Новости Новости электроники

Кремниевая фотоника: придет ли свет на смену электричеству?

Полностью полупроводниковый лазер с незатухающей волной решает ранее непреодолимую проблему двухфотонного поглощения

Микроэлектроника уже сталкивается с физическими ограничениями (на уровне атомов) при передаче электрических сигналов между микросхемами. Возможным решением этой проблемы может явиться развитие нетрадиционных технологий, в частности- кремниевой фотоники.

Intel уже создала множество структур, необходимых для организации передачи сигналов между микросхемами с помощью света так же просто, как сейчас это делают электроны. Основной проблемой для этого было отсутствие подходящего источника света. Недавно Intel анонсировала новый прорыв в этой области- первый полностью полупроводниковый лазер с незатухающей волной, использующий физическое явление, называемое эффектом Рамана (в квантовой механике эффект Рамана описывается как обмен энергией между молекулами рассеивающего вещества и падающим светом), и построенный с использованием стандартных серийных CMOS-кристаллов.

Используя возможности полупроводников, исследователи Intel смогли реализовать функции традиционного, громоздкого комбинационного лазера, использующего стекло и обычно имеющего размеры чемодана, сократив его размеры до толщины одной дорожки на кремниевой пластине.

Этот прорыв в кремниевой фотонике приведет к созданию практических и доступных решений для коммуникаций и вычислений, к созданию нового медицинского оборудования и датчиков, а настраиваемый полупроводниковый лазер сможет заменить своих предшественников, стоящих сотни и тысячи долларов. Это достижение также может привести к ускорению создания новых оптических межкомпонентных соединений между микросхемами и внешними устройствами, т.к. тонкие оптические волокна занимают меньше места, чем электрические кабели, и будут обеспечивать лучшие условия охлаждения компьютеров и серверов.

Демонстрационная пластина с полупроводниковыми лазерами была изготовлена с использованием стандартной CMOS-технологии на существующей производственной линии. Это значит, что для этих новых технологий путь от лаборатории до производства может быть не длинным и сложным, как в случае некоторых нетрадиционных технологий, а весьма прямым и быстрым.

Не исключено, что когда-нибудь средствами кремниевой фотоники весь огромный ЦОД можно будет превратить в единый гипермасштабируемый компьютер , а если принять во внимание достигнутые к тому времени успехи в области искусственного интеллекта , то несложно представить себе нечто наподобие Океана на Солярисе, описанного Станиславом Лемом . Пока же нынешние серверы и ЦОДы по своему состоянию напоминают ПК в их бытность до появления SATA и USB : внутри - нескладные ленточные кабели, снаружи - последовательные и параллельные порты для мыши, клавиатуры и колонок. Но уже в 2025 году картина станет иной: все будет унифицировано и подключено по оптоволокну, что обеспечит качественно иной подход к целому ряду задач, в частности, к масштабированию и высокопроизводительным вычислениям. И все это станет возможным благодаря достижениям в области кремниевой фотоники.

Кремниевой фотоникой называют синергию двух групп технологий - электроники и оптики, которая позволяет принципиально изменить систему передачи данных на расстояниях от миллиметров до тысяч километров. По значимости результат внедрения кремниевой фотоники сравнивают с изобретением полупроводников, потому что ее внедрение позволяет еще на много лет вперед сохранить действие закона Мура , составляющего базис развития информационных и коммуникационных технологий.

Тем, кому интересны фундаментальные основы этого направления, можно порекомендовать вышедшую в 2017 году научно-популярную книгу «Кремниевая фотоника - источник следующей информационной революции» (Daryl Inniss, Roy Rubenstein "Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution"). Более серьезные введения в кремниевую фотонику - книга «Silicon Photonics III: Systems and Applications» группы авторов и «Silicon Photonics: An Introduction» (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Также на эту тему есть несколько полезных материалов на сайте компании Mellanox .

Как это работает

Если же ограничиться практическими приложениями к компьютингу, то, как и в случае с электроникой, оптику и физику твердого тела можно оставить в стороне. Для понимания на системотехническом уровне достаточно самых поверхностных сведений о предмете. Казалось бы все очевидно: последовательность электрических сигналов преобразуется передатчиком T в последовательность оптических сигналов. По кабелю она попадает в приемник R, который возвращает им электрическую форму. В качестве источников света могут использоваться несколько типов лазеров, а для передачи одно- или мультимодальные кабели.

Но не стоит забывать о научной и инженерной сложности проблем, возникающих при реализации принципов кремниевой фотоники. О ней можно судить хотя бы по тому, что первые экспериментальные работы в этом направлении датируются еще серединой 80-х годов ХХ века, попытки коммерческих разработок были сделаны в начале 2000-х годов, а первые коммерческие результаты были получены только после 2016 года. Сорок лет... При том, что практическое использование оптоволоконной связи началось в середине шестидесятых, а экспериментальные работы - намного раньше.

Суть проблемы материалов на основе кремния заключается в невозможности работать на тех же частотах, которые используются в волоконной оптике, а использовать альтернативные материалы практически невозможно по экономическим причинам. В существующие технологии полупроводникового производства вложены колоссальные средства. Для реализации принципов кремниевой фотоники их нужно адаптировать к существующим технологиям. Решением может быть включение в состав микросхем миниатюрных приемников и передатчиков и прокладка между ними соответствующих волноводов. Это сложнейшая инженерно-техническая задача, которая по состоянию на 2017 год решена.

Раньше других это удалось сделать Intel - корпорация уже предложила свои продукты рынку. Вскоре следует ожидать объявлений от IBM , за ними последуют Mellanox , Broadcom , Ciena , Juniper и ряд других крупных компаний. Параллельно скупаются добившиеся успеха стартапы. Процесс пошел, но не быстро. Трудности вызваны тем, что создание новых продуктов требует значительных средств и времени, что дает преимущества крупнейшим вендорам.

Четыре уровня коммуникаций

Технологии кремниевой фотоники уже сегодня позволяют создавать 100 Гбит Ethernet , а в обозримом будущем 400 Гбит и 1 Тбит. Такие скорости обмена данными открывают возможности для конвергенции современных архитектур в качественно новые - на уровне стойки RSA (Rack-Scale Architecture) и на уровне ЦОДа ESSA (Extended-scale system architecture). Предел первой ограничен так называемым подом (одной или несколькими стойками), вторая охватывает весь ЦОД. Компоненты этих инфраструктур связываются удаленно по шине PCIe (PCIe-bus interconnects at a distance).

Средствами силиконовой фотоники создается иерархическая система коммуникаций, разделенная на 4 уровня:

Уровень 1 «Чип» : Внедрение технологий кремниевой фотоники внутрь чипа интересно по нескольким соображениям:

• Чипов существенно больше, чем стоек, следовательно, потребность в приемниках и передатчиках велика, и эти технологии будут быстро развиваться.
• Существенно повысятся скорости обмена вне чипа, поэтому могут заметно измениться принципы системного проектирования.
• В отдаленной перспективе можно представить, что и между компонентами чипа могут использоваться оптические коммуникации, например для обмена между ядрами. Но на таких коротких расстояниях медь надолго сохранит свои позиции.

Минувший 2007 год был очень успешным для развития многих технологий Intel, в том числе и в области кремниевой фотоники. Последние прорывные достижения Intel в этой сфере журнал MIT Technology Review сравнил с тройным выигрышем на скачках – так обозреватели ведущего издания оценили серию официальных анонсов корпорации.

Как сообщил Джастин Раттнер (Justin Rattner), главный специалист по технологиям и глава Corporate Technology Group корпорации Intel: «Мы опытным путем продемонстрировали, что производственные технологии, совместимые с технологией разработки кремниевых CMOS-элементов, позволяют создавать полупроводниковые оптические устройства. Доказательство этого факта стало огромным достижением, однако для дальнейшего развития данного технологического направления необходимы не менее значимые шаги. Теперь нам нужно научиться интегрировать устройства кремниевой фотоники в стандартные компоненты компьютеров; пока еще мы не умеем делать этого. Но в то же время мы продолжаем активно работать вместе с подразделениями, занимающимися разработкой различных видов продукции, чтобы предложить производителям модели использования полупроводниковой фотоники в решениях Intel».

Исследователи из корпорации Intel разработали первый в мире полупроводниковый чип, способный производить высококачественный непрерывный лазерный луч. Восемь лазеров интегрированы в одну кремниевую микросхему.

Кремниевая фотоника как средство устранения узких мест на пути к эре тера-вычислений

Кремниевая фотоника – важнейшая составная часть долговременной стратегии развития Corporate Technology Group, направленной на ускорение перехода к тера-вычислениям. Дело в том, что по мере развития многоядерных процессоров, обладающих огромной вычислительной мощностью, перед инженерами возникают новые проблемы. Например, потребность в скорости обмена данными между памятью и процессором скоро превысит физические ограничения, накладываемые медными проводниками, а скорость передачи электрических сигналов станет меньше, чем быстродействие процессора. Уже сейчас производительность мощных вычислительных систем, зачастую, ограничивается скоростью обмена данными между процессором и памятью. Сегодняшние технологии передачи данных рассчитаны на гораздо меньшую пропускную способность по сравнению с фотоникой, а с увеличением расстояния, на которое передаются данные, скорость передачи становится еще меньше.

«Необходимо привести скорость передачи данных между компонентами вычислительной платформы в соответствие с быстродействием процессоров. Это действительно очень важная задача. Мы видим кремниевую фотонику в качестве решения этой проблемы, и потому проводим в жизнь исследовательскую программу, которая позволяет нам занимать передовые позиции в этой области», - заявил заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Кевин Кан (Kevin Kahn).

Испытания опытного образца оптического модуля памяти показали, что для доступа к памяти сервера может использоваться не электричество, а свет.

Группа под руководством ведущего исследователя Intel в области оптики Дрю Элдуино (Drew Alduino) занимается созданием системы оптической связи между процессором и памятью для платформ Intel. Уже создана тестовая платформа на базе полностью буферизованной памяти FB-DIMM, на которой загружается и запускается Microsoft Windows. Действующий опытный образец является доказательством возможности подключения памяти к процессору с помощью оптических линий связи без ущерба для производительности системы.

Создание коммерческой версии подобного решения несет огромные преимущества для пользователей. Оптические системы связи позволят устранить узкое место, связанное с разницей в пропускной способности памяти и скоростью процессора, и повысить общую производительность вычислительной платформы.

От исследований – к реализации

В лаборатории Photonics Technology Lab, которой руководит заслуженный инженер-исследователь корпорации Intel Марио Паниччиа (Mario Paniccia), было доказано, что все компоненты для оптических коммуникаций – лазер, модулятор и демодулятор – можно изготовлять из полупроводников на базе имеющихся производственных технологий. В PTL уже были продемонстрированы важнейшие компоненты кремниевой фотоники, работающие с рекордной производительностью, включая модуляторы и демодуляторы, обеспечивающие скорость передачи данных до 40 Гбит/с.

Для реализации технологии полупроводниковой фотоники необходимы шесть основных компонентов:

• лазер, испускающий фотоны;
• модулятор для преобразования потока фотонов в поток информации для передачи между элементами вычислительной платформы;
• волноводы, играющие роль «линий передачи» для доставки фотонов к местам назначения, и мультиплексоры для объединения или разделения световых сигналов;
• корпус, особенно необходимый для создания сборочных технологий и недорогих решений, которые можно будет использовать при массовом производстве ПК;
• демодулятор для приема потоков фотонов, несущих информацию, и их обратного преобразования в поток электронов, доступный для обработки компьютером;
• электронные схемы для управления этими компонентами.

%%%
Вопрос реализации всех этих компонентов оптической связи на базе полупроводниковых технологий повсеместно признан важнейшей исследовательской проблемой, решение которой приведет к огромному техническому прорыву. Лаборатория PTL уже установила ряд мировых рекордов, разработав высокопроизводительные устройства, модуляторы, усилители и демодуляторы, обеспечивающие скорость передачи данных до 40 Гбит/с. В течение следующих пяти лет корпорация Intel будет искать пути для интеграции этих компонентов в реальную продукцию.

Один из ключевых компонентов кремниевой фотоники – модулятор, обеспечивающий скорость передачи до 40 Гбит/с.

В области полупроводниковой фотоники Intel уже вышла на финишную прямую. Исследования в области интеграции оптических элементов уже перешли от стадии научных или технологических разработок к этапу создания коммерческой продукции. Исследовательская группа теперь занимается определением возможностей и спецификаций для проектирования новаторской продукции на базе этой революционной технологии. В конечном счете специалисты Intel создают опытные образцы и тесно сотрудничают с подразделениями, занимающимися разработкой различных видов продукции, чтобы ускорить внедрение новой технологии.

Кроме собственной деятельности, корпорация Intel финансирует некоторые наиболее перспективные исследования в этом направлении вне CTG - в частности, сотрудничает с Калифорнийским университетом в Санта-Барбаре, который занимается разработкой гибридного полупроводникового лазера. В лаборатории PTL также проходят стажировку талантливые выпускники различных университетов из других стран.

Ведущий исследователь Intel в области оптики Ричард Джонс (Richard Jones) считает: «На текущую перспективу перед нами стоят две важнейшие задачи по реализации проекта гибридного полупроводникового лазера. Во-первых, мы должны перенести опытное производство гибридных лазеров из Калифорнийского университета на завод Intel. Во-вторых, нам предстоит объединить гибридный лазер, высокоскоростной полупроводниковый модулятор и мультиплексор, чтобы доказать, что мы можем создать единый оптический передатчик на базе производственной технологии, совместимой с CMOS».

Внедрение технологий кремниевой фотоники будет включать разработку новых производственных процессов для изготовления лазеров в крупносерийных масштабах. Успехи корпорации Intel в области фотоники позволят ей существенно опередить потенциальных конкурентов. Лаборатория PTL уже зарегистрировала около 150 патентов. Самые престижные издания, такие как Nature, отметили небывалые достижения специалистов Intel. Кроме того, в 2007 году корпорация Intel была удостоена награды EE Times ACE Award за самую перспективную новую технологию.

В погоне за фотонами

В отличие от имеющихся прочно устоявшихся и отработанных десятилетиями процессов производства транзисторов, технология создания элементов для полупроводниковой фотоники является полностью новой. На пути ее внедрения стоят определенные проблемы: оптимизация устройств, повышение надежности конструкции, отработка методологии испытаний, обеспечение энергоэффективности, разработка сверхминиатюрных устройств.

Испытательный стенд для 40-гигабитного кремниевого лазерного модулятора

Одной из важнейших проблем является оптимизация, ведь лаборатория PTL разрабатывает оптические устройства для массовой вычислительной техники. Пока нет другой подобной продукции, стандартов и других точек отсчета, инженеры, разрабатывающие новый технологический процесс, сами ищут решения, наилучшим образом удовлетворяющие потребности компьютерных применений.

В настоящее время группа исследователей лаборатории PTL, относительно небольшая по меркам фотоэлектроники, постепенно переключается на коммерциализацию решений полупроводниковой фотоники и рассчитывает, что массовое внедрение этой невероятной технологии может начаться уже в 2010 году.Группа специалистов по оптике из подразделения Digital Enterprise Group (DEG) под руководством Виктора Крутала (Victor Krutul) занимается разработкой приложений, которые обеспечат базу для становления новой технологии. «Мы верим, что благодаря освоению оптических коммуникаций продукция Intel и дальше будет соответствовать закону Мура», - говорит Крутал.

Когда для переноса информации между компонентами одной вычислительной платформы и между разными системами будут использоваться не электроны, а фотоны, свершится очередная компьютерная революция. Ведущие производители электронной техники во всем мире уже подключились к этой гонке, стремясь получить конкурентные преимущества. Значимость новой технологии можно сравнить с изобретением интегральных схем. Специалисты корпорации Intel лидируют в этих исследованиях и в разработке компонентов на базе полупроводниковой фотоники.

IBM объявили о прорыве в области кремниевой фотоники – была создана первая полностью интегрированная мультиплексированная микросхема. Новое устройство позволит отдельным чипам взаимодействовать между собой с помощью оптических, а не электромагнитных волн, что позволит повысить пропускную способность до 100 ГБ в секунду и выше. Эта микросхема размещается на одном кристалле кремния и имеет решающее значение для долгосрочного внедрения оптических технологий в микромасштабах. Но почему у таких мощных компаний как IBM и Intel потратили целые десятилетия на изучение кремниевой фотоники?

В теории, с помощью кремниевой фотоники можно решить многие серьезные проблемы, связанные с дальнейшим использованием медных соединителей. Одна из основных проблем медного провода в том, что его нельзя масштабировать также активно, как другие жизненно важные детали современного процессора. После определенной точки физически невозможно уменьшать медный провод дальше без ущерба для его производительности и/или срока годности. В теории, оптические соединения могут передавать данные гораздо быстрее, потребляя при этом меньше энергии. Помимо этого, многие компании считают, что кремниевая фотоника является необходимой для создания суперкомпьютеров с вычислительной мощность около одного эксафлопса (exascale computing).

К сожалению, кремний — это плохая среда для оптических приборов, так как масштабы производства настолько разняться (оптические волноводы и другие компоненты гораздо больше, чем КМОП кремния), что не существует инженерных решений, которые могли бы эффективно и недорого интегрировать оптические элементы в существующие КМОП с использованием кремния, а не дорогостоящих альтернативных материалов, таких как, например, арсенид галлия. Теперь же компания смогла разместить чипы, созданные по технологии кремниевой фотоники, прямо на модуле процессора.

График из презентации Intel о кремниевой фотоники иллюстрирует и энергопотребление, которого стараются достигнуть производители. Долгосрочные планы на кремниевую фотонику предлагают таки пропускную способность и количество энергии на бит информации, которая недоступна медным соединениям.
После десятилетий работы кремниевая фотоника может казаться лишь еще одной сумасшедшей идеей, которая хорошо выглядит на бумаге, но совершенное неприменима на практике, но прогресс не стоит на месте, и хотя передовые компании, такие как IBM, Intel или HP, могут не выпустить технологию на коммерческом уровне в ближайшее время, она наверняка найдет применения в научных лабораториях, сверхкомпьютерах и датацентрах.

Фотонная логика пока что не заменит полу­проводник­овой, но уже может применяться для передачи данных. Как между устройствами, так и между ядрами процессора.

Глядя на недавний анонс "железных" новинок от Apple, так и хочется сказать, что новые технологии словно тропическая зелень: ещё вчера был маленький чахлый побег, а сегодня уже мощная лиана, глубоко пустившая корни и крепко охватившая своими побегами рыночный ствол вычислительной техники.

Появление первых "маков" с интерфейсом Thunderbolt было воспринято с любопытством, но не более того. Также в своё время рынок смотрел на диковинный порт FireWire в ноутбуках Apple PowerBook 3G.

Последовавшее за этим включение Thunderbolt, совмещённого с Display Port, практически во всю вычислительную технику Apple заставило производителей периферии серьёзно задуматься о поддержке этой технологии. Благо новый контроллер, разработанный компанией Intel, одновременно поддерживает и "удар грома", и спецификацию USB 3.0. И если с последним интерфейсом всё ясно, то вот Thunderbolt полон загадок. Каких?

Ну, например, из серии "Что в имени тебе моём?". Ведь Thunderbolt - это рыночное наименование исследовательской технологии Intel Light Peak, где ключевым словом является light - свет. Те десять гигабит в секунду, которые сейчас предлагает потребителю Thunderbolt, передавая данные по медным проводам на расстояние до трёх метров, - воистину цветочки в сравнении с пятьюдесятью гигабитами в секунду, которые Light Peak обеспечивает по оптическому кабелю на сотню метров.

Появление оптического варианта Thunderbolt - дело недалёкого будущего. Будущего, в котором, наряду с привычной нам микроэлектроникой, помогать обрабатывать данные начнёт "царица света" - фотоника.

О том, как в Intel используют фотонику в технологии высокоскоростного обмена данными Silicon Photonics Link, можно прочесть в статье "Скачать за секунду: достижения кремниевой фотоники ".

Решения Intel на базе кремниевой фотоники обеспечат пятьдесят гигабит в секунду пропускной способности интерфейса компьютера с периферией

Пришло время посмотреть на компоненты систем на основе кремниевой фотоники детальнее. Систем, потому что решения Intel - далеко не единственные. И, что самое главное, сегодня это уже не просто лабораторные экзерсисы. Кремниевая фотоника обзавелась всеми необходимыми возможностями и вполне готова плодотворно сотрудничать с имеющимися микроэлектронными решениями.

Примером такого сотрудничества может служить герой нынешнего материала - проект компании IBM с метким названием SNIPER (Silicon Nano-Scale Integrated Photonic and Electronic Transceiver).

Фотоника. Кирпичики технологии

Способна ли фотоника полностью заменить электронику в микросхемотехнике? Наверное, нет. Распространение света основывается на законах оптики, что вносит существенные ограничения в разработку таких базовых компонентов, как транзисторы, конденсаторы и диоды. Нет, попытки разработать оптические аналоги транзистора предпринимались достаточно давно, да и сегодня они не прекращаются. Только вот составить конкуренцию отработанной технологии КМОП они не могут.

Схема фотонного транзистора была предложена ещё в восьмидесятых годах прошлого столетия

В чём фотоника действительно преуспевает, так это в реализации высокоскоростных каналов, связывающих компоненты цифровых схем. То есть в тех местах, где электроника начинает всё активнее буксовать. Увеличение степени интеграции компонентов микросхем сказывается на размерах соединяющих их металлических проводников. С переходом на двадцатидвухнанометровый технологический процесс производства КМОП инженеры столкнулись с проблемой переходных явлений в миниатюрных медных шинах. Явления эти способны легко привести к ошибкам в работе сложного вычислительного комплекса, плотно упакованного в кремниевый чип.

Использование фотоники в качестве коммуникационной среды микросхем позволяет технологам одновременно избавить новые чипы от влияния переходных процессов в медных проводниках и существенно снизить нагрев микросхемы. В отличие от непродуктивно превращающих свою энергию в тепло электронов, фотоны, продвигаясь по оптическому проводнику, совершенно не рассеивают тепло.

Итак, компромиссным решением является комбинация электроники и фотоники. За электроникой остаётся основа цифровой схемотехники, а фотоника берёт на себя роль универсальной проводящей среды.

Что же для такой среды нужно? В первую очередь источник фотонов - лазер. Далее - проводящая среда, по которой фотоны смогут распространяться внутри микросхем, - волноводы. Чтобы нули и единицы, сформированные электронными компонентами, превратились в световой поток, и для обратного преобразования потребуются модуляторы и демодуляторы, но, конечно же, не простые, а оптические.

Ну и, чтобы добиться высокой пропускной способности, необходимой каналам нынешних интегральных микросхем, потребуются мультиплексоры и демультиплексоры (тоже, конечно, оптические). Причём все эти компоненты необходимо реализовать на той же самой кремниевой базе, которая используется и для технологии КМОП.

Разработка этих "кирпичиков" - путь, которым шла кремниевая фотоника последние двадцать лет. За это время была предложена масса уникальных решений, которые и явились той самой "суммой технологий", позволяющей фотонике перейти на качественно новый уровень. Уровень интегрированных оптико-электронных схем.

Кремниевые лазеры

Вообще-то словосочетание "кремниевый лазер" - это оксюморон. Являясь так называемым непрямозонным полупроводником, кремний совершенно не способен излучать свет. Вот почему в оптоволоконных телекоммуникациях используются решения на основе других (прямозонных) полупроводников, например арсенида галлия. При этом кремний отлично подходит для создания волноводов и детектирования оптических сигналов в электрические.

Так в чём же проблема? Можно использовать внешний по отношению к кремниевой схеме лазер или же разработать гибридную схему на основе кремния и, например, того же арсенида галлия. Но ни то ни другое решение нельзя считать эффективным. В случае использования внешнего лазера (а в современных волоконно-оптических системах макроуровня так и делается) на микроуровне практически невозможно точно откалибровать луч по отношению к волноводу нанометровых размеров. Включение же арсенида галлия в технологический процесс производства чипов КМОП потерпело неудачу. Слишком разные условия для производства нужны этим двум полупроводникам.

Так что же, кремниевому лазеру никогда не увидеть (точнее, не испустить) свет? Конечно же, нет. Кремний можно заставить светить, если применить различные хитрости. Например, легировать его материалом, который будет испускать фотоны за кремний. Или так изменить структуру самого кремния, что он вынужден будет засветиться. Третий способ - применить комбинационное рассеяние света (его ещё называют рамановским), временно превращающее кремний в практически прямозонный полупроводник.

Один из способов заставить кремний светиться - создать пористую кремниевую структуру

Схема и микрофотография лазера на основе рамановского рассеяния

В настоящее время наибольших успехов учёные добились в области технологий легирования кремния. Самая известная реализация кремниевого лазера непрерывного действия на их основе - лазер, разработанный компанией Intel совместно с Калифорнийским университетом Санта-Барбары. Учёным удалось с помощью окиси "приклеить" прямозонный полупроводник фосфид индия к кремниевому волноводу. Толщина "клея" при этом составляет всего 25 атомов. Создавая разность потенциалов между кремнием и фосфидом индия (это называется "электрическая накачка"), они добились формирования фотонов, которые через "клей" проникают в кремниевый волновод.

Схема схема гибридного кремниевого лазера непрерывного действия

На основе такой схемы создаются варианты гибридного кремниевого лазера с разной длиной волны (инфракрасного диапазона, прозрачного для кремния), что позволяет реализовать многоканальную коммуникационную систему.

Кремниевые модуляторы

Испускаемый кремниевым лазером поток фотонов можно представить как несущую частоту, которую требуется модулировать двоичным сигналом.

Оптические модуляторы считались невозможными до тех пор, пока учёные не решили использовать явление интерференции света. В общем виде модулированный оптический сигнал можно получить путём интерференции опорного пучка света и пучка, прошедшего через материал, изменяющий показатель преломления под воздействием электрического тока (так называемый электрооптический эффект). К сожалению, кремний и здесь подкачал - его симметричная кристаллическая решётка не позволяет реализовать электрооптический эффект. На помощь вновь пришло легирование.

Учёные раздвоили кремниевый волновод и нарастили на одном из его плеч слой нитрида кремния, который растянул кристаллическую решётку кремния. Приложение к этому участку напряжения приводит к преломлению света в этом плече волновода. При этом в другом плече этот же поток распространяется без искажения.

Микрофотография участка плеча преломления света в модуляторе Маха-Цендера

Реализация всего модулятора Маха-Цендера и его варианты.

Объединение этих потоков на выходе приводит к их интерференции, при этом выходной поток будет модулироваться приложением напряжения к плечу волновода с нитридом кремния. Изобретать велосипед учёным не пришлось. Подобный эффект широко применяется в интерферометрах Маха-Цендера. Поэтому кремниевые модуляторы и демодуляторы назвали точно так же.

Кремниевые мультиплексоры

Множество модулированных световых потоков от множества лазеров с разной длиной волны может существенно повысить пропускную способность коммуникационного канала за счёт распараллеливания передачи данных. Но как это множество потоков объединить в один? Да ещё и таким образом, чтобы на выходе полученный суммарный поток снова можно было разделить. Здесь на помощь придут мультиплексоры. Оптические, естественно.

Идея оптического мультиплексора на основе массива волноводов (AWG)

Микрофотография AWG-мультиплексора

Оптический мультиплексор на основе каскада модуляторов Маха-Цендера

В настоящее время предложена технология микроминиатюрного мультиплексирования света путём его спектрального уплотнения (WDM - Wavelengths Division Multiplexing). Чаще всего для её реализации используют дифракционную структуру на основе массива волноводов и зеркал (AWG - Arrayed Waveguide Grating), в которой каждый пучок света движется по собственному волноводу, искривлённому в соответствии с его длиной волны. Смыкаясь, эти волноводы и дают результирующий спектрально-уплотнённый поток. Другим распространённым решением является использование каскада уже известных нам модулятров Маха-Цендера.

IBM SNIPER. Кремниевый терабит

Решения в области кремниевой фотоники, предложенные компанией Intel, направлены на продвижение фотонных технологий в области интерфейсов периферийных устройств. Ближайшей коммерческой перспективой является пятидесятигигабитный оптический вариант интерфейса Thunderbolt (возможно, к моменту промышленной реализации его назовут по-другому). В более отдалённой перспективе Intel рассматривает увеличение пропускной способности до двухсот гигабит в секунду. Сказать, что это быстро, значит не сказать ничего: например, содержимое диска DVD при такой скорости может быть передано за одну секунду.

Точно такую же цель поставила перед собой лаборатория IBM Research. Поставила и добилась! Правда, использовать свой терабит IBM планирует не в коммуникационных интерфейсах, а в высокоскоростных шинах, соединяющих ядра многоядерного процессора.

Межядерная коммуникация на основе кремниевой фотоники

Идея проекта SNIPER от IBM Research (синим цветом показана фотонная часть схемы)

Проект SNIPER является практической реализацией идеи нанофотоники, использующей рассмотренные выше "строительные блоки" для создания фотонной коммуникационной сети. Эта фотонная сеть интегрирована поверх многослойного "пирога" системы на чипе, включающем многопроцессорный модуль и модуль оперативной памяти. Имея выходы наружу, такая сеть обеспечивает подключение этой системы на чипе к высокоскоростной оптической шине данных, соединяющей процессор с периферией. Внутренняя же волноводная разводка обеспечивает маршрутизацию данных между ядрами процессорного модуля.

Шестиканальный фотонный модуль проекта SNIPER

В настоящее время проект SNIPER может похвастаться реализацией шестиканального модуля фотонного приёмо-передатчика, использующего гибридные кремниевые лазеры, модуляторы Маха-Цендера и мультиплексор на основе массива волноводов. Пропускная способность каждого канала этого приёмо-передатчика составляет двадцать гигабит в секунду. На подложке размером 25 квадратных миллиметров реализовано пятьдесят таких каналов, что обеспечивает тот самый терабит пропускной способности.

Фотонный чип проекта SNIPER, обеспечивающий терабитную пропускную способность

Что самое главное, SNIPER - уже не исследовательский проект. Библиотеки всех элементов фотоники для кремниевой литографии отработаны для производственного цикла. Как и методика их интеграции с КМОП-логикой системы на чипе.

Где в первую очередь будет применяться это решение? Конечно же, в суперкомпьютерных системах и датацентрах облачных вычислений. Там, где вычислительная мощность электронных схем больше всего нуждается в обмене данными со скоростью света.

Однако можно быть уверенным, что экспансия кремниевой фотоники в потребительскую вычислительную технику не за горами. Начнётся всё с интерфейсов подключения периферии, а там, глядишь, и шины для мультиядерных решений подтянутся, превратив скучный кремний внутри наших процессоров в сверкающий всеми цветами спектра магический кристалл.