Samozasilające się silikonowe chipy laserowe

Informatyk z UCLA przekształcił jeden energochłonny element lasera krzemowego w generator energii – co może pomóc inżynierom próbującym wprowadzić szybsze elementy optyczne do procesorów komercyjnych.

Bahram Jalali, profesor elektrotechniki na UCLA, zademonstrował sposób na zmniejszenie zapotrzebowania na energię w krzemowych chipach laserowych, co może uczynić je bardziej opłacalnymi komercyjnie w zastosowaniach obliczeń optycznych. (Dzięki uprzejmości Henry Samueli School of Engineering and Applied Science na UCLA).

Nie tylko nie wyrzucamy energii, ale faktycznie ją odzyskujemy, mówi Bahram Dżalali , profesor elektrotechniki w Henry Samueli School of Engineering and Applied Science na UCLA Brzmi to zbyt pięknie, aby mogło być prawdziwe, ale to prawda.

W miarę jak producenci chipów komputerowych pakują coraz więcej tranzystorów do chipa krzemowego, zbliżają się do podstawowego limitu: ile danych mogą wypchnąć z chipa lub z jednej płyty głównej na drugą za pomocą miedzianych przewodów. Gdy zwiększają moc i ilość danych, opór elektryczny narasta – aż do momentu, gdy przewody osiągną limit prędkości.

Firmy telekomunikacyjne pokonały ten problem wiele lat temu, zastępując przewody miedziane wiązkami światła przenoszonymi przez włókna szklane w komunikacji na duże odległości. Teraz producenci chipów, tacy jak Intel, budują maleńkie wersje tych szybszych systemów, wykorzystując, na znacznie krótszych dystansach, większą nośność fal świetlnych, na które nie ma wpływu opór elektryczny.

Dwa lata temu Jalali dokonał przełomu, robiąc laser z krzemu. Większość laserów jest wykonana z innych materiałów; ze względu na swoją fizykę krzem nie emituje łatwo światła. Jednak generowanie sygnałów optycznych byłoby tańsze i łatwiejsze, gdyby można było wytwarzać lasery z krzemu, którego właściwości są już dobrze znane w branży półprzewodników. Następnie, w zeszłym roku, Intel kontynuował prace Jalali z lepszą wersją lasera krzemowego, a także modulatorem do kodowania sygnałów na wiązkę światła – i tak narodziła się dziedzina fotoniki krzemowej (patrz Intel przełom , lipiec 2005).

Ale był problem. Aby uzyskać efekt laserowy, zarówno Jalali, jak i Intel użyli zewnętrznego lasera i wystrzelili go do krzemu, gdzie energia wiązki światła wchodziła w interakcję z materiałem, aby wytworzyć nowe światło. Uderzenie w krzem światłem lasera o dużej intensywności powoduje, że krzem generuje niepożądane elektrony, które z kolei mogą pochłaniać wytwarzane fotony, osłabiając efekt lasera. Materiał staje się jak gąbka pochłaniająca światło, mówi Jalali.

Intel rozwiązał ten problem, dołączając diodę elektryczną i przepuszczając prąd przez chip, aby zasadniczo odessać elektrony. Wymagało to jednak około jednego wata energii elektrycznej – wystarczającej do uruchomienia miliona tranzystorów na chipie. Prąd przepływający przez chip wytwarzał również ciepło odpadowe, które mogło spowodować, że chip przestanie działać.

Jalali zastanawiał się, co by się stało, gdyby odwrócił napięcie polaryzacji mocy z diody, co odwróciłoby pole elektryczne w krzemie. Rezultat: odwrócone nastawienie nadal wymiatało zbłąkane elektrony, ale zrobiło to bez zużywania tego wata mocy.

W podobny sposób, w jaki ogniwo słoneczne generuje energię elektryczną, gdy uderzą fotony w świetle słonecznym, dodatkowe elektrony w laserach krzemowych są uwalniane, gdy dwa fotony z lasera łączą się w krzemie. Urządzenie Jalali zbiera wolne elektrony i wykorzystuje je do uruchamiania tranzystorów w chipie. Jak mówi Jalali, około dwie trzecie mocy optycznej utraconej na generowanie elektronów można odzyskać i wykorzystać. Zamiast zużywać jeden wat mocy na oczyszczanie elektronów i generować dodatkowe ciepło, jego metoda wytwarza kilka miliwatów mocy.

Jalali, którego praca jest finansowana w ramach programu Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony, mającego na celu rozwój fotoniki krzemowej, ogłosił swoje wyniki na konferencji w Kanadzie w zeszłym tygodniu. Mówi, że aby był praktyczny, sprzęt do zbierania elektronów musiałby zostać zmniejszony do jednej dziesiątej jego obecnego rozmiaru, co jego zdaniem mogłoby zająć około trzech lat.

Mario Paniccia, dyrektor Intela Laboratorium Technologii Fotonicznych , mówi, że praca Jalali pokazuje, że fotonika krzemowa jest na najlepszej drodze do stania się praktyczną. To w dobrym kierunku… To, jak dokładnie użyjesz [efektu generowania] i zastosujesz go, nadal musi być zoptymalizowane, mówi. To nie jest coś, o czym myślisz, że się wydarzy, ale kiedy to zobaczysz, ma to sens.

Intel pracuje nad programem opracowania kilku kluczowych komponentów krzemowego systemu fotonicznego, w tym nie tylko źródeł światła, ale także modulatorów do dodawania sygnału, wzmacniaczy optycznych do jego wzmocnienia, fotodetektorów i niskostratnych falowodów. Paniccia spodziewa się, że do 2010 r. prace laboratoryjne mogą przełożyć się na rzeczywiste produkty, zaczynając od komunikacji między stojakami komputerów, następnie wzdłuż płyty montażowej komputera (płytki drukowanej, która umożliwia podłączenie innych płyt, takich jak karty dźwiękowe), a na końcu z jednego chipa na drugi.

Podejście Jalali nie jest jednak lekarstwem na wszystko. Przy bardzo wysokich natężeniach optycznych liczba zbłąkanych elektronów staje się tak duża, że ​​odwrócenie polaryzacji nie wystarcza, aby usunąć je wszystkie bez użycia większej mocy. A w przypadku niektórych zastosowań projektanci chipów woleliby, aby laser umieszczony na chipie i zasilany energią elektryczną zamiast był pompowany przez światło z innego lasera, jak wymagają obecne krzemowe chipy laserowe. Jednak w wielu przypadkach, jak mówi Jalali, zewnętrzne źródło lasera jest zaletą, ponieważ zmniejsza zużycie energii przez chip.

Paniccia porównuje rozwój fotoniki krzemowej do powstania tranzystora. Komputery oparte na lampach próżniowych wypełniały całe pomieszczenia, dopóki tranzystory się nie skurczyły, a układ scalony ostatecznie doprowadził do powstania niezwykle wydajnych komputerów, które można było nosić w torbach na ramię. Podobnie wyobraża sobie, że pewnego dnia fotonika krzemowa zmniejszy routery i inny sprzęt wypełniający rozdzielnię do wielkości chipów. Mówi Paniccia: Umożliwi to optyce i korzyściom płynącym z optyki, aby dotrzeć do miejsc, do których wcześniej nie mogli dotrzeć.

ukryć