Первые прототипы 32-нм оптоэлектронных чипов

Компьютерные чипы, в которых для передачи данных используется свет вместо электронов, потребляют намного меньше энергии и обладают другими преимуществами, но пока они остаются лишь опытными лабораторными образцами. Профессоры Владимир Стоянович (Vladimir Stojanović) и Раджив Рем (Rajeev Ram) из Исследовательской лаборатории электроники и Лаборатории технологий микросистем при Массачусетском технологическом институте (MIT) надеются достигнуть большего прогресса путём создания оптического чипа, который может изготавливаться с применением обычного технологического полупроводникового процесса.

Получив доступ к тем же производственным линиям, на которых Texas Instruments "собирает" микропроцессоры для мобильных телефонов, исследователи продемонстрировали возможность размещения большого количества работоспособных оптических и электронных компонентов на одной подложке. Однако пока прямой связи между ними нет. Стоянович планирует решить задачу с выпуском новых образов чипов на мощностях TI и других производителей полупроводников предстоящей зимой.

Передача данных через оптический канал может решить проблему ограниченности производительности внутренних шин, которая вскоре явно даст о себе знать в области разработки чипов. Вместе с ростом вычислительной мощности нужны и более высокоскоростные соединения для связи с памятью, иначе дополнительные мега- и гигагерцы могут оказаться лишними. Однако передача большего объёма данных по электрическим соединениям означает увеличение потребляемой мощности. Техпроцессы становятся более прецизионными, транзисторы – компактными и эффективными, поэтому со временем общее энергопотребление меняется незначительно. Но по словам исследователя из Национальной лаборатории компании Sandia (Sandia National Laboratories) Майкла Уаттса (Michael Watts), та часть энергии, которая уходит на соединения, растёт: "В некоторый момент вся мощность должна будет отдаваться соединениям, и он не так уж далеко. Что в таком случае останется для вычислений? Ничего". Будущие чипы могут просто потреблять больше энергии, но тогда и охлаждение станет сложной задачей, а время автономной работы батарей портативных устройств сократится.

Исходя из этого, чипмейкеры не прочь перейти на более энергоэффективные системы передачи данных, если только это будет экономически оправдано. Поэтому демонстрация совместимости с ныне используемыми производственными процессами должна быть убедительна. Обычно они подразумевают последовательное размещение слоёв различных материалов – кремния, оксида кремния, меди – на кремниевой подложке и химическое удаление определённых участков для создания итоговых трёхмерных структур. Проблема в том, что слои материалов тоньше, чем оптимальный уровень для оптических компонентов. Как объясняет Стоянович, нормальный фотонный элемент схемы "должен быть выше и тоньше, чтобы минимизировать поверхностные потери". А поскольку толщина задана производственными стандартами, появляется препятствие.

В оптических чипах используются волноводы для передачи света, и часто исследователи пытаются совместить фотонные компоненты с кремниевым чипом путём "вырезания" волноводов из единого кристалла кремния. Но такое решение требует применение изолирующих слоёв над и под монокристаллом, что невозможно сделать на линиях TI и Intel. Тем не менее, есть способ размещения диэлектриков сверху с снизу слоёв поликристаллического кремния, обычно используемого в затворах транзисторов. В этом и увидели выход учёные из MIT. На данный момент были изготовлены две серии прототипов фотонных чипов: одна с применением 65-нм технологии, другая – 32-нм. Чтобы избежать утечки света из поликристаллических волноводов, под ними было сформировано пустое пространство – единственный шаг, неосуществимый (пока) TI. Модификация промышленного техпроцесса не должна стать большой сложностью, отмечает Уаттс.

В разработке исследователей световое излучение обеспечивает лазер, находящийся вне чипа. В дополнение к направлению луча к нужным точкам чип также должен уметь загружать информацию и отдавать её. Обе операции выполняются с помощью кольцевых резонаторов – крошечных колец из кремния, выводящих свет определённой частоты из волноводов. Быстрое включение и отключение резонаторов приводит к появлению и исчезновению светового сигнала, и соответствующие вспышки с промежутками между ними означают единицы и нули. Потребности в пропускной способности соединений чипов следующего поколения диктуют необходимость в волноводах с поддержкой 128 световых потоков с разными длинами волн, несущих собственные данные. Соответственно, кольцевые резонаторы должны обеспечить пул фильтров, чтобы развязать входящие сигналы. В прототипах чипов, утверждает Стоянович, быстродействие фильтров поразительна, но текущие производственные процессы не могут гарантировать точность размеров колец, от которых зависит пропускаемая длина волны.

Учёные надеются, что следующее поколение прототипов, где электронные компоненты будут управлять оптическими, продемонстрирует также более совершенное действие резонаторов при кодировании данных в лучах. В то же время, исследователи ищут способ переноса своих разработок на чипы памяти. По словам Стояновича, этот сегмент полупроводниковой продукции сложно покорить, поскольку данный бизнес сильно зависим от цен и на счету каждая производственная операция. Оптические решения должны быть абсолютно совместимы с производственными технологиями. Но если память и процессоры будут работать с передачей данных по оптическим каналам, то в добавок к экономии энергии производительность компьютеров существенно вырастет. Стоянович говорит о четырёхкратном выигрыше только в случае CPU, а переход всех соединений на фотонные даст 10- и 20-кратное преимущество.