Forskere belyser vejen til en ny æra inden for mikroelektronik

En ny mikrochipteknologi, der er i stand til optisk at overføre data, kunne løse en alvorlig flaskehals i nuværende enheder ved at fremskynde dataoverførsel og reducere energiforbruget i størrelsesordener, ifølge en artikel offentliggjort den 19. april, 2018 udgave af Natur .

Forskere fra Boston University, Massachusetts Tekniske Institut, University of California Berkeley og University of Colorado Boulder har udviklet en metode til at fremstille siliciumchips, der kan kommunikere med lys og ikke er dyrere end den nuværende chipteknologi. Resultatet er kulminationen på et flere år langt projekt finansieret af Defense Advanced Research Project Agency, der var et tæt samarbejde mellem teams ledet af lektor Vladimir Stojanovic fra UC Berkeley, Professor Rajeev Ram fra MIT, og adjunkt Milos Popovic fra Boston University og tidligere CU Boulder. De samarbejdede med et halvlederfremstillingsforskningsteam ved Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) ved State University of New York i Albany.

Den flaskehals for elektrisk signal mellem nuværende mikroelektroniske chips har efterladt let kommunikation som en af ​​de eneste muligheder, der er tilbage til yderligere teknologiske fremskridt. Den traditionelle metode til dataoverførsel-elektriske ledninger-har en grænse for, hvor hurtigt og hvor langt det kan overføre data. Det bruger også meget strøm og genererer varme. Med den ubarmhjertige efterspørgsel efter højere ydelse og lavere effekt inden for elektronik, disse grænser er nået. Men med denne nye udvikling, at flaskehalsen kan løses.

"I stedet for en enkelt ledning, der bærer 10 til 100 gigabit i sekundet, du kan have en enkelt optisk fiber med 10 til 20 terabit i sekundet - altså omkring tusind gange mere i det samme fodaftryk, "siger Popovic.

"Hvis du udskifter en ledning med en optisk fiber, der er to måder, du vinder på, "siger han." Først, med lys, du kan sende data på meget højere frekvenser uden væsentligt energitab, som der er med kobberledninger. Sekund, med optik, du kan bruge mange forskellige lysfarver i en fiber, og hver kan bære en datakanal. Fibrene kan også pakkes tættere sammen end kobbertråde kan uden krydstale. "

I fortiden, fremskridt med at integrere en fotonisk kapacitet på state-of-the-art chips, der bruges i computere og smartphones, blev hindret af en fremstillingsvejspærring. Moderne processorer aktiveres af højt udviklede industrielle halvlederfremstillingsprocesser, der er i stand til at stemple en milliard transistorer, der arbejder sammen på en chip. Men disse fremstillingsprocesser er finjusteret, og det har været svært at designe en tilgang til at inkludere optiske enheder på chips, samtidig med at de nuværende elektriske evner beholdes intakte.

Den første store succes med at overvinde denne vejspærring var i 2015, da den samme gruppe forskere offentliggjorde et andet papir i Natur der løste dette problem, men gjorde det i et begrænset kommercielt relevant miljø. Papiret demonstrerede verdens første mikroprocessor med en fotonisk dataoverførselsevne og tilgang til fremstilling af den uden at ændre den oprindelige fremstillingsproces-et koncept, forskerne har betegnet en nul-ændringsteknologi. Ayar Labs, Inc., en opstart, som Ram, Popovic og Stojanovic var med til at stifte, har for nylig indgået et partnerskab med den store halvlederindustriproducent GlobalFoundries for at kommercialisere denne teknologi.

Imidlertid, denne tidligere tilgang var gældende for en lille brøkdel af state-of-the-art mikroelektroniske chips, der ikke omfattede den mest udbredte slags, som anvender et udgangsmateriale, der kaldes bulk silicium.

I det nye papir, forskerne præsenterer en fremstillingsløsning, der kan anvendes på selv de mest kommercielt udbredte chips baseret på bulk silicium, ved at indføre et sæt nye materialelag i den fotoniske behandlingsdel af siliciumchippen. De demonstrerer, at denne ændring tillader optisk kommunikation uden negativ indvirkning på elektronik. Ved at arbejde med state-of-the-art halvlederfremstillingsforskere på CNSE Albany for at udvikle denne løsning, forskerne sikrede, at enhver proces, der blev udviklet, problemfrit kunne indsættes i den nuværende industrielle fremstilling.

"Ved omhyggeligt at undersøge og optimere egenskaberne af de ekstra materialelag til fotoniske enheder, det lykkedes os at demonstrere state-of-the-art ydeevne på systemniveau med hensyn til båndbredde tæthed og energiforbrug, mens vi startede fra en meget billigere proces sammenlignet med konkurrerende teknologier, "siger Fabio Pavanello, en tidligere postdoktor fra Popovics forskningsgruppe, der er co-førsteforfatter til avisen med både Amir Atabaki, forsker ved MIT, og Sajjad Moazeni, en kandidatstuderende ved UC Berkeley. "Det tog et stort samarbejde over flere år mellem vores tre grupper på tværs af forskellige discipliner at opnå dette resultat, "tilføjer Atabaki.

Den nye platform, som bringer fotonik til state-of-the-art bulk silicium mikroelektroniske chips, lover hurtigere og mere energieffektiv kommunikation, der i høj grad kan forbedre computing og mobile enheder. Ansøgninger ud over traditionel datakommunikation omfatter fremskyndelse af uddannelse af dybt indlærte kunstige neurale netværk, der bruges til billed- og talegenkendelsesopgaver, og billige infrarøde LIDAR-sensorer til selvkørende biler, smartphone -ansigtsidentifikation og augmented reality -teknologi. Ud over, optisk aktiverede mikrochips kunne muliggøre nye former for datasikkerhed og hardware -godkendelse, mere kraftfulde chips til mobile enheder, der opererer på 5. generations (5G) trådløse netværk, og komponenter til kvanteinformationsbehandling og computing.

"For de mest avancerede nuværende state-of-the-art og fremtidige halvlederproduktionsteknologier med elektroniske transistordimensioner under 20 nm, der er ingen anden måde at integrere fotonik end denne tilgang. ", sluttede Vladimir Stojanovic, hvis team ledede noget af arbejdet, "Alle materialelag, der bruges til at danne transistorer, bliver for tynde til at understøtte fotonik, så de ekstra lag er nødvendige. "