Фотоника — новый этап в развитии микроэлектроники
Новая технология производства микросхем, обеспечивающая оптическую передачу информации, способна многократно увеличить скорость передачи данных и снизить энергопотребление. Статья об этом достижении была недавно опубликована в журнале Nature.
Группа исследователей из ведущих университетов США разработала способ производства кремниевых микросхем, обменивающихся информацией посредством фотонов, при этом их стоимость не превосходит стоимости обычных микросхем.
Подпись к изображению: Объемный кремниевый электронно-фотонный чип, разработанный исследователями МТИ, Калифорнийского университета в Беркли и Бостонского университета
Передача сигналов между микросхемами посредством электронов — бутылочное горлышко современной микроэлектроники, и единственным решением является использование фотонов вместо электронов.
Вместо проводника, пропускающего от 10 до 100 гигабит информации в секунду, можно использовать оптическое волокно ёмкостью 10-20 терабит в секунду.
Замена проводника оптическим волокном даёт двойной выигрыш. Во-первых, свет позволяет передавать данные на многократно более высокой частоте без потерь энергии, присущих медным проводникам. Во-вторых, можно одновременно использовать свет различных частот в одном волокне. Также, оптические волокна можно паковать плотнее, чем медные проводники, без взаимных помех.
До последнего времени создание на кристалле оптоэлектроных элементов рядом с обычными транзисторами представляло серьёзную проблему.
Первый значительный успех в этом направлении пришёл в 2015 году, но это решение не было коммерчески привлекательным. Тогда был представлен первый в мире микропроцессор с возможностью передачи информации фотонами, для производства которого использовались обычные технологии.
Однако тот подход был применим только к небольшой доле самых совершенных микросхем, которая не включала наиболее распространённые типы чипов, где как базовый материал используется так называемый монолитный (объёмный) кремний.
В новой публикации представлено технологическое решение, подходящее и для наиболее распространённых коммерческих микросхем на основе монолитного кремния. Это достигается внедрением добавочных слоёв в работающую с фотонами часть микросхемы, что обеспечивает оптическую связь без негативного влияния на процессы с участием электронов.
Тщательно подобрав свойства этих добавочных, работающих с фотонами слоёв, учёные смогли обеспечить производительность высочайшего уровня в отношении плотности частот и энергопотребления.
Новая технология, включающая фотонику в самые современные микросхемы, обеспечит более быстрые и энергоэффективные коммутации, что значительно улучшит вычислительные устройства, в том числе, мобильные. Возможные применения вне области обычного информационного обмена включают ускорение обучения искусственных нейронных сетей, применяемых для распознавания образов и речи, выпуск дешёвых датчиков LIDAR (лазерные локаторы) для самоуправляемых автомобилей, распознавание лиц смартфонами и технологию дополненной реальности. К тому же, чипы с оптической функцией привнесут новые возможности в безопасность данных, обеспечат требуемую мощность для работы в мобильных сетях 5-го поколения (5G), и послужат для квантовых вычислений.
23.04.2018 15:28
