Przełom firmy Intel

Prawo Moore'a, które tej wiosny obchodziło 40. rocznicę swojego istnienia, było największym błogosławieństwem branży półprzewodników. W 1965 roku Gordon Moore, współzałożyciel firmy Intel, przewidywał, że liczba tranzystorów w chipie komputerowym będzie się podwajać co dwa lata. W tym czasie chip zawierał zaledwie kilkadziesiąt tranzystorów. Obecnie wysokiej klasy chip Intela zawiera ponad 1,7 miliarda tranzystorów, a do 2012 roku liczba ta ma przekroczyć 10 miliardów. Ten nieprzerwany, trwający cztery dekady marsz napędzał współczesną rewolucję komputerową i uczynił z Intela potęgę technologiczną.

Jednak możliwość umieszczania coraz większej liczby tranzystorów i innych obwodów na chipach pogłębia szereg problemów, które, jeśli staną się wystarczająco poważne, mogą zagrozić rozwojowi istniejącej gospodarki cyfrowej opartej na krzemie. Tylko kilka problemów: nagrzewanie się, wycieki prądu elektrycznego z obwodów, przesłuch elektryczny między sąsiednimi przewodami. Na przykład najnowsze procesory do komputerów stacjonarnych zużywają 100 watów mocy. Procesory do laptopów są ogólnie bardziej wydajne, ponieważ mają na celu maksymalizację żywotności baterii. Ale nawet teraz zużywają aż 75 watów. To jak kładzenie tostera na kolanach, mówi Pat Gelsinger, starszy wiceprezes firmy Intel. Oczekuje się, że rozwiązaniem, które ma się upowszechnić, jest zwiększenie liczby tranzystorów w układzie scalonym nie przez ich zmniejszenie, ale po prostu przez umieszczenie tego samego wzorca obwodu dwa lub więcej razy na tej samej płycie krzemowej. Intel wypuścił na wiosnę swoje pierwsze takie dwurdzeniowe układy. A dyrektorzy Intela wyobrażają sobie przyszłość układów z wieloma rdzeniami, z nawet tysiącem procesorów obok siebie.

Ale jest problem. Miedziane przewody, które przenoszą strumień cyfrowy jeden s i 0 s do i z komputera, a także między procesorami w niektórych komputerach, mogą tak szybko przenosić tylko określoną ilość danych. Jeśli podwoję wydajność [procesora], muszę podwoić wydajność na chipie i poza nim, mówi Gelsinger. Miedź, nasza tradycyjna technologia połączeń wzajemnych, wyczerpuje się.

Problem polega na tym, że impulsy elektryczne przechodzące przez drut miedziany napotykają opór elektryczny, który degraduje przenoszone przez nie informacje. W rezultacie bity danych przechodzące przez miedź muszą być odpowiednio oddalone od siebie i poruszać się na tyle wolno, aby urządzenia na drugim końcu przewodu mogły je odebrać. To ograniczenie już teraz powoduje korki danych w sieciach lokalnych, w których komputery łączą się za pomocą przewodów miedzianych. Wielu ekspertów przewiduje, że spowoduje to powstanie wąskich gardeł w ruchu danych między wieloma procesorami w poszczególnych komputerach. Rezultat jest taki, że nawet jeśli prawo Moore'a będzie nadal obowiązywać, komputery nie będą już mogły korzystać ze zwiększonej mocy, jaką zapewnia, ponieważ nie będą w stanie przenosić danych do i z chipów wystarczająco szybko, aby nadążyć za procesorami . To fundamentalne wyzwanie: komputery muszą znaleźć szybszy sposób na przenoszenie ogromnej ilości danych zarówno w ramach chipów, jak i między nimi.

Wejdź do lasera krzemowego. Połączenia optyczne mogą przesyłać tysiące razy więcej danych na sekundę niż przewody miedziane. Jednak istniejące elementy optyczne, wykonane z tak egzotycznych półprzewodników, jak arsenek galu i fosforek indu, są zbyt drogie, aby można je było stosować w pojedynczych komputerach, a nawet w sieciach lokalnych. Gdyby można było zrobić urządzenia optyczne z krzemu, który jest tani i, przynajmniej dla firmy takiej jak Intel, łatwy w produkcji, zmieniłoby to wszystko. Przejście na optykę krzemową dodałoby nową podstawową zdolność chipom krzemowym: zdolność do manipulowania i reagowania na światło. Firmy prawdopodobnie wykorzystałyby tę możliwość w pierwszej kolejności, zastępując połączenia miedziane łączami optycznymi w sieciach. Ale ostatecznie fotonika krzemowa może również zastąpić przewody miedziane między procesorami w jednym chipie. Projektanci chipów przewidzieli również użycie optyki krzemowej w wewnętrznych zegarach, które mikroprocesory wykorzystują do wykonywania instrukcji, co radykalnie zwiększyło częstotliwość taktowania, a tym samym prędkości obliczeniowe.

Do niedawna wszystkie te spekulacje na temat potencjału optyki krzemowej były hipotetyczne: odpowiednie lasery krzemowe nie istniały. Ale sytuacja zmieniła się zeszłej zimy, kiedy laboratorium naukowca Intela Mario Paniccia poinformowało o pierwszym ciągłym laserze całkowicie krzemowym. Zbudowane przy użyciu tych samych metod produkcyjnych, które wytwarzają chipy krzemowe, eksperymentalne urządzenie wytworzyło stały strumień fotonów w podczerwieni, co wielu badaczy uważało za niemożliwe w przypadku krzemu.

Fotonika krzemowa to dopiero początek. Jednak wyniki firmy Intel, oparte na odkryciach zgłoszonych w ciągu ostatniego roku w serii artykułów opisujących postępy w zakresie komponentów optycznych opartych na krzemie, przekonują wielu ekspertów, że ścisłe połączenie technologii optycznej i elektronicznej na poziomie komputera może stać się praktyczne. Postępy poczynione przez zespół Paniccia są niezwykłe, mówi Graham Reed, pionier fotoniki krzemowej na Uniwersytecie Surrey w Anglii. Teraz wszyscy sceptycy zaczynają wierzyć, że krzem będzie miał realny wpływ na optykę.

Przewidywane postępy w technologii krzemowej prawie na pewno utrzymają prawo Moore'a w dającej się przewidzieć przyszłości, tworząc coraz szybsze komputery. Przyspieszając ogromne ilości danych do i z chipów oraz między maszynami, fotonika krzemowa może pomóc ludziom uzyskać dostęp do tej ogromnej mocy obliczeniowej.

Kiepski emiter
Światłowody stanowią szkielet dalekosiężnych sieci telekomunikacyjnych iw dużej mierze odpowiadają za prędkość Internetu. Ale komponenty optyczne nie są tanie. Optyczne wysyłanie i odbieranie danych wymaga lasera, który wytwarza wiązkę światła; modulator, który odcina tę wiązkę na serie włączania/wyłączania, które reprezentują cyfrowe jeden s i 0 s; falowody, które przepuszczają światło przez chipy; oraz fotodetektory, które wychwytują światło i przekształcają je z powrotem w sygnał elektroniczny. Obecnie urządzenia te nie są wykonane z krzemu, a ich wprowadzenie kosztuje tysiące dolarów. Dostawcy telekomunikacyjni mogą sobie pozwolić na te ceny, ale umożliwienie technologii przenoszenia danych w komputerze oznacza obniżenie cen o rzędy wielkości.

Odpowiedzią może być krzem. Krzem dla nas może nie jest doświadczeniem religijnym, ale jest całkiem blisko, mówi Gelsinger. Krzem okazał się opłacalny, skalowalny, trwały, wykonalny i ma wiele innych wspaniałych właściwości. Części fotoniczne wykonane z krzemu sprawiłyby, że optyka byłaby tańsza i rozszerzyłaby potencjalne zastosowania. Dziś optyka to technologia niszowa. Gelsinger mówi, że jutro będzie to główny nurt każdego tworzonego przez nas chipa.

Jeszcze mniej więcej rok temu wydawało się, że krzem nigdy nie będzie odgrywał znaczącej roli w optyce. Krzem nie jest z natury najlepszym materiałem optycznym, wyjaśnia Reed. Wśród jego najbardziej oczywistych wad jest to, że jest kiepskim emiterem światła. Kiedy elektrony w krzemie są wzbudzone, zamiast uwalniać fotony, powodują drgania sieci krystalicznej krzemu. Rezultatem jest ciepło, a nie światło. Natomiast półprzewodniki, takie jak arsenek galu i fosforek indu, emitują światło po wzbudzeniu elektrycznym. Tak więc, podczas gdy badacze od lat fascynują się perspektywami układu optycznego, konsensus był taki, że krzem nie był odpowiednim materiałem do jego budowy.

Następnie, pod koniec lat dziewięćdziesiątych, badacze donieśli o serii zachęcających, choć wstępnych, postępów w optyce krzemowej (patrz Upstream , Przegląd technologii, czerwiec 2001 ). Postępy poczynione przez zespół Paniccia w firmie Intel przekonały kadrę kierowniczą do zintensyfikowania programu krzemowo-fotonicznego. Pierwszy przełom Intela nastąpił w lutym 2004 r., kiedy Paniccia doniosła w dzienniku Natura że jego grupa stworzyła modulator krzemowy zdolny do przekształcania stałego strumienia światła z lasera w szybkie impulsy cyfrowych jedynek i zer z częstotliwością jednego miliarda herców lub jednego gigaherca, co stanowi 50-krotny postęp w stosunku do poprzedniego eksperymentalnie zademonstrowanego rekordu do krzemu. Ale wciąż nie był wystarczająco szybki, mówi Reed. Tej wiosny naukowcy Intela pod kierunkiem naukowca Ling Liao, zajmującego się materiałami, donieśli o krzemowym modulatorze, który działa z częstotliwością 10 gigaherców, mniej więcej na równi z innymi modulatorami optycznymi.

Jednak kluczowym komponentem krzemowo-fotonicznym nadal był laser. We wrześniu ubiegłego roku cztery oddzielne grupy, w tym Paniccia, zgłosiły lasery krzemowe, które wysyłają impulsy światła staccato. Ponieważ krzem nie radzi sobie z przekształcaniem ładunków elektrycznych w światło, wszystkie te lasery krzemowe opierały się na laserach zewnętrznych jako źródłach energii. Podobnie jak wszystkie lasery oparte na chipach, lasery krzemowe działają poprzez przekształcanie energii – w tym przypadku fotonów z innego źródła światła – na rozbłysk fotonów o zasadniczo tej samej długości fali i fazie. Naukowcy z Intela wykorzystali znaną od dawna zasadę zwaną efektem Ramana, w której fotony uzyskują energię ze zderzeń z drgającymi atomami.

Lasery impulsowe nie nadają się jednak do przesyłania danych. Inżynierowie optyki zdecydowanie preferują lasery ciągłe, które za pomocą modulatorów mogą ciąć i kroić w kostkę, aby tworzyć sygnały danych. Ale wszystkie grupy zmagały się z tym samym problemem. W miarę zwiększania ilości ciągłego światła laserowego, które dostarczały do ​​chipów krzemowych, wzrosło również prawdopodobieństwo, że pary nadchodzących fotonów uderzą w pojedynczy atom krzemu w tym samym czasie. Kiedy to się stało, atomy krzemu wyrzuciły elektrony ze swoich orbit atomowych, a te ruchome ładunki żarłocznie pochłaniały fotony. Przychodzący laser musiał być pulsowany, aby dać elektronom milionowe części sekundy, których potrzebowali, aby pozbyć się nadmiaru energii i zrelaksować się z powrotem do stanu spoczynku.

Zespół Paniccia znalazł odpowiedź, która była zarówno genialna, jak i dla osób zaznajomionych z technologią krzemową, prosta koncepcyjnie. W chipie lasera Intela wyryty był krzemowy kanał falowodu, w którym światło odbijało się w przód iw tył, zyskując na intensywności. Badacze wszczepili elektrody po obu stronach kanału. Kiedy włączyli napięcie między elektrodami, wytworzyło ono pole elektryczne, które skierowało ujemnie naładowane elektrony w kierunku elektrody naładowanej dodatnio, skutecznie usuwając je z drogi. W rezultacie fotony mogły gromadzić się bez przeszkód, dopóki nie wytworzyły ciągłej wiązki laserowej.

Zeszłej zimy, trzy dni przed Bożym Narodzeniem, koledzy Paniccia, Haisheng Rong i Richard Jones, zauważyli pierwszy znak, że strategia działa: linię na wyświetlaczu analizatora widma optycznego pokazującą, że fotony podczerwone wytwarzane przez laser wychodzą w Stały strumień.

W środku
Badacze Intela wciąż muszą znaleźć sposoby na produkcję laserów krzemowych obok komponentów elektronicznych w chipach. Obwody elektroniczne są budowane poprzez żmudny proces układania i trawienia dziesiątek warstw materiałów. Niektóre z tych etapów wymagają temperatur znacznie powyżej 1000 °C lub ekspozycji na żrące chemikalia. Dlatego inżynierowie Intela będą musieli upewnić się, że kroki wymagane do zbudowania urządzeń optycznych nie degradują obwodów elektronicznych i na odwrót.

Jako wstępną demonstrację użyteczności fotoniki krzemowej, Paniccia planuje jeszcze w tym roku zintegrować kilka modulatorów i innych komponentów optycznych na kawałku krzemu; ta konfiguracja powinna umożliwić transfer danych z szybkością 100 gigabitów na sekundę. Paniccia ma nadzieję, że taki prototyp zilustruje potencjał fotoniki krzemowej do przenoszenia danych do i z chipów znacznie wydajniej niż cokolwiek obecnie dostępnego na rynku.

Przechodząc wiosną tego roku przez jedno ze swoich nowo wyremontowanych laboratoriów, Paniccia zaprezentował makietę optycznego kabla Ethernet, który będzie wykorzystywał fotonikę krzemową. Podczas gdy Paniccia zwykle zachowuje skromną, ostrożną postawę naukowca, jasne jest, że lubi używać rekwizytu, by sprzedać swoją wizję nowej roli krzemu. Na końcu cienkiego kabla spaghetti znajduje się złącze, które przypomina koniec przewodu telefonicznego, z metalowymi podkładkami umieszczonymi pod maleńkimi szczelinami w silikonowej obudowie. W funkcjonalnej wersji kabla sygnały elektryczne byłyby przesyłane z chipa komputerowego przez metalowe podkładki do krzemowego chipa fotonicznego wewnątrz maleńkiego złącza, gdzie byłyby przekształcane w strumień impulsów świetlnych.

Choć z zewnątrz kabel przypomina znaną technologię, dodanie do niego taniej krzemowej fotoniki przyniosłoby komputerom niespotykaną szybkość i moc. Pozwoliłoby to firmie Intel na dodanie słynnego logo Intel inside do kolejnej przełomowej technologii. Uświadomienie sobie tej wizji nie będzie łatwe. Mimo to Paniccia jest przekonana, że ​​tak się stanie. Nie ma już wątpliwości, czy możemy to zrobić. To kiedy i jak. Taka była zmiana w ciągu ostatniego roku. A kiedy upadnie ostatnia bariera techniczna, mówi, fotonika krzemowa będzie wszędzie.

Robert Service jest pisarzem z Portland, OR, który zajmuje się chemią i materiałoznawstwem dla Nauka.

ukryć