Integrering af optiske komponenter i eksisterende chipdesign

For to et halvt år siden, et team af forskere ledet af grupper på MIT, University of California i Berkeley, og Boston University annoncerede en milepæl:fremstilling af en fungerende mikroprocessor, bygget kun ved hjælp af eksisterende fremstillingsprocesser, der integrerede elektroniske og optiske komponenter på den samme chip.

Forskernes tilgang, imidlertid, krævede, at chipens elektriske komponenter bygges af det samme lag af silicium som dets optiske komponenter. Det betød at stole på en ældre chipteknologi, hvor siliciumlagene til elektronikken var tykke nok til optik.

I det seneste nummer af Natur , et team på 18 forskere, ledet af samme MIT, Berkeley, og BU -grupper, rapporterer et andet gennembrud:en teknik til at samle on-chip optik og elektronisk separat, som muliggør brugen af ​​mere moderne transistorteknologier. Igen, teknikken kræver kun eksisterende fremstillingsprocesser.

"Det mest lovende ved dette arbejde er, at du kan optimere din fotonik uafhængigt af din elektronik, "siger Amir Atabaki, en forsker ved MIT's Research Laboratory of Electronics og en af ​​tre første forfattere til det nye papir. "Vi har forskellige elektroniske siliciumteknologier, og hvis vi bare kan tilføje fotonik til dem, det ville være en stor kapacitet til fremtidig kommunikation og computerchips. For eksempel, nu kunne vi forestille os en mikroprocessorproducent eller en GPU -producent som Intel eller Nvidia, der sagde:'Det er meget rart. Vi kan nu have fotonisk input og output til vores mikroprocessor eller GPU. ' Og de behøver ikke at ændre meget i deres proces for at få præstationsfremgang af on-chip-optik. "

Let appel

At gå fra elektrisk kommunikation til optisk kommunikation er attraktivt for chipproducenter, fordi det kan øge chipsens hastighed betydeligt og reducere strømforbruget, en fordel, der vil vokse i betydning i takt med, at chips 'transistortal fortsætter med at stige:Semiconductor Industry Association har vurderet, at med de nuværende stigninger, computernes energibehov vil overstige verdens samlede effekt i 2040.

Integrationen af ​​optiske - eller "fotoniske" - og elektroniske komponenter på den samme chip reducerer strømforbruget yderligere. Optiske kommunikationsenheder er på markedet i dag, men de forbruger for meget strøm og genererer for meget varme til at blive integreret i en elektronisk chip såsom en mikroprocessor. En kommerciel modulator - enheden, der koder digital information til et lyssignal - forbruger mellem 10 og 100 gange så meget strøm som modulatorerne indbygget i forskernes nye chip.

Det fylder også 10 til 20 gange så meget chipplads. Det er fordi integrationen af ​​elektronik og fotonik på den samme chip gør Atabaki og hans kolleger i stand til at bruge et mere rumeffektivt modulatordesign, baseret på en fotonisk enhed kaldet en ringresonator.

"Vi har adgang til fotoniske arkitekturer, som du normalt ikke kan bruge uden integreret elektronik, "Atabaki forklarer." F.eks. i dag er der ingen kommerciel optisk transceiver, der bruger optiske resonatorer, fordi du har brug for betydelig elektronik evne til at styre og stabilisere den resonator. "

Atabakis med-førsteforfattere på Natur papir er Sajjad Moazeni, en ph.d. -studerende på Berkeley, og Fabio Pavanello, der var postdoc ved University of Colorado i Boulder, da arbejdet var udført. Seniorforfatterne er Rajeev Ram, professor i elektroteknik og datalogi ved MIT; Vladimir Stojanovic, en lektor i elektroteknik og datalogi i Berkeley; og Milos Popovic, en assisterende professor i el- og computerteknik ved Boston University. De får følgeskab af 12 andre forskere på MIT, Berkeley, Boston University, University of Colorado, State University of New York i Albany, og Ayar Labs, en integreret-fotonisk opstart, som Ram, Stojanovic, og Popovic hjalp med at finde.

Dimensionering af krystaller

Ud over millioner af transistorer til udførelse af beregninger, forskernes nye chip indeholder alle de komponenter, der er nødvendige for optisk kommunikation:modulatorer; bølgeledere, som styrer lyset over chippen; resonatorer, som adskiller forskellige lysbølgelængder, som hver kan bære forskellige data; og fotodetektorer, som oversætter indgående lyssignaler tilbage til elektriske signaler.

Silicium - som er grundlaget for de fleste moderne computerchips - skal fremstilles oven på et glaslag for at give nyttige optiske komponenter. Forskellen mellem siliciumets og glassets brydningsindeks - i hvilke grader materialerne bøjer lys - er det, der begrænser lyset til de optiske siliciumkomponenter.

Det tidligere arbejde med integreret fotonik, som også blev ledet af Ram, Stojanovic, og Popovic, involverede en proces kaldet wafer bonding, hvor en enkelt, stor krystal af silicium smeltes til et glaslag afsat oven på en separat chip. Det nye værk, ved at muliggøre direkte aflejring af silicium - med varierende tykkelse - oven på glas, må nøjes med såkaldt polysilicium, som består af mange små krystaller af silicium.

Single-crystal silicium er nyttig til både optik og elektronik, men i polysilicium, der er en afvejning mellem optisk og elektrisk effektivitet. Stort krystalpolysilicium er effektivt til at lede elektricitet, men de store krystaller har en tendens til at sprede lys, sænke den optiske effektivitet. Små krystal polysilicium spreder mindre, men det er ikke så god en dirigent.

Brug af produktionsfaciliteterne på SUNY-Albany's Colleges for Nanoscale Sciences and Engineering, forskerne prøvede en række opskrifter til polysiliciumaflejring, varierende typen af ​​brugt rå silicium, behandlingstemperaturer og -tider, indtil de fandt en, der tilbød en god afvejning mellem elektroniske og optiske egenskaber.

"Jeg tror, ​​vi må have gennemgået mere end 50 siliciumskiver, før vi fandt et materiale, der var helt rigtigt, "Siger Atabaki.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.