Fotonika krzemowa alternatywą dla interkonektów miedzianych. Fotonika krzemowa: czy światło zastąpi prąd? Stan obecny i perspektywy rozwoju fotoniki krzemowej

Miniony rok 2007 był bardzo udany dla rozwoju wielu technologii Intela, w tym w dziedzinie fotoniki krzemowej. Magazyn MIT Technology Review porównał najnowsze, przełomowe osiągnięcia Intela w tej dziedzinie do potrójnego zwycięstwa w wyścigach – tak obserwatorzy wiodącej publikacji ocenili serię oficjalnych zapowiedzi korporacji. Według Justina Rattnera, dyrektora ds. technologii i szefa Corporate Technology Group firmy Intel: „Wykazaliśmy empirycznie, że technologie produkcyjne zgodne z technologią projektowania krzemowych CMOS umożliwiają tworzenie półprzewodnikowych urządzeń optycznych.

Udowodnienie tego faktu było ogromnym osiągnięciem, ale dla dalszego rozwoju tego kierunku technologicznego potrzebne są nie mniej znaczące kroki. Musimy teraz nauczyć się integrować krzemowe urządzenia fotoniczne ze standardowymi komponentami komputerów; Nadal nie wiemy, jak to zrobić. Ale jednocześnie nadal aktywnie współpracujemy z działami zajmującymi się rozwojem różnego rodzaju produktów, aby oferować producentom modele umożliwiające wykorzystanie fotoniki półprzewodnikowej w rozwiązaniach Intela.”

Fotonika krzemowa sposobem na eliminację wąskich gardeł na drodze do ery obliczeń tera

Fotonika krzemowa jest kluczowym elementem długoterminowej strategii rozwoju Corporate Technology Group, mającej na celu przyspieszenie przejścia na przetwarzanie tera. Faktem jest, że wraz z rozwojem procesorów wielordzeniowych o ogromnej mocy obliczeniowej, przed inżynierami pojawiają się nowe problemy. Na przykład zapotrzebowanie na szybkość komunikacji między pamięcią a procesorem wkrótce przekroczy fizyczne ograniczenia narzucone przez przewody miedziane, a prędkość transmisji sygnałów elektrycznych stanie się mniejsza niż prędkość procesora. Już teraz wydajność potężnych systemów komputerowych jest często ograniczona szybkością wymiany danych między procesorem a pamięcią. Dzisiejsze technologie transmisji danych są zaprojektowane z myślą o znacznie mniejszej przepustowości w porównaniu z fotoniką, a wraz ze wzrostem odległości, na jaką przesyłane są dane, prędkość transmisji staje się jeszcze mniejsza.

Testy prototypowego modułu pamięci optycznej wykazały, że do uzyskania dostępu do pamięci serwera można wykorzystać światło, a nie energię elektryczną

„Musimy dopasować prędkość przesyłania danych pomiędzy elementami platformy obliczeniowej do szybkości procesorów. To naprawdę bardzo ważne zadanie. W fotonice krzemowej postrzegamy rozwiązanie tego problemu, dlatego mamy program badawczy, który pozwala nam zajmować wiodącą pozycję w tej dziedzinie.”, powiedział Kevin Kahn, wybitny inżynier ds. badań w Intel Corporation.

Zespół kierowany przez głównego badacza optyki firmy Intel, Drew Alduino, opracowuje system komunikacji procesor optyczny z pamięcią dla platform Intel. Powstała już platforma testowa oparta na w pełni buforowanej pamięci FB-DIMM, na której startuje i działa system Microsoft Windows. Obecny prototyp jest dowodem na możliwość podłączenia pamięci do procesora za pomocą optycznych linii komunikacyjnych bez utraty wydajności systemu.

Stworzenie komercyjnej wersji takiego rozwiązania niesie ze sobą ogromne korzyści dla użytkowników. Systemy komunikacji optycznej wyeliminują wąskie gardło pomiędzy przepustowością pamięci a szybkością procesora i poprawią ogólną wydajność platformy obliczeniowej.

Od badań do wdrożenia

Laboratorium technologii fotonicznej, kierowane przez wybitnego inżyniera badawczego firmy Intel Mario Paniccię, udowodniło, że wszystkie komponenty komunikacji optycznej — laser, modulator i demodulator — można wyprodukować z półprzewodników przy użyciu istniejących technologii produkcyjnych. PTL zademonstrował już krytyczne krzemowe komponenty fotoniczne działające z rekordową wydajnością, w tym modulatory i demodulatory zapewniające szybkości transmisji danych do 40 Gb/s.

Aby wdrożyć technologię fotoniki półprzewodnikowej, wymaganych jest sześć głównych komponentów:

fotony emitujące laser;
modulator przetwarzający strumień fotonów na strumień informacji przeznaczony do transmisji pomiędzy elementami platformy obliczeniowej;
falowody, które działają jak „linie przesyłowe” dostarczające fotony do miejsc docelowych, oraz multipleksery służące do łączenia lub oddzielania sygnałów świetlnych;
obudowa, szczególnie niezbędna do tworzenia technologii montażu i tanich rozwiązań, które można zastosować w masowej produkcji komputerów PC;
demodulator odbierający strumienie fotonów niosących informację i przekształcający je z powrotem w strumień elektronów, dostępny do przetwarzania przez komputer;
obwody elektroniczne sterujące tymi elementami.

Zagadnienie realizacji wszystkich tych elementów komunikacji optycznej przy wykorzystaniu technologii półprzewodnikowych jest powszechnie uznawane za poważny problem badawczy, którego rozwiązanie doprowadzi do ogromnego przełomu technicznego. PTL ustanowiło już wiele rekordów świata, opracowując wysokowydajne urządzenia, modulatory, wzmacniacze i demodulatory, które zapewniają prędkość transmisji danych do 40 Gb/s. W ciągu najbliższych pięciu lat Intel będzie starał się zintegrować te komponenty z rzeczywistymi produktami.

W dziedzinie fotoniki półprzewodnikowej Intel wszedł już na prostą. Badania z zakresu integracji elementów optycznych przeszły już z etapu rozwoju naukowego czy technologicznego do etapu tworzenia produktów komercyjnych. Zespół badawczy koncentruje się obecnie na określeniu możliwości i specyfikacji projektowania innowacyjnych produktów w oparciu o tę rewolucyjną technologię. Ostatecznie zespoły firmy Intel tworzą prototypy i ściśle współpracują z zespołami zajmującymi się rozwojem produktów, aby przyspieszyć wdrażanie nowej technologii.

Oprócz własnej działalności Intel finansuje jedne z najbardziej obiecujących badań w tej dziedzinie poza CTG – w szczególności współpracuje z Uniwersytetem Kalifornijskim w Santa Barbara, który opracowuje hybrydowy laser półprzewodnikowy. W laboratorium PTL odbywają staże także utalentowani absolwenci różnych uczelni z innych krajów.

Główny badacz optyki firmy Intel, Richard Jones, powiedział: „Mamy dwa główne wyzwania związane z projektem lasera hybrydowego. Po pierwsze, musimy przenieść zakład produkcyjny pilotażu hybrydowego lasera z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles do fabryki Intela. „Po drugie, musimy połączyć laser hybrydowy, szybki modulator półprzewodnikowy i multiplekser, aby udowodnić, że możemy stworzyć pojedynczy nadajnik optyczny w oparciu o technologię produkcyjną kompatybilną z CMOS.”

Wprowadzenie technologii fotoniki krzemowej będzie wiązało się z opracowaniem nowych procesów produkcyjnych umożliwiających produkcję laserów na dużą skalę. Sukcesy Intela na polu fotoniki pozwolą mu znacznie wyprzedzić potencjalnych konkurentów. Laboratorium PTL zarejestrowało już około 150 patentów. Najbardziej prestiżowe publikacje, takie jak Nature, odnotowały bezprecedensowe osiągnięcia specjalistów Intela. Ponadto firma Intel otrzymała nagrodę EE Times ACE 2007 w kategorii najbardziej obiecująca nowa technologia.

W pogoni za fotonami

W odróżnieniu od istniejących, ugruntowanych i sprawdzonych od kilkudziesięciu lat procesów produkcji tranzystorów, technologia tworzenia elementów do fotoniki półprzewodnikowej jest zupełnie nowa. Na drodze do jego wdrożenia pojawiają się pewne problemy: optymalizacja urządzeń, zwiększenie niezawodności konstrukcji, opracowanie metodologii testów, zapewnienie efektywności energetycznej i rozwój urządzeń subminiaturowych.

Aby nowe komponenty mogły zostać zastosowane w praktyce, PTL musi zadbać o to, aby komponenty optyczne spełniały wyjątkowo wysokie kryteria niezawodności obowiązujące w branży komputerowej. W branży optycznej przez dziesięciolecia opracowywano rygorystyczne standardy niezawodności. Zgodnie z nimi przed rozpoczęciem masowej produkcji nowych produktów wymagane są miesiące testów. Jeśli w trakcie tych długich testów zostaną zidentyfikowane problemy, ich skorygowanie i ponowne przetestowanie może znacznie wydłużyć czas wprowadzenia produktu na rynek.

Jednym z najważniejszych problemów jest optymalizacja, ponieważ laboratorium PTL opracowuje urządzenia optyczne do obliczeń masowych. Choć nie ma innych podobnych produktów, standardów czy innych punktów odniesienia, inżynierowie opracowujący nowy proces technologiczny sami poszukują rozwiązań, które najlepiej zaspokoją potrzeby aplikacji komputerowych.

Obecnie grupa badawcza PTL, stosunkowo niewielka jak na standardy fotoelektroniki, stopniowo koncentruje się na komercjalizacji rozwiązań fotoniki półprzewodnikowej i oczekuje, że masowe przyjęcie tej niesamowitej technologii rozpocznie się już w 2010 roku.

Grupa specjalistów optyki z Digital Enterprise Group (DEG), na czele której stoi Victor Krutul, opracowuje aplikacje, które będą podstawą rozwoju nowych technologii. „Wierzymy, że dzięki opanowaniu komunikacji optycznej produkty Intel będą nadal zgodne z prawem Moore’a” – mówi Krutal.

Kiedy do przesyłania informacji między elementami tej samej platformy obliczeniowej i między różnymi systemami wykorzystywane będą fotony, a nie elektrony, nastąpi kolejna rewolucja komputerowa. Do tego wyścigu włączyli się już czołowi producenci elektroniki na całym świecie, chcąc zdobyć przewagę konkurencyjną. Znaczenie nowej technologii można porównać do wynalezienia układów scalonych. Intel przoduje w tych badaniach i rozwoju półprzewodnikowych komponentów fotonicznych.

Według Justina Rattnera, dyrektora ds. technologii i szefa Corporate Technology Group firmy Intel: „Wykazaliśmy empirycznie, że technologie produkcyjne zgodne z konstrukcją krzemową CMOS umożliwiają tworzenie półprzewodnikowych urządzeń optycznych. Udowodnienie tego faktu było ogromnym osiągnięciem, ale dla dalszego rozwoju tego kierunku technologicznego potrzebne są nie mniej znaczące kroki. Musimy teraz nauczyć się integrować krzemowe urządzenia fotoniczne ze standardowymi komponentami komputerów; Nadal nie wiemy, jak to zrobić. Ale jednocześnie nadal aktywnie współpracujemy z oddziałami zajmującymi się rozwojem różnego rodzaju produktów, aby oferować producentom modele umożliwiające wykorzystanie fotoniki półprzewodnikowej w rozwiązaniach Intela.”

Naukowcy z firmy Intel opracowali pierwszy na świecie chip półprzewodnikowy zdolny do wytwarzania wysokiej jakości ciągłych wiązek laserowych. Osiem laserów jest zintegrowanych w jednym chipie krzemowym.

Fotonika krzemowa sposobem na eliminację wąskich gardeł na drodze do ery obliczeń tera

„Konieczne jest dostosowanie prędkości przesyłu danych pomiędzy elementami platformy obliczeniowej do szybkości procesorów. To rzeczywiście bardzo ważne zadanie. Postrzegamy fotonikę krzemową jako rozwiązanie tego problemu i realizujemy program badawczy, który stawia nas na czele tej dziedziny” – powiedział Kevin Kahn, wybitny inżynier ds. badań firmy Intel.

Testy prototypowego modułu pamięci optycznej wykazały, że do uzyskania dostępu do pamięci serwera można wykorzystać światło, a nie energię elektryczną.

Od badań do wdrożenia

Aby wdrożyć technologię fotoniki półprzewodnikowej, wymaganych jest sześć głównych komponentów:

fotony emitujące laser;
modulator przetwarzający strumień fotonów na strumień informacji przeznaczony do transmisji pomiędzy elementami platformy obliczeniowej;
falowody, które pełnią rolę „linii przesyłowych” dostarczających fotony do miejsc docelowych, oraz multipleksery służące do łączenia lub oddzielania sygnałów świetlnych;
obudowa, szczególnie niezbędna do tworzenia technologii montażu i tanich rozwiązań, które można zastosować w masowej produkcji komputerów PC;
demodulator służący do odbierania strumieni fotonów niosących informację i przekształcania ich z powrotem w strumień elektronów dostępnych do przetworzenia przez komputer;
obwody elektroniczne sterujące tymi elementami.

%%%
Zagadnienie realizacji wszystkich tych elementów komunikacji optycznej przy wykorzystaniu technologii półprzewodnikowych jest powszechnie uznawane za poważny problem badawczy, którego rozwiązanie doprowadzi do ogromnego przełomu technicznego. PTL ustanowiło już wiele rekordów świata, opracowując wysokowydajne urządzenia, modulatory, wzmacniacze i demodulatory, które zapewniają prędkość transmisji danych do 40 Gb/s. W ciągu najbliższych pięciu lat Intel będzie starał się zintegrować te komponenty z rzeczywistymi produktami.

Jednym z kluczowych elementów fotoniki krzemowej jest modulator zapewniający prędkość transmisji do 40 Gbit/s.

Wiodący badacz optyki firmy Intel, Richard Jones, powiedział: „W obecnym projekcie hybrydowego lasera półprzewodnikowego stoimy przed dwoma głównymi wyzwaniami. Po pierwsze, musimy przenieść pilotażową produkcję hybrydowych laserów z Uniwersytetu Kalifornijskiego do fabryki Intela. Po drugie, musimy połączyć laser hybrydowy, szybki modulator półprzewodnikowy i multiplekser, aby udowodnić, że możemy stworzyć pojedynczy nadajnik optyczny w oparciu o technologię produkcyjną kompatybilną z CMOS.

W pogoni za fotonami

Stanowisko testowe do krzemowego modulatora laserowego 40 Gigabit

Obecnie grupa badaczy z stosunkowo niewielkiego jak na standardy fotoelektroniki laboratorium PTL stopniowo przechodzi na komercjalizację rozwiązań fotoniki półprzewodnikowej i spodziewa się, że masowe przyjęcie tej niesamowitej technologii mogłoby rozpocząć się już w 2010 roku. Grupa optyków z Digital Enterprise Group (DEG) pod przewodnictwem Victora Krutula rozwija aplikacje, które będą podstawą rozwoju nowych technologii. „Wierzymy, że dzięki opanowaniu komunikacji optycznej produkty Intel będą nadal zgodne z prawem Moore’a” – mówi Krutal.

Krzemowy chip fotoniczny, będący efektem dziesięciu lat badań, jest w stanie przesyłać dane za pomocą impulsów świetlnych z szybkością do 100 Gb/s. Podczas testów odległość transmisji osiągnęła dwa kilometry.

Światło umożliwia przesyłanie danych szybciej niż kable miedziane łączące systemy pamięci masowej, sprzęt sieciowy i serwery w centrach przetwarzania. Krzemowy chip fotoniczny umożliwi połączenie serwerów i superkomputerów przyszłych generacji szybkimi łączami światłowodowymi, w których ogromne ilości danych muszą być przesyłane pomiędzy węzłami obliczeniowymi.

IBM rozwija swoją technologię z myślą o centrach danych i nie oczekuje się, że w najbliższym czasie trafi ona do komputerów stacjonarnych ani urządzeń przenośnych, powiedział Wilfird Hensch, starszy menedżer działu fotoniki krzemowej IBM.

Technologie fotoniki krzemowej mogą zasadniczo zmienić sposób wdrażania serwerów w centrach danych ze względu na możliwość oddzielenia od siebie jednostek przetwarzających, pamięci i pamięci masowej. W wyniku tego oddzielenia aplikacje będą mogły działać szybciej, a koszty komponentów zostaną obniżone dzięki konsolidacji wentylatorów i zasilaczy.

W związku z rosnącym wykorzystaniem systemów uczenia maszynowego i przetwarzania Big Data, obecnie wzrasta zapotrzebowanie na moc obliczeniową serwerów. Dzięki połączeniom optycznym dziesiątki procesorów mogą komunikować się w ramach jednej szafy serwerowej, co ułatwia dystrybucję zadań w ramach przetwarzania wielowęzłowego, mówi Richard Doherty, dyrektor ds. badań w The Envisioneering Group.

Dodał, że dzięki połączeniom optycznym serwery, podobnie jak dyski, można łatwo wymieniać bez przerw w zależności od zapotrzebowania na moc obliczeniową.

Światło jest już wykorzystywane do transmisji danych na duże odległości w sieciach komunikacyjnych, jednak technologia światłowodowa nie jest tania. Kable optyczne są również obsługiwane przez interfejs Thunderbolt, który jest używany w komputerach Mac i PC do szybkiej wymiany danych z urządzeniami peryferyjnymi.

Technologia fotoniki krzemowej IBM jest tańsza i ma krótszy zasięg niż sprzęt optyczny sieci telekomunikacyjnych, powiedział Hensch.

Intel stworzył także chipy krzemowo-fotoniczne dla centrów danych, ale korporacji nie udało się dotrzymać zapowiadanych terminów premier. IBM może nie jest pierwszym, który zaproponował przetwornik krzemowo-fotoniczny, ale jego technologia jest bardziej opłacalna i mniej złożona niż technologia Intela, uważa Doherty.

Według niego chip IBM jest łatwiejszy i tańszy w produkcji oraz ma prostą konstrukcję, podczas gdy rozwiązanie Intela wymaga dodatkowych komponentów fizycznych.

Sam Intel twierdzi jednak, że jego moduły optyczne są zintegrowane i mają przewagę pod względem testowania i kosztów.

Chipy obu firm przesyłają dane w zupełnie inny sposób, a każdy z nich ma swoje zalety. Chip IBM został zaprojektowany do przesyłania czterech kanałów o różnych długościach fal w jednym włóknie, podczas gdy technologia Intela jest bardziej skalowalna, co pozwala na użycie większej liczby przewodów w kablu, powiedział Doherty.

Intel oferuje kable optyczne MXC z maksymalnie 64 rdzeniami, każdy o szybkości transmisji 25 Gb/s. Jednak zwiększenie liczby włókien światłowodowych może być kosztowne, a jednordzeniowa opcja IBM może spełnić wymagania wielu centrów danych dotyczące szybkości i odległości przy niższych kosztach, dodał Doherty.

IBM nie powiedział, kiedy jego krzemowe chipy fotoniczne mogą trafić na rynek.

Logika fotoniczna nie zastąpi jeszcze logiki półprzewodnikowej, ale można ją już wykorzystać do transmisji danych. Zarówno pomiędzy urządzeniami, jak i pomiędzy rdzeniami procesorów.

Patrząc na niedawne ogłoszenie nowych produktów sprzętowych Apple, chciałoby się powiedzieć, że nowe technologie są jak tropikalna zieleń: jeszcze wczoraj był mały karłowaty pęd, ale dziś jest już potężna pnącz, który zapuścił korzenie głęboko i mocno się ukorzenił pień rynku technologii komputerowej z jego pędami.

Pojawienie się pierwszych Maców z interfejsem Thunderbolt zostało przyjęte z ciekawością, ale niczym więcej. Swego czasu rynek przyglądał się również dziwacznemu portowi FireWire w laptopach Apple PowerBook 3G.

Późniejsze włączenie Thunderbolta w połączeniu z Display Port do prawie całego sprzętu komputerowego Apple zmusiło producentów urządzeń peryferyjnych do poważnego zastanowienia się nad wsparciem tej technologii. Na szczęście nowy kontroler opracowany przez firmę Intel obsługuje jednocześnie specyfikację Thunderclap i USB 3.0. A jeśli z najnowszym interfejsem wszystko jest jasne, to Thunderbolt jest pełen tajemnic. Które?

Cóż, na przykład z serii „Jak masz na imię?” W końcu Thunderbolt to nazwa rynkowa technologii badawczej Intel Light Peak, gdzie słowem kluczowym jest światło. Te dziesięć gigabitów na sekundę, które Thunderbolt oferuje teraz konsumentom, przesyłając dane przewodami miedzianymi na odległość do trzech metrów, to naprawdę kwiat w porównaniu z pięćdziesięcioma gigabitami na sekundę, które Light Peak zapewnia za pomocą kabla optycznego na odległość ponad stu metrów.

Pojawienie się optycznej wersji Thunderbolta to kwestia najbliższej przyszłości. Przyszłość, w której wraz z mikroelektroniką, do której jesteśmy przyzwyczajeni, w przetwarzaniu danych zacznie pomagać „królowa światła” – fotonika.

O tym, jak Intel wykorzystuje fotonikę w swojej technologii szybkiej wymiany danych Silicon Photonics Link, możesz przeczytać w artykule „Pobierz w sekundę: postępy w fotonice krzemowej”.

Rozwiązania krzemowej fotoniki firmy Intel zapewnią pięćdziesiąt gigabitów na sekundę przepustowości interfejsu komputer-peryferia

Czas przyjrzeć się bliżej elementom systemów opartych na fotonice krzemowej. Systemy, bo rozwiązania Intela nie są jedyne. I co najważniejsze, dziś nie są to już tylko ćwiczenia laboratoryjne. Fotonika krzemowa uzyskała wszystkie niezbędne możliwości i jest w pełni gotowa do owocnej współpracy z istniejącymi rozwiązaniami mikroelektronicznymi.

Przykładem takiej współpracy jest bohater obecnego materiału – projekt IBM trafnie nazwany SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Fotonika. Cegły technologii

Czy fotonika może całkowicie zastąpić elektronikę w mikroukładach? Prawdopodobnie nie. Rozchodzenie się światła opiera się na prawach optyki, co nakłada znaczne ograniczenia na projektowanie podstawowych elementów, takich jak tranzystory, kondensatory i diody. Nie, próby opracowania optycznych analogów tranzystora podejmowano już dawno temu i do dziś nie kończą się. Nie mogą jednak konkurować ze sprawdzoną technologią CMOS.

Układ tranzystora fotonicznego został zaproponowany już w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku

Fotonika naprawdę przoduje we wdrażaniu szybkich łączy między komponentami obwodów cyfrowych. To znaczy w tych miejscach, gdzie elektronika zaczyna się coraz aktywniej ślizgać. Wzrost stopnia integracji elementów mikroukładu wpływa na rozmiar łączących je metalowych przewodników. Wraz z przejściem na proces produkcyjny CMOS w technologii dwudziestu dwóch nanometrów inżynierowie stanęli przed problemem zjawisk przejściowych w miniaturowych szynach miedzianych. Zjawiska te mogą łatwo doprowadzić do błędów w działaniu złożonego systemu obliczeniowego ciasno upakowanego w krzemowym chipie.

Zastosowanie fotoniki jako medium komunikacyjnego dla mikroukładów pozwala technologom jednocześnie pozbyć się nowych chipów z wpływu procesów przejściowych w przewodnikach miedzianych i znacznie zmniejszyć nagrzewanie się mikroukładu. W przeciwieństwie do elektronów, które bezproduktywnie zamieniają swoją energię na ciepło, fotony poruszając się wzdłuż przewodnika optycznego w ogóle nie rozpraszają ciepła.

Rozwiązaniem kompromisowym jest zatem połączenie elektroniki i fotoniki. Elektronika zachowuje podstawę obwodów cyfrowych, a fotonika przejmuje rolę uniwersalnego ośrodka przewodzącego.

Co jest potrzebne w takim środowisku? Po pierwsze, źródłem fotonów jest laser. Następny jest ośrodek przewodzący, przez który fotony mogą rozprzestrzeniać się wewnątrz mikroukładów - falowody. Aby zera i jedynki utworzone przez elementy elektroniczne zamieniły się w strumień światła, a do odwrotnej konwersji potrzebne będą modulatory i demodulatory, ale oczywiście nie proste, ale optyczne.

Otóż, aby uzyskać wysoką przepustowość wymaganą przez kanały obecnych układów scalonych, potrzebne będą multipleksery i demultipleksery (również oczywiście optyczne). Co więcej, wszystkie te komponenty muszą być zaimplementowane na tej samej bazie krzemowej, która jest używana w technologii CMOS.

Rozwój tych „cegiełek” to droga, którą fotonika krzemowa podąża od dwudziestu lat. W tym czasie zaproponowano wiele unikalnych rozwiązań, które były właśnie „sumą technologii”, które pozwoliły fotonice przejść na nowy jakościowo poziom. Poziom scalonych układów optyczno-elektronicznych.

Lasery krzemowe

Właściwie określenie „laser krzemowy” jest oksymoronem. Będąc tak zwanym półprzewodnikiem ze szczeliną pośrednią, krzem jest całkowicie niezdolny do emitowania światła. Dlatego też w telekomunikacji światłowodowej stosuje się rozwiązania bazujące na innych półprzewodnikach (bezpośredniej szczelinie), takich jak arsenek galu. Jednocześnie krzem doskonale nadaje się do tworzenia falowodów i przekształcania sygnałów optycznych w elektryczne.

Więc w czym problem? Można zastosować laser znajdujący się na zewnątrz obwodu krzemowego lub opracować obwód hybrydowy na bazie krzemu i np. arsenku galu. Żadnego rozwiązania nie można jednak uznać za skuteczne. W przypadku zastosowania zewnętrznego lasera (a we współczesnych systemach światłowodowych na poziomie makro tak się dzieje), na poziomie mikro dokładne skalibrowanie wiązki w stosunku do falowodu o wielkości nanometra jest prawie niemożliwe. Włączenie arsenku galu do procesu produkcji chipów CMOS nie powiodło się. Te dwa półprzewodniki wymagają bardzo różnych warunków produkcji.

Czy zatem laser krzemowy nigdy nie zobaczy (a raczej nie wyemituje) światła? Oczywiście nie. Można sprawić, że krzem będzie świecił, stosując różne sztuczki. Na przykład domieszkując go materiałem, który będzie emitował fotony poza krzemem. Lub zmień strukturę samego krzemu w taki sposób, że będzie zmuszony się zaświecić. Trzeci sposób polega na wykorzystaniu rozpraszania Ramana (zwanego także rozpraszaniem Ramana), które tymczasowo przekształca krzem w półprzewodnik o niemal bezpośredniej przerwie.

Jednym ze sposobów nadania krzemowi blasku jest utworzenie porowatej struktury krzemu

Schemat i mikrofotografia lasera Ramana

Obecnie największy sukces naukowcy osiągnęli w dziedzinie technologii domieszkowania krzemu. Najbardziej znaną implementacją opartego na nich lasera krzemowego o fali ciągłej jest laser opracowany przez firmę Intel we współpracy z Uniwersytetem Kalifornijskim w Santa Barbara. Naukowcom udało się „przykleić” półprzewodnikowy fosforek indu z bezpośrednią szczeliną do krzemowego falowodu za pomocą tlenku. Grubość „kleju” wynosi tylko 25 atomów. Tworząc różnicę potencjałów pomiędzy krzemem i fosforkiem indu (nazywa się to „pompowaniem elektrycznym”), uzyskano powstanie fotonów, które przenikają przez „klej” do falowodu krzemowego.

Schemat ideowy hybrydowego lasera krzemowego o fali ciągłej

W oparciu o ten schemat tworzone są warianty hybrydowego lasera krzemowego o różnych długościach fal (zakres podczerwieni, przezroczysty dla krzemu), co umożliwia realizację wielokanałowego systemu komunikacji.

Modulatory krzemowe

Strumień fotonów emitowany przez laser krzemowy można traktować jako częstotliwość nośną, którą należy modulować sygnałem binarnym.

Modulatory optyczne uznawano za niemożliwe, dopóki naukowcy nie postanowili wykorzystać zjawiska interferencji światła. Generalnie modulowany sygnał optyczny można otrzymać poprzez interferencję referencyjnej wiązki światła z wiązką przechodzącą przez materiał zmieniający współczynnik załamania światła pod wpływem prądu elektrycznego (tzw. efekt elektrooptyczny). Niestety i tutaj krzem nas zawiódł – jego symetryczna sieć krystaliczna nie pozwala na realizację efektu elektrooptycznego. Doping znów przyszedł na ratunek.

Naukowcy rozwidlali krzemowy falowód i utworzyli warstwę azotku krzemu na jednym z jego ramion, co rozciągnęło sieć krystaliczną krzemu. Przyłożenie napięcia do tej sekcji powoduje załamanie światła w tym ramieniu falowodu. Jednocześnie w drugim ramieniu ten sam przepływ rozchodzi się bez zniekształceń.

Mikrofotografia przekroju ramienia załamującego światło w modulatorze Macha-Zehndera

Implementacja całego modulatora Macha-Zehndera i jego wariantów.

Połączenie tych strumieni na wyjściu powoduje ich interferencję, a strumień wyjściowy będzie modulowany poprzez przyłożenie napięcia do ramienia falowodu z azotku krzemu. Naukowcy nie musieli wymyślać koła na nowo. Podobny efekt jest szeroko stosowany w interferometrach Macha-Zehndera. Dlatego modulatory i demodulatory krzemowe nazwano dokładnie tak samo.

Multipleksery krzemowe

Wiele modulowanych strumieni światła z wielu laserów o różnych długościach fal może znacznie zwiększyć przepustowość kanału komunikacyjnego poprzez równoległą transmisję danych. Jak jednak połączyć tak wiele wątków w jeden? Ponadto w taki sposób, aby uzyskany całkowity przepływ na wyjściu można było ponownie podzielić. Tutaj na ratunek przychodzą multipleksery. Oczywiście optyczny.

Pomysł multipleksera optycznego opartego na układzie falowodów (AWG)

Mikrofotografia multipleksera AWG

Multiplekser optyczny oparty na kaskadzie modulatorów Macha-Zehndera

Obecnie zaproponowano technologię mikrominiaturowego multipleksowania światła poprzez jego multipleksację widmową (WDM – Wavelengths Division Multiplexing). Najczęściej do jej realizacji wykorzystuje się strukturę dyfrakcyjną opartą na układzie falowodów i zwierciadeł (AWG – Arrayed Waveguide Grating), w której każda wiązka światła porusza się po własnym falowodzie, zakrzywionym zgodnie z jej długością fali. Kiedy te falowody łączą się, dają wynikowy strumień zagęszczony widmowo. Innym powszechnym rozwiązaniem jest zastosowanie znanej nam już kaskady modulatorów Macha-Zehndera.

IBM SNIPER. Terabit krzemu

Proponowane przez firmę Intel rozwiązania z zakresu fotoniki krzemowej mają na celu rozwój technologii fotonicznych w obszarze interfejsów urządzeń peryferyjnych. Bezpośrednią perspektywą komercyjną jest pięćdziesiąt gigabitowa optyczna wersja interfejsu Thunderbolt (być może do czasu wdrożenia przemysłowego będzie się nazywać inaczej). W dłuższej perspektywie Intel rozważa zwiększenie przepustowości do dwustu gigabitów na sekundę. Powiedzieć, że jest szybki, to nic nie powiedzieć: na przykład zawartość płyty DVD przy tej prędkości można przesłać w ciągu jednej sekundy.

Laboratorium IBM Research postawiło sobie dokładnie ten sam cel. Postawiłem sobie cel i osiągnąłem go! To prawda, że IBM planuje wykorzystać swój terabit nie w interfejsach komunikacyjnych, ale w szybkich magistralach łączących rdzenie wielordzeniowego procesora.

Komunikacja międzyjądrowa oparta na fotonice krzemowej

Pomysł projektu SNIPER z IBM Research (część fotoniczna obwodu jest pokazana na niebiesko)

Projekt SNIPER to praktyczna realizacja idei nanofotoniki, wykorzystująca omówione powyżej „cegiełki” do stworzenia fotonicznej sieci komunikacyjnej. Ta sieć fotoniczna jest zintegrowana na wierzchu wielowarstwowego układu typu „system na chipie”, który zawiera moduł wieloprocesorowy i moduł pamięci RAM. Mając wyjścia na zewnątrz, taka sieć zapewnia połączenie tego układu na chipie z szybką optyczną magistralą danych łączącą procesor z peryferiami. Wewnętrzne okablowanie falowodu zapewnia przesyłanie danych pomiędzy rdzeniami modułu procesora.

Sześciokanałowy moduł fotoniczny projektu SNIPER

Projekt SNIPER może się obecnie pochwalić wdrożeniem sześciokanałowego modułu fotonicznego nadawczo-odbiorczego wykorzystującego hybrydowe lasery krzemowe, modulatory Macha-Zehndera i multiplekser z matrycą falowodową. Przepustowość każdego kanału tego transceivera wynosi dwadzieścia gigabitów na sekundę. Pięćdziesiąt z tych kanałów jest zaimplementowanych na podłożu o powierzchni 25 milimetrów kwadratowych, co zapewnia ten sam terabit przepustowości.

Czip fotoniczny projektu SNIPER zapewniający przepustowość terabajtową

Co najważniejsze, SNIPER nie jest już projektem badawczym. Biblioteki wszystkich elementów fotonicznych do litografii krzemowej zostały przetestowane pod kątem cyklu produkcyjnego. Jak również technika ich integracji z logiką CMOS systemu na chipie.

Gdzie rozwiązanie to zostanie zastosowane w pierwszej kolejności? Oczywiście w systemach superkomputerowych i centrach przetwarzania danych w chmurze. Tam, gdzie moc obliczeniowa układów elektronicznych jest najbardziej potrzebna, jest wymiana danych z prędkością światła.

Możemy jednak być pewni, że ekspansja fotoniki krzemowej na komputery konsumenckie nie jest odległa. Wszystko zacznie się od interfejsów do podłączania urządzeń peryferyjnych, a potem, i oto, magistrale rozwiązań wielordzeniowych nadrobią zaległości, zamieniając nudny krzem wewnątrz naszych procesorów w magiczny kryształ mieniący się wszystkimi kolorami spektrum.

IBM ogłosił przełom w dziedzinie fotoniki krzemowej – powstał pierwszy w pełni zintegrowany chip multipleksowy. Nowe urządzenie umożliwi komunikację między poszczególnymi chipami za pomocą fal optycznych, a nie elektromagnetycznych, co zwiększy przepustowość do 100 GB na sekundę i więcej. Układ ten jest umieszczony na pojedynczej matrycy krzemowej i ma kluczowe znaczenie dla długoterminowego przyjęcia technologii optycznych w mikroskali. Ale dlaczego tak potężne firmy, jak IBM i Intel, spędziły całe dziesięciolecia na badaniu fotoniki krzemowej?

Teoretycznie fotonika krzemowa mogłaby rozwiązać wiele głównych problemów związanych z dalszym stosowaniem złączy miedzianych. Jednym z głównych problemów związanych z drutem miedzianym jest to, że nie można go skalować tak agresywnie, jak innych istotnych części nowoczesnego procesora. Po przekroczeniu pewnego punktu fizycznie niemożliwe jest dalsze zmniejszenie rozmiaru drutu miedzianego bez pogorszenia jego wydajności i/lub trwałości. Teoretycznie połączenia optyczne mogą przesyłać dane znacznie szybciej, zużywając przy tym mniej energii. Ponadto wiele firm uważa, że fotonika krzemowa jest niezbędna do stworzenia superkomputerów o mocy obliczeniowej około jednej eksaskali.

Niestety krzem nie jest dobrym środowiskiem dla urządzeń optycznych, ponieważ skala produkcji jest tak zróżnicowana (falowody i inne komponenty są znacznie większe niż krzem CMOS), że nie ma rozwiązań inżynieryjnych, które umożliwiłyby wydajną i niedrogą integrację elementów optycznych z istniejącą pamięcią CMOS przy użyciu krzemu zamiast drogie materiały alternatywne, takie jak arsenek galu. Teraz firma mogła umieścić chipy utworzone przy użyciu technologii fotoniki krzemowej bezpośrednio na module procesora.

Wykres z prezentacji Intela na temat fotoniki krzemowej ilustruje także pobór mocy, jaki starają się osiągnąć producenci. Długoterminowe plany dotyczące fotoniki krzemowej oferują przepustowość i energię na bit informacji, których nie są w stanie zapewnić połączenia miedziane.
Po kilkudziesięciu latach pracy fotonika krzemowa może wydawać się kolejnym szalonym pomysłem, który dobrze wygląda na papierze, ale zupełnie nie ma zastosowania w praktyce, jednak postęp nie stoi w miejscu i choć najnowocześniejsze firmy, takie jak IBM, Intel czy HP, mogą nie wypuszczać technologii do poziomu komercyjnego w najbliższej przyszłości, z pewnością znajdzie zastosowanie w laboratoriach naukowych, superkomputerach i centrach danych.