Ученые корпорации сообщили о важном шаге в направлении замены электрических сигналов, связывающих между собой электронные микросхемы через медные провода, миниатюрными кремниевыми каналами связи, передающими информацию в форме световых импульсов. Как сообщается в недавнем выпуске научного журнала Nature, ученым удалось достичь значительного прогресса в изменении способа, посредством которого компьютерные чипы обмениваются друг с другом данными.
Устройство, получившее название <нанофотонный лавинный фотодиод> (nanophotonic avalanche photodetector), является самым быстродействующим в своем роде; оно способно привести к настоящему технологическому прорыву в области энергетически эффективных вычислений, что может оказать значительное влияние на будущее электроники.
Устройство IBM использует эффект <лавинного умножения> (т.н. лавина Таунсенда), свойственный германию, полупроводниковому материалу, который в настоящее время широко применяется в производстве микропроцессорных кристаллов. Этот эффект действует подобно снежной лавине на крутом горном склоне - входной световой импульс в первый момент освобождает лишь малое число носителей электрического заряда, которые, в свою очередь, освобождают других; таким образом, исходный сигнал многократно усиливается. Обычные лавинные фотодиоды, однако, не могут детектировать быстрые оптические сигналы, поскольку лавина формируется относительно медленно.
<Это изобретение делает концепцию оптических межсоединений в кристалле намного ближе к практической реальности, - подчеркнул доктор Т.Ч. Чен (T.C. Chen), вице-президент подразделения IBM Research по науке и технологиям. - С оптическими линиями связи, встроенными в процессорные чипы, создание энергетически эффективных компьютерных систем с производительностью эксафлопного (exaflop) уровня будет не слишком отдаленной перспективой>.
Продемонстрированный IBM лавинный фотодиод является самым быстрым в своем роде устройством. Он способен получать информационные сигналы со скоростью 40 Гбит/с (40 млрд. бит в секунду) и одновременно десятикратно их усиливать. Более того, устройство работает при напряжении питания всего 1,5 В, что в 20 раз меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее. Таким образом, множество этих миниатюрных коммуникационных устройств потенциально смогут питаться от маленькой батарейки типоразмера AA, тогда как для питания обычных лавинных фотодиодов требуется напряжение 20-30 В.
<Это впечатляющее улучшение в производительности является результатом умелого манипулирования оптическими и электрическими свойствами на уровне всего нескольких десятков атомов, чтобы позволило достичь показателей производительности, значительно выходящих за традиционные рамки, - отметил доктор Соломон Ассефа (Solomon Assefa), основной автор статьи. - Эти крошечные устройства способны улавливать очень слабые импульсы света и многократно усиливать их, обеспечивая беспрецедентную пропускную способность каналов обмена данными при минимальных паразитных шумах>.
В устройстве IBM эффект лавинного умножения реализован на уровне всего нескольких десятков нанометров (<одних-тысячных> миллиметра), и протекает он очень быстро. Кроме того, благодаря столь миниатюрным размерам, шумы, порождаемые усилением оптического сигнала, подавляются на 50-70% по сравнению с обычными лавинными фотодиодами. Устройство IBM создано из кремния и германия - полупроводниковых материалов, широко применяемых в производстве микропроцессорных чипов. Более того, устройство IBM создано с помощью стандартных процессов, используемых в полупроводниковой промышленности при изготовлении микросхем. Таким образом, <бок о бок> с кремниевыми транзисторами можно производить тысячи элементов, подобных продемонстрированному устройству IBM, для построения внутрипроцессорных оптических каналов обмена данными с высокой пропускной способностью.
Достижение в области лавинных фотодиодов - последнее по времени в ряду предыдущих анонсов исследовательской организации IBM Research - является также последним <кусочком пазла>, завершающим картину разработки <нанофотонного инструментария>, необходимого для создания межсоединений в кристалле чипа.
В декабре 2006 года ученые IBM продемонстрировали нанофотонную кремниевую линию задержки, которая была применена для буферизации более байта данных, закодированных в виде оптических импульсов - обязательное условие создания буферных областей памяти для встроенных в микросхему оптических каналов обмена данными.
В декабре 2007 года ученые IBM объявили о разработке сверхкомпактного электрооптического модулятора, преобразующего электрические сигналы в импульсы света, что стало предпосылкой, определившей потенциальную возможность создания внутрипроцессорных оптических коммуникационных каналов.
В марте 2008 года ученые IBM анонсировали изобретение самого миниатюрного в мире нанофотонного коммутатора для <управления трафиком> обмена данными по внутренним оптическим коммуникационным каналам микросхемы, подтвердив, тем самым, что <оптические сообщения> можно эффективно маршрутизировать.
Отчет о нынешнем достижении ученых IBM, озаглавленный "Reinventing Germanium Avalanche Photodetector for Nanophotonic On-chip Optical Interconnects" (<Новое изобретение германиевого лавинного фотодиода для применения в качестве нанофотонных межэлементных соединений микросхемы>) - который подготовлен Соломоном Ассефа (Solomon Assefa), Фэннянь Ся (Fengnian Xia) и Юрием Власовым (Yurii Vlasov) из исследовательского центра IBM им. Т. Дж. Уотсона (IBM TJ Watson Research Center (Йорктаун Хейтс, штат Нью-Йорк) - опубликован в мартовском номере научного журнала Nature за этот год.
IBM имеет многолетнюю историю новаторских исследований и уникальных разработок в области полупроводниковых технологий, которые помогают улучшать производительность при одновременном уменьшении габаритов и сокращении потребления электроэнергии. Среди этих достижений: разработка первого мире микропроцессора с медными проводниками внутренних межсоединений; разработка технологии <кремний на диэлектрике> (silicon-on-insulator, SOI), которая позволяет снизить энергопотребление и увеличить производительность, обеспечивая электрическую изоляцию миллионов транзисторов в чипе; и разработка технологии <напряженного кремния> ("strained silicon"), позволяющей снизить электрическое сопротивление в кремнии и ускорить поток электронов через транзисторы.
Дополнительную информацию можно найти на Web-сайте IBM по адресу http://www.research.ibm.com/photonics.
