modulirani optički signal može se dobiti interferencijom referentnog snopa svjetlosti i zraka koji prolazi kroz materijal koji mijenja indeks loma pod utjecajem električne struje (tzv. elektrooptički efekat). Nažalost, silicijum nas je i ovdje iznevjerio - njegova simetrična kristalna rešetka ne dozvoljava da se ostvari elektrooptički efekat. Doping je ponovo došao u pomoć.

Naučnici su razdvojili silicijumski talasovod i izgradili sloj silicijum nitrida na jednom od njegovih krakova, koji je istezao kristalnu rešetku silicijuma. Primjena napona na ovu dionicu dovodi do prelamanja svjetlosti u ovom kraku valovoda. Istovremeno, u drugom kraku se širi isti tok bez izobličenja.

Mikrofotografija preseka kraka prelamanja svetlosti u Mach-Zehnder modulatoru

Implementacija cijelog Mach-Zehnder modulatora i njegovih varijanti.

Kombinacija ovih fluksova na izlazu rezultira njihovom interferencijom, a izlazni fluks će se modulirati primjenom napona na kraku valovoda od silicijum nitrida. Naučnici nisu morali ponovo izmišljati točak. Sličan efekat se široko koristi u Mach-Zehnderovim interferometrima. Stoga su silicijumski modulatori i demodulatori nazvani potpuno istim imenom.

Silicijumski multipleksori

Višestruki modulirani svetlosni tokovi iz više lasera sa različitim talasnim dužinama mogu značajno povećati propusnost komunikacionog kanala paralelizacijom prenosa podataka. Ali kako se ove mnoge niti mogu spojiti u jednu? Štaviše, na način da se dobijeni ukupni protok na izlazu može ponovo podijeliti. Tu u pomoć priskaču multipleksori. Optički, naravno.

Ideja optičkog multipleksera zasnovanog na nizu talasovoda (AWG)

Mikrograf AWG multipleksora

Optički multiplekser baziran na kaskadi Mach-Zehnderovih modulatora

Trenutno je predložena tehnologija za mikrominijaturno multipleksiranje svjetlosti putem njegovog spektralnog multipleksiranja (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Najčešće se za implementaciju koristi difrakciona struktura zasnovana na nizu talasovoda i ogledala (AWG - Arrayed Waveguide Grating), u kojoj se svaki svetlosni snop kreće duž sopstvenog talasovoda, zakrivljenog u skladu sa svojom talasnom dužinom. Kada se ovi talasovodi spoje, daju rezultirajući spektralno gust fluks. Drugo uobičajeno rješenje je korištenje kaskade Mach-Zehnderovih modulatora koji su nam već poznati.

IBM SNIPER. Silicijum terabit

Rešenja u oblasti silicijumske fotonike koje je predložio Intel imaju za cilj unapređenje fotonskih tehnologija u oblasti interfejsa perifernih uređaja. Neposredna komercijalna perspektiva je pedeset gigabitna optička verzija Thunderbolt interfejsa (možda će se do trenutka industrijske implementacije zvati drugačije). Dugoročno, Intel razmatra povećanje propusnosti na dvije stotine gigabita u sekundi. Reći da je brz znači ne reći ništa: na primjer, sadržaj DVD diska ovom brzinom može se prenijeti u jednoj sekundi.

IBM Research laboratorija je sebi postavila potpuno isti cilj. Postavio sam i postigao! Istina, IBM planira da koristi svoj terabit ne u komunikacionim interfejsima, već u brzim magistralama koje povezuju jezgre višejezgrenog procesora.

Internuklearna komunikacija zasnovana na silicijumskoj fotonici

SNIPER projektna ideja iz IBM Research-a (fotonski dio kola je prikazan plavom bojom)

Projekt SNIPER je praktična implementacija ideje nanofotonike, koristeći "građevinske blokove" o kojima je gore raspravljano za stvaranje fotonske komunikacijske mreže. Ova fotonska mreža integrisana je na višeslojni sistem na čipu koji uključuje višeprocesorski modul i RAM modul. Imajući izlaze prema van, takva mreža omogućava povezivanje ovog sistema na čipu na brzu optičku magistralu podataka koja povezuje procesor sa periferijom. Interno ožičenje talasovoda osigurava rutiranje podataka između jezgara procesorskog modula.

Šestokanalni fotonički modul projekta SNIPER

Projekat SNIPER trenutno se može pohvaliti implementacijom šestokanalnog fotonskog primopredajnog modula koji koristi hibridne silicijumske lasere, Mach-Zehnder modulatore i multiplekser talasovodnog niza. Propusnost svakog kanala ovog primopredajnika je dvadeset gigabita u sekundi. Pedeset od ovih kanala implementirano je na podlozi od 25 kvadratnih milimetara, što pruža isti terabit protoka.

Projekt SNIPER fotonski čip koji pruža terabitnu propusnost

Ono što je najvažnije, SNIPER više nije istraživački projekat. Biblioteke svih fotoničkih elemenata za silicijumsku litografiju su testirane za proizvodni ciklus. Kao i tehnika za njihovu integraciju sa CMOS logikom sistema na čipu.

Gdje će se ovo rješenje prvo primijeniti? Naravno, u superkompjuterskim sistemima i informatičkim centrima u oblaku. Gdje je računarska snaga elektronskih kola najpotrebnija je razmjena podataka brzinom svjetlosti.

Međutim, možemo biti sigurni da širenje silicijumske fotonike u potrošačko računarstvo nije daleko. Sve će početi od interfejsa za povezivanje perifernih uređaja, a onda će, eto, sabirnice za višejezgarna rješenja sustići, pretvarajući dosadni silicij unutar naših procesora u magični kristal koji svjetluca svim bojama spektra.

IBM je najavio iskorak na polju silicijumske fotonike – stvoren je prvi potpuno integrisani multipleksirani čip. Novi uređaj će omogućiti pojedinačnim čipovima da komuniciraju jedni s drugima koristeći optičke, a ne elektromagnetne valove, što će povećati propusnost na 100 GB u sekundi i više. Ovaj čip je smješten na jednoj silikonskoj matrici i ključan je za dugoročno usvajanje optičkih tehnologija na mikrorazmjeru. Ali zašto su tako moćne kompanije kao što su IBM i Intel provele čitave decenije proučavajući silicijumsku fotoniku?

U teoriji, silikonska fotonika bi mogla riješiti mnoge od glavnih problema povezanih s kontinuiranom upotrebom bakrenih konektora. Jedan od glavnih problema s bakrenom žicom je taj što se ne može skalirati tako agresivno kao ostali vitalni dijelovi modernog procesora. Nakon određene tačke, fizički je nemoguće dodatno smanjiti bakrenu žicu bez ugrožavanja njenih performansi i/ili roka trajanja. U teoriji, optičke veze mogu prenijeti podatke mnogo brže dok troše manje energije. Osim toga, mnoge kompanije vjeruju da je silicijumska fotonika neophodna za stvaranje superkompjutera sa računarskom snagom od oko jednog exascale računarstva.

Nažalost, silicijum je loše okruženje za optičke uređaje jer se proizvodne skale toliko razlikuju (optički talasovodi i druge komponente su mnogo veće od CMOS silicijuma) da ne postoje inženjerska rešenja koja mogu efikasno i jeftino integrisati optičke elemente u postojeći CMOS koristeći silicijum, a ne skupi alternativni materijali kao što je galijum arsenid. Sada je kompanija bila u mogućnosti da postavi čipove kreirane upotrebom silicijum fotoničke tehnologije direktno na modul procesora.

Grafikon iz Intelove prezentacije o silicijumskoj fotonici takođe ilustruje potrošnju energije koju proizvođači pokušavaju da postignu. Dugoročni planovi za silicijumsku fotoniku nude širinu pojasa i energiju po bitu informacija koje bakarne veze ne mogu.
Nakon decenija rada, silikonska fotonika može izgledati kao samo još jedna luda ideja koja izgleda dobro na papiru, ali je potpuno neprimjenjiva u praksi, ali napredak ne miruje, i iako vrhunske kompanije poput IBM-a, Intela ili HP-a možda neće objaviti tehnologije na komercijalni nivo u bliskoj budućnosti, sigurno će naći primjenu u naučnim laboratorijama, superkompjuterima i podatkovnim centrima.