Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2016 25 янв

Оптоэлектроные микропроцессоры изготовлены на базе стандартной технологии производства электронных чипов

Источник: Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Используя только технологические процессы, применяемые в настоящее время для производства микрочипов, исследователи из МИТ (MIT), Калифорнийского университета в Беркли и университета штата Колорадо изготовили оптоэлектронный процессор, в котором функциональные операции выполняются с помощью электронов, а информация передается посредством света.

Оптическая связь может существенно снизить энергопотребление чипов, что желательно не только само по себе, но является важнейшим условием сохранения тенденции к устойчивому росту вычислительной мощности.

Демонстрация того, что оптические чипы можно изготавливать без изменения технологических процессов, используемых в настоящее время в полупроводниковой промышленности, должно сделать оптическую связь еще более привлекательной для компьютероной отрасли. Это также делает решение существующей технической задачи еще более трудным.

Проект начался как совместная работа Раджива Рама (Rajeev Ram), Владимира Стояновича и Крсте Асановича (они работали в MIT в отделении электротехники и вычислительной техники, затем Стоянович и Асанович перешли в Беркли). И вот они вместе с Милошем Поповичем (MIT) составили основную группу авторов статьи в журнале Nature, в которой описан новый чип. К ним присоединились 19 соавторов, восемь из которых работали в MIT, когда исследование было завершено.

Готовый чип содержит 850 оптических компонентов и 70 млн транзисторов в типовом микропроцессоре. Этого достаточно, чтобы продемонстрировать все функциональные возможности, наличие которых потребуется в коммерческом оптическом чипе. В ходе испытаний чипа исследователи установили, что характеристики его транзисторов практически не отличаются от характеристик транзисторов в полностью электронных приборах, выполняющих вычислительные операции и изготовленных на том же самом оборудовании.

Компьютерные чипы обеспечивают обмен данными между логическими схемами и запоминающими устройствами. Однако современные чипы не могут поддерживать передачу данных к логическим схемам со скоростью, позволяющей реализовать преимущества, которые обеспечивают полное использование возрастающих скоростей их работы. Увеличение пропускной способности электрических соединений между логикой и запоминающими устройствами требует повышения расхода электроэнергии, что поднимет рабочую температуру чипов до неприемлемых уровней.

В принципе оптические соединения более энергоэффективные, и в отличие от электрических соединений необходимая мощность повышается не существенно с увеличением длины тракта передачи. Как следствие, оптические соединения дают возможность связывать элементы устройства на расстояниях, уже исчисляемых не микронами, а метрами с незначительным влиянием на рабочие характеристики.

Разработанный исследователями чип выполнен компанией GlobalFoundries, производящей полупроводниковые приборы по технологическому процессу «кремний-на-изоляторе», в ходе которого при изготовлении продукции слои кремния разделяются изолирующими слоями из стекла. Исследователи реализовали необходимые волноводы — оптические компоненты, обеспечивающие направленную передачу светового излучения — на поверхности тонкого слоя стекла на кремниевой подложке. Затем кремний под волноводом вытравливался. Разность в величине показателей преломления (определяет, в какой степени материал изменяет направление распространения света) между кремнием и стеклом помогает удерживать свет, проходящий по волноводу.

Одной из проблем, возникающих при использовании технологических процессов при производстве транзисторов для оптических приборов, является то, что назначение компонентов транзистора — проводить электричество, по крайне мере в течение некоторого времени. Но для существования проводимости необходимы свободные носители зарядов, которые, однако, стремятся поглощать частицы света, что ограничивает возможность оптической передачи.

В компьютерных чипах обычно применяются и носители отрицательных зарядов — электроны, а также носители положительных зарядов — «дырки», или отсутствие электрона там, где можно было бы ожидать его появления. «Это означает, что должен существовать способ блокировать любой тип импланта, который вносится в каждый слой, — объясняет Рам. — Нам просто нужно установить, как это сделать».

В некоторых точках оптоэлектронного чипа световые сигналы необходимо преобразовывать в электрические. Но контакт с металлом влияет и на передачу оптических сигналов. Исследователи нашли способ наносить металл на внутреннее кольцо оптического компонента, называемого кольцевым резонатором. Металл не взаимодействует со светом, проходящим по внешнему кольцу резонатора, но когда к нему прикладывается напряжение, он может либо изменять оптические свойства резонатора, либо реагировать на изменения оптического сигнала, транспортирующего данные, что позволяет преобразовывать оптические сигналы в электрические и наоборот.

Проводя испытания нового чипа, исследователи продемонстрировали, что детекторы оптического сигнала, в основе конструкции которых лежат кольцевые резонаторы, обладают такой высокой чувствительностью, что затраты электроэнергии на передачу бита информации могут быть снижены до величины порядка пикоджоуля, что составляет одну десятую от величины энергии, которая необходима в полностью электронном чипе — даже при передаче сигналов на очень короткие расстояния.