divendres, 11 de maig de 2018

La integració de components òptics en dissenys de xips ja existents

Fa uns dos anys i mig, un equip d'investigadors liderats per grups del Massachusetts Institute of Technology (MIT), la Universitat de Califòrnia a Berkeley i la Universitat de Boston van anunciar una fita: la fabricació d'un microprocessador construït utilitzant únicament processos de fabricació existents, que integraven components i sistemes electrònics i òptics en el mateix xip.

Integració de components òptics en dissenys de xips existents

Tanmateix, l'enfocament dels investigadors requeria que els components elèctrics del xip fossin construïts a partir de la mateixa capa de silici que els seus components òptics. Això significava dependre d'una tecnologia de xip antiga en què les capes de silici per a l'electrònica eren prou gruixudes per a l'òptica.

Integració de components òptics en dissenys de xips existents

El més prometedor d'aquest treball és que es pot optimitzar la fotònica independentment de l'electrònica. Es tenen diferents tecnologies electròniques de silici de manera que si només es poguéssin afegir tecnologies fotòniques, s'obtindria una gran capacitat per a futurs fitxers de comunicacions i informàtica. Per exemple, imaginem un fabricant de microprocessadors o un fabricant de GPU com Intel o Nvidia dient: "Això és molt bo. Ara podem tenir entrada i sortida fotònica per al nostre microprocessador o GPU". I no han de canviar gaires coses en el procés per aconseguir l'augment de rendiment de l'òptica en xip".

Llum atractiva
Desplaçar-se de la comunicació elèctrica a la comunicació òptica és atractiu per als fabricants de xips, ja que es podria augmentar significativament la velocitat d'aquests i reduir el consum d'energia, un avantatge que creixerà en importància, ja que el recompte de transistors dels xips continua augmentant: l'Associació de la Indústria Semiconductora ha estimat que a amb l'actual augment de les taxes, els requisits energètics dels ordinadors superaran la producció total de potència del món cap al 2040.

Integració de components òptics en dissenys de xips existents

La integració de components òptics o "fotònics" i electrònics al mateix xip redueix encara més el consum d'energia. Avui en dia, els dispositius de comunicacions òptiques es troben al mercat, però consumeixen massa energia i generen massa calor per integrar-se en un xip electrònic com un microprocessador. Un modulador comercial: el dispositiu que codifica la informació digital en un senyal de llum, consumeix entre 10 i 100 vegades més energia que els moduladors incorporats al nou xip dels investigadors.

Integració de components òptics en dissenys de xips existents

També ocupa entre 10 i 20 vegades més espai de xips. Això és degut a que la integració d'electrònica i fotònica en el mateix xip permet utilitzar un disseny de modulador més eficient en l'espai, basat en un dispositiu fotònic anomenat ressonador d'anells.
Tenir accés a arquitectures fotòniques que normalment no es poden utilitzar sense l'electrònica integrada es molt important ja que, per exemple, avui no hi ha un transceptor òptic comercial que utilitzi ressonadors òptics, ja que necessita una capacitat electrònica considerable per controlar i estabilitzar aquest ressonador.

Dimensió de cristalls
A més de milions de transistors per executar càlculs, el nou xip dels investigadors inclou tots els components necessaris per a la comunicació òptica: els moduladors; guies d'ona, que encenen el xip; ressonadors, que separen diferents longituds d'ona de la llum, cadascuna de les quals pot portar dades diferents; i fotodetectors, que tradueixen els senyals de llum entrant de nou en senyals elèctrics.

Integració de components òptics en dissenys de xips existents

El silici, que és la base de la majoria dels xips d'ordinador moderns, s'ha de fabricar a la part superior d'una capa de vidre per proporcionar components òptics útils. La diferència entre els índexs de refracció del silici i el vidre (els graus als quals els materials es dobleguen) és el que limita la llum als components òptics de silici.
Els treballs anteriors sobre fotònica integrada, que també van ser liderats els investigadors: Ram, Stojanovic i Popovic, van implicar un procés anomenat enllaç d'oblees (formes d'hòstia), on un cristall de silici únic i gran es fusionava amb una capa de vidre dipositada a sobre d'un xip separat. El nou treball, en permetre la deposició directa de silicona (amb un gruix variable) a la part superior del vidre, ha de fer-se amb l'anomenat polisilici, que consta de molts petits cristalls de silici.

Integració de components òptics en dissenys de xips existents

El silici monocristall és útil tant per a l'òptica com per a l'electrònica, però en polisilicona, hi ha una compensació entre l'eficiència òptica i l'elèctrica. El polisilici de gran cristall és eficient per a la realització d'electricitat, però els grans cristalls solen dispersar la llum, reduint l'eficiència òptica. El polysilicon de vidre petit es dispersa amb menys llum, però no és un conductor tan bo.
Mitjançant les instal·lacions de fabricació dels col·legis SUNY-Albany per a ciències de nanoescala i enginyeria, els investigadors van provar una sèrie de receptes per a la deposició de polisilicis, variant el tipus de silici brut utilitzat, la temperatura de processament i els temps fins que van trobar un que oferia un bon intercanvi entre propietats electròniques i òptiques.

Font: Massachusetts Institute of Technology

Cap comentari:

Publica un comentari a l'entrada

Aquest és un blog amb moderador dels comentaris. Per tant, no apareixen immediatament