Hastighedsgrænsen for intra-chip kommunikation i fremtidens mikroprocessorer

Forskere ved Moskva Institut for Fysik og Teknologi foreslår en metode til præcist at forudsige niveauet af støj forårsaget af forstærkningen af ​​fotoniske og plasmoniske signaler i optoelektroniske kredsløb i nanoskala. I deres forskning offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt , forskerne beskriver en tilgang, der kan bruges til at evaluere de ultimative dataoverførselshastigheder i de nye optoelektroniske mikroprocessorer og opdage fundamentale begrænsninger på båndbredden af ​​nanofotoniske grænseflader.

Overfladeplasmonpolaritoner er kollektive elektronoscillationer på en metaloverflade koblet til et elektromagnetisk felt. En overfladeplasmon kan ses som et komprimeret lyskvantum, og det forklarer, hvorfor plasmoniske enheder er lovende til mange anvendelser:De er næsten lige så kompakte som nanoelektroniske komponenter, men samtidig, de muliggør dataoverførselshastigheder op til fire størrelsesordener højere end elektriske ledninger. At erstatte selv nogle af de elektriske forbindelser på en chip med plasmoniske (nanofotoniske) komponenter ville give et tiltrængt løft til mikroprocessorens ydeevne.

Den største hindring, som plasmonics i øjeblikket står over for, er signaldæmpning. På grund af store tab, overfladeplasmoner kan kun udbrede sig over lange afstande i såkaldte aktive plasmoniske bølgeledere. Sådanne bølgeledere leder ikke kun det plasmoniske signal fra senderen til modtageren, men forstærker det også ved hjælp af energien fra den elektriske strøm, der strømmer gennem enheden. Denne ekstra energi kompenserer for signaltab og tillader overfladeplasmoner at forplante sig frit langs bølgelederen, ligesom energien fra et batteri holder et kvarts-ur til at tikke.

Imidlertid, der er et grundlæggende problem forbundet med signalforstærkning og tabskompensation. Hver forstærker øger ikke bare amplituden af ​​input, men tilføjer også nogle uønskede tilfældige signaler. Fysikere omtaler disse signaler som støj. Ifølge termodynamikkens love, det er umuligt at fjerne al støj fra et system. Forvrængningen af ​​det originale signal er i høj grad bestemt af støj, som grundlæggende begrænser dataoverførselshastigheder og forårsager fejl i de modtagne bits, hvis information overføres med højere hastigheder. For at øge dataoverførselshastigheden, signal-til-støj-forholdet skal forbedres. Vigtigheden af ​​dette forhold er indlysende for enhver, der har haft oplevelsen af ​​at tale med nogen på en travl gade eller stille ind på en radiostation.

"Støj spiller en nøglerolle i næsten halvdelen af ​​alle enheder i vores hjem, fra mobiltelefoner og fjernsyn til de fiberoptiske kanaler, der er rygraden i højhastighedsinternet. Signalforstærkning reducerer uundgåeligt signal-til-støj-forholdet. Faktisk, jo mere forstærkning en forstærker giver, eller, i vores tilfælde, jo større signaltab er det nødvendigt for at kompensere, jo højere støjniveau det producerer. Dette problem er især udtalt i plasmoniske bølgeledere med forstærkning, " siger Dmitry Fedyanin.

En nylig undersøgelse af Fedyanin og Andrey Vyshnevyy offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt beskæftiger sig med en bestemt slags støj:den fotoniske støj, der produceres, når plasmoniske signaler forstærkes i halvlederenheder. Dens hovedårsag er den såkaldte spontane emission. Når et fotonisk signal forstærkes, styrken af ​​den optiske bølge øges på grund af overgange af elektroner fra højere til lavere energitilstande - forskellen i energi mellem de to energitilstande frigives som lyskvanter. Denne emission kan både stimuleres og spontant.

Mens den stimulerede emission forstærker signalet, den spontane emission producerer tilfældige kvanta af forskellige energier, dvs. støj med et bredt spektrum. Støj kan observeres som tilfældige udsving i signaleffekten som følge af interferens af signalets frekvenskomponenter og af den spontane emission (dette fænomen er kendt som "beat"). Enhver stigning i forstærkningen fra en forstærker øger støjniveauet og udvider emissionsspektrene, både stimuleret og spontant. Anvendeligheden af ​​de veletablerede tilgange til kvanteoptik, som er beregnet til at beskrive lysets interaktion med individuelle atomer, falder, efterhånden som spektrene i det undersøgte system bliver bredere. For at tackle tilfældet med højforstærkningsforstærkning på nanoskala, forskerne skulle som udgangspunkt starte arbejdet fra bunden.

"Vi var nødt til at bygge bro mellem tre forskellige områder i fysik, der sjældent krydser hinanden:kvanteoptik, halvlederfysik og optoelektronik. Vi har udviklet en teoretisk ramme, der kan beskrive fotonisk støj i strukturer, der inkorporerer aktive medier med et bredt forstærkningsspektrum. Selvom denne tilgang oprindeligt blev udtænkt til plasmoniske bølgeledere med forstærkning, den kan anvendes uden ændringer på alle optiske forstærkere og lignende systemer, " siger Fedyanin.

Støj forårsager fejl under transmission, hvilket reducerer den effektive dataoverførselshastighed betragteligt på grund af behovet for at implementere fejlkorrektionsalgoritmer. Hvad angår hardware, fejlkontrol kræver også yderligere on-chip komponenter, der realiserer korrektion, gør nye enheder sværere at designe og fremstille.

"Hvis vi kender støjstyrken i en nanofotonisk kommunikationskanal, såvel som dets spektrale karakteristika, det er muligt at evaluere den maksimale dataoverførselshastighed langs den kanal. Desuden, vi kan identificere måder til at reducere mængden af ​​støj ved at vælge visse regimer for enhedens drift og bruge optiske og elektriske filtreringsteknikker, " tilføjer Vyshnevyy.

Den foreslåede teori foreslår en ny klasse af enheder, der kombinerer fordelene ved elektronik og fotonik på samme chip. I en chip af den slags, plasmoniske komponenter ville blive brugt til ultrahurtig kommunikation mellem processorkerner og registre. Selvom signaldæmpning tidligere blev betragtet som den foreslåede chips største ulempe, den nylige undersøgelse af russiske forskere viser, at så snart signaltabet er blevet kompenseret, en teknik er nødvendig for at håndtere spørgsmålet om støj. Ellers, signalet kan simpelthen blive overdøvet af spontan emissionsstøj, gør chippen praktisk talt ubrugelig.

Beregningerne udført af forskerne viser, at en aktiv plasmonisk bølgeleder med et tværsnit på kun 200 × 200 nanometer kunne bruges til at transmittere signaler over en afstand på fem millimeter. Det virker måske ikke af meget i forhold til de afstande, vi beskæftiger os med i hverdagen, men dette tal er faktisk ret typisk for moderne mikroprocessorer. Hvad angår dataoverførselshastighederne, de ville overstige 10 Gbit/s pr. spektralkanal, dvs. en datakommunikationskanal, der bruger en bestemt bølgelængde af lys. For ikke at nævne, at en enkelt bølgeleder på nanoskala kan bruges samtidigt af flere dusin af disse spektralkanaler, hvis bølgelængdedelingsmultiplekseringsteknologien (WDM) anvendes, som er en standard i alle optiske kommunikationslinjer inklusive bredbåndsinternet. For at sætte det i perspektiv, den maksimale dataoverførselshastighed gennem en elektrisk sammenkobling (en kobberleder) af lignende dimensioner er kun 20 Mbit/s, hvilket er mindst 500 gange langsommere!

Forskerne fandt ud af, hvordan støjstyrken og støjegenskaberne afhænger af parametrene for plasmoniske bølgeledere med forstærkning og viste, hvordan støjniveauet kan reduceres for at sikre den maksimale båndbredde af den nanofotoniske grænseflade. De beviste, at det er muligt at kombinere en miniaturestørrelse og et lavt fejlantal med en høj dataoverførselshastighed og en relativt høj energieffektivitet i en enkelt enhed, varsler et "plasmonisk gennembrud" inden for mikroelektronik, der kan komme i løbet af de næste 10 år.