Næste generations datacentre inden for rækkevidde takket være nye energieffektive switches

Datacentre – dedikerede rum til lagring, behandling og formidling af data – muliggør alt fra cloud computing til videostreaming. I processen bruger de en stor mængde energi på at overføre data frem og tilbage inde i centret. Da efterspørgslen efter data vokser eksponentielt, er der et stigende pres for at datacentre skal blive mere energieffektive.

Datacentre huser servere, højtydende computere, der taler med hinanden gennem sammenkoblinger, som er fysiske forbindelser, der giver mulighed for udveksling af data. En måde at reducere energiforbruget i datacentre på er at bruge lys til at kommunikere information med elektrisk styrede optiske kontakter, der styrer strømningen af ​​lys, og dermed information, mellem servere. Disse optiske switches skal være multifunktionelle og energieffektive for at understøtte den fortsatte udvidelse af datacentre.

I et papir offentliggjort online 4. juli i Nature Nanotechnology , rapporterede et hold ledet af videnskabsmænd fra University of Washington designet af en energieffektiv, siliciumbaseret ikke-flygtig kontakt, der manipulerer lys ved brug af et faseskiftende materiale og grafenvarmer.

"Denne platform skubber virkelig grænserne for energieffektivitet," sagde medkorresponderende forfatter Arka Majumdar, en UW lektor i fysik og i elektro- og computerteknik, såvel som et fakultetsmedlem ved UW Institute for Nano-Engineered Systems og Institut for Molekylær &Ingeniørvidenskab. "Sammenlignet med det, der i øjeblikket bruges i datacentre til at styre fotoniske kredsløb, vil denne teknologi reducere datacentres energibehov i høj grad og gøre dem mere bæredygtige og miljøvenlige."

Silicium fotoniske switche er meget udbredt, til dels fordi de kan fremstilles ved hjælp af veletablerede halvlederfremstillingsteknikker. Traditionelt er disse afbrydere blevet indstillet gennem termisk effekt, en proces, hvor varme påføres - ofte ved at lede en strøm gennem et metal eller halvleder - for at ændre de optiske egenskaber af et materiale i kontakten og dermed ændre lysets vej. Imidlertid er denne proces ikke kun energieffektiv, men de ændringer, den inducerer, er ikke permanente. Så snart strømmen er fjernet, vender materialet tilbage til sin tidligere tilstand, og forbindelsen – og informationsstrømmen – afbrydes.

For at løse dette, skabte holdet, som omfatter forskere fra Stanford University, Charles Stark Draper Laboratory, University of Maryland og Massachusetts Institute of Technology, en "sæt og glem"-switch, der er i stand til at opretholde forbindelsen uden yderligere energi. De brugte et faseskiftende materiale, der er ikke-flygtigt, hvilket betyder, at materialet omdannes ved kortvarigt at opvarme det, og det forbliver i den tilstand, indtil det modtager en anden varmepuls, hvorefter det vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Dette eliminerer behovet for konstant at tilføre energi for at opretholde den ønskede tilstand.

Tidligere har forskere brugt dopet silicium til at opvarme faseskiftematerialet. Silicium alene leder ikke elektricitet, men når det er selektivt doteret med forskellige elementer som fosfor eller bor, er silicium i stand til både at lede elektricitet og udbrede lys uden overdreven absorption. Når en strøm pumpes gennem det dopede silicium, kan det fungere som et varmelegeme for at skifte tilstanden af ​​faseskiftematerialet oven på det. Fangsten er, at dette heller ikke er en særlig energieffektiv proces. Mængden af ​​energi, der er nødvendig for at skifte faseskiftematerialet, svarer til mængden af ​​energi, der bruges af traditionelle termoptiske kontakter. Dette skyldes, at hele det 220 nanometer (nm) tykke doterede siliciumlag skal opvarmes for kun at transformere 10 nm faseskiftemateriale. Der spildes meget energi ved at opvarme en så stor mængde silicium for at skifte en meget mindre mængde faseskiftemateriale.

"Vi indså, at vi var nødt til at finde ud af, hvordan vi kunne reducere den volumen, der skulle opvarmes for at øge effektiviteten af ​​kontakterne," sagde hoved- og medkorrespondrende forfatter Zhuoran (Roger) Fang, en UW-doktorand i el og computer. ingeniør.

En fremgangsmåde ville være at lave en tyndere siliciumfilm, men silicium forplanter sig ikke godt lys, hvis det er tyndere end 200 nm. Så i stedet brugte de et udopet 220 nm siliciumlag til at udbrede lys og introducerede et lag af grafen mellem silicium og faseskiftemateriale for at lede elektricitet. Ligesom metal er grafen en fremragende leder af elektricitet, men i modsætning til metal er det atomisk tyndt - det består kun af et enkelt lag kulstofatomer arrangeret i et todimensionelt bikagegitter. Dette design eliminerer spildt energi ved at dirigere al varme genereret af grafenet til at ændre faseændringsmaterialet. Faktisk er koblingsenergitætheden for denne opsætning, som beregnes ved at tage koblingsenergien divideret med volumenet af materialet, der skiftes, kun 8,7 attojoule (aJ)/nm ³ , en reduktion på 70 gange sammenlignet med de meget anvendte doterede siliciumvarmere, den nuværende state-of-the-art. Dette er også inden for en størrelsesorden af ​​den fundamentale grænse for koblingsenergitæthed (1,2 aJ/nm ³ ).

Selvom brug af grafen til at lede elektricitet inducerer nogle optiske tab, hvilket betyder, at noget lys absorberes, er grafen så tyndt, at ikke kun tabene er minimale, men faseændringsmaterialet kan stadig interagere med lyset, der forplanter sig i siliciumlaget. Holdet konstaterede, at en grafen-baseret varmelegeme pålideligt kan skifte tilstanden af ​​faseskiftematerialet mere end 1.000 cyklusser. Dette er en bemærkelsesværdig forbedring i forhold til de dopede siliciumvarmere, som kun har vist sig at have en udholdenhed på omkring 500 cyklusser.

"Selv 1.000 er ikke nok," sagde Majumdar. "Praktisk set har vi brug for omkring en milliard cyklussers udholdenhed, som vi i øjeblikket arbejder på."

Nu hvor de har demonstreret, at lys kan styres ved hjælp af et faseændringsmateriale og grafenvarmer, planlægger holdet at vise, at disse switches kan bruges til optisk routing af information gennem et netværk af enheder, et vigtigt skridt i retning af at etablere deres brug i datacentre. De er også interesserede i at anvende denne teknologi på siliciumnitrid til at dirigere enkeltfotoner til kvanteberegning.

"Evnen til at være i stand til at tune de optiske egenskaber af et materiale med blot en atomisk tynd varmelegeme er en game-changer," sagde Majumdar. "Den exceptionelle ydeevne af vores system med hensyn til energieffektivitet og pålidelighed er virkelig uhørt og kan hjælpe med at fremme både informationsteknologi og kvantecomputere."

Yderligere medforfattere omfatter UW elektro- og computeringeniørstuderende Rui Chen, Jiajiu Zheng og Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen og Eric Pop fra Stanford University; Sarah Geiger, Dennis Callahan og Michael Moebius fra Charles Stark Draper Laboratory; Carlos Rios fra University of Maryland; og Juejun Hu fra Massachusetts Institute of Technology. + Udforsk yderligere

Forskere rykker tættere på at kontrollere todimensionel grafen