• Yulia Mi

Новая эра в развитии фотонной передачи данных

Пост обновлен 29 июля 2018 г.

Новая технология производства кристаллов с фотонной передачей данных позволит повысить скорость передачи сигналов и снизить энергопотребление.



Исследователи из Бостонского университета технологий в Массачусетсе, Калифорнийского университета в Беркли и Колорадского университета в Боулдере разработали технологию производства кремниевых кристаллов с передачей сигналов с помощью света. Стоимость таких электронно-фотонных чипов сравнима со стоимостью обычных кристаллов, используемых в настоящее время.


Традиционный метод передачи сигналов – электрические проводники – имеет ограничение по скорости и дальности передачи данных. Кроме того, велики потери мощности за счет нагревания проводников. В связи с постоянным ростом потребностей в высокопроизводительных изделиях электроники предельно возможные показатели передачи данных посредством проводов уже достигнуты. Но с новым изобретением ученых эта проблема может быть решена.

Предельно возможные показатели скорости передачи данных посредством электрических соединений уже достигнуты.

Первый значительный успех в разработке кристаллов с большей скоростью передачи сигналов был в 2015 году, когда ученые Владимир Стоянович (профессор Калифорнийского университета в Беркли), Милос Попович (профессор Колорадского университета в Боулдере) и Раджив Рам (профессор Массачусетского института технологий) опубликовали статью в журнале Nature, демонстрирующую первый в мире микропроцессор с возможностью фотонной передачи данных. Исследователи интегрировали более чем 70 миллионов транзисторов и 850 фотонных компонентов в кристалл с размерами 3х6 мм. Они создали свой микропроцессор на фабрике, которая массово производит стандартные электронные высокопроизводительные чипы для компьютеров, демонстрируя тем самым, что технология производства электронно-фотонного кристалла может быть легко и быстро внедрена в коммерческое производство. Новый кристалл имеет фотонные каналы ввода-вывода и использует свет для взаимодействия с другими чипами.


Кристалл с фотонной передачей данных обычно просвечивают красным или зеленым светом (фото Гленн Асакава, университет Колорадо)

По сравнению с электрическими проводами, волоконная оптика имеет более широкий диапазон рабочих частот, передает данные на больших скоростях и на большие расстояния с меньшими энергозатратами. Исследователи проверили функциональность электронно-фотонного кристалла, используя его для запуска различных компьютерных программ, требующих отправление и получение инструкций и данных в/из памяти. Они показали, что чип имеет полосу пропускания 300 Гигабит в секунду на квадратный миллиметр, что в 10-50 раз выше, чем у обычных электронных микропроцессоров, которые есть сейчас на рынке. Фотонные каналы ввода/вывода также энергетически эффективны, поскольку требуют только 1,3 пикоджоуля энергии на бит, что эквивалентно потреблению 1,3 Ватт для передачи терабита информации в секунду. Кроме того, используя фотонную связь между кристаллами, мы не ограничены в расстоянии и для передачи сигнала на несколько сантиметров, метров или километров требуется одинаковое количество энергии.

Микропроцессор с фотонной передачей данных имеет полосу пропускания 300 Гигабит в секунду на квадратный миллиметр площади, что в 10-50 раз выше, чем у самых современных микропроцессоров, которые есть сейчас на рынке.

Для использования света внутри кристалла исследователям пришлось найти ответы на вопросы, как контролировать и управлять световыми волнами внутри чипа. Чтобы свет проходил через кристалл с минимальными потерями, к примеру, исследователи использовали кремниевую основу транзистора в качестве световода. Для того, чтобы контролировать свет и передавать с его помощью биты данных, ученые разработали кремниевое кольцо с p-n легированным переходом, граничащее с кремниевым световодом, для модуляции света. Кремний-германиевые части современных транзисторов было решено задействовать для формирования фотодетектора, что позволило использовать способность германия поглощать свет и преобразовывать его в электричество. Для взаимодействия кристалла с внешним миром использовались слои кремния и поликремния в качестве вертикального решетчатого волноводного ответвителя.


Электронно-фотонный кристалл под освещением (фото Гленн Асакава, университет Колорадо)

Исследователи подчеркивают, что все эти изменения, необходимые для внедрения технологии фотонной передачи информации, легко интегрировать в современный процесс производства микропроцессоров, а значит, новая эра в развитии фотонной передачи данных на уровне кристаллов уже началась.



#микропроцессор #фотонный кристалл



Просмотров: 0

Подписаться на новости SCDAILY