Laserowa pogawędka CPU

Optoelektronika i fotonika już wkrótce będą wpływały na rozwój przemysłu komputerowego. Pierwszy krok w kierunku integracji obu dziedzin uczynił Intel, pokazując na ostatnim IDF-ie pierwszy krzemowy laser o działaniu ciągłym, wykonany w technologii CMOS

Do niedawna skonstruowanie w komputerze wewnętrznej magistrali danych wykorzystującej podzespoły optyczne było bardzo kosztowne i kłopotliwe. W tym celu stosowano dodatkowe fotodiody i fotodetektory oraz zwoje szklanego światłowodu lub płytki ze specjalnie zaprojektowanym kwarcowym światłowodem planarnym (umieszczonym na płaskiej powierzchni). Inżynierowie i naukowcy borykali się bowiem z olbrzymimi trudnościami związanymi z bezpośrednią (na jednej płytce krzemowej) integracją elementów optoelektronicznych w strukturach układów elektronicznych. Sukces takiego zespolenia nie tylko zmniejszyłby koszty produkcji kości fotoelektronicznych, ale przede wszystkim przyspieszyłby transmisje i przekształcanie sygnałów elektrycznych na optyczne i odwrotnie. Innymi słowy, piętą achillesową w produkcji układów fotoelektronicznych są problemy z dopasowaniem technologii optycznych do elektronicznych.

Możliwość wykorzystania optycznej transmisji danych wewnątrz układów i do łączenia podzespołów elektronicznych była jednak na tyle obiecująca i perspektywiczna, że od lat 70. ubiegłego wieku w wielu laboratoriach na całym świecie prowadzi się badania nad tym, jak zintegrować układy elektroniczne, optyczne i światłowody w jednym kawałku krzemu. Oczywiście najlepiej wykorzystać do tego celu standardowe technologie stosowane w produkcji półprzewodników, takie jak np. CMOS (Complementary Metal Oxide Silicon). Na drodze do sukcesu stały jednak zjawiska fizyczne, a przede wszystkim tłumienie wiązki laserowej w krzemie, spowodowane absorpcją dwufotonową – patrz: ramka „Tajemnice efektu Ramana”. Efekt ten udało się zneutralizować dopiero w tym roku. Tego przełomowego odkrycia dokonali inżynierowie z firmy Intel, a rezultaty ich prac zaprezentowane zostały na tegorocznej, odbywającej się w San Francisco konferencji IDF (Intel Developer Forum) i opublikowane w lutowym numerze prestiżowego magazynu naukowego „Nature”.

Sposób na swobodne elektrony

Największą wadą laserów oraz wzmacniaczy światłowodowych wykonanych bezpośrednio w krzemowej płytce było to, że wraz ze wzrostem mocy światła wprowadzonego do krzemu zwiększał się współczynnik jego tłumienia. Wiązka niosąca informacje, zamiast zostać wzmocniona, co jest niezbędne do przesyłu informacji, ulegała osłabieniu. Winę za to ponosiły swobodne elektrony, które wybijane były ze struktury krzemowej przez rosnącą przy wzmacnianiu sygnału optycznego liczbę fotonów. Najprostszym sposobem na pozbycie się efektu tłumienia wiązki laserowej jest zatem odprowadzenie ze struktury krzemowej nadmiaru swobodnych elektronów.

Do tego celu inżynierowie z Intela wykorzystali najprostszą z możliwych metod. Posłużyli się zwykłą diodą p-n, a w zasadzie złączem typu pin: półprzewodnik typu p – półprzewodnik wewnętrzny niedomieszkowany (ang. Intrinsic) – półprzewodnik typu n. Złącze to zostało umieszczone wzdłuż całej drogi wzmacniania fali światła. Dioda PIN po przyłożeniu do niej napięcia „wysysa” swobodne elektrony z obszaru światłowodu. Co więcej, włączając i wyłączając napięcie sterujące, bez problemu można modulować (zwiększając oraz zmniejszając tłumienie wiązki) falę światła i jednocześnie wprowadzić do niej informacje, które chcemy przesłać. Tą modulacją danych może bezpośrednio się zajmować na przykład bardzo prosty kontroler wbudowany w strukturę krzemową procesora. A wszystko to dzięki temu, że obydwa układy da się wyprodukować za pomocą tej samej technologii CMOS na jednym kawałku krzemu!

Efekt Ramana w akcji

Pozbywszy się z krzemu swobodnych elektronów, można już pójść o krok dalej i pomyśleć nad sposobem wzmacniania sygnału oraz generowania światła laserowego bezpośrednio w strukturze półprzewodnika. Do tego celu inżynierowie Intela wykorzystali tzw. efekt Ramana (patrz: ramka obok) – budując w krzemie miniaturowy odpowiednik światłowodowych wzmacniaczy Ramanowskich stosowanych w telekomunikacji. W ten sam sposób rozwiązano też problem ciągłej emisji promieniowania laserowego, potrzebnego do zapewnienia fali nośnej do przesyłania danych. Tak powstał pierwszy na świecie półprzewodnikowy laser Ramanowski o działaniu ciągłym. Jedyną modyfikacją w stosunku do wzmacniacza było tu wprowadzenie układu dwóch półprzepuszczalnych krzemowych luster tworzących rezonator Fabry-Perot niezbędny do emisji wiązki laserowej. W obu przypadkach źródłem światła (laserem pompującym) jest dioda laserowa, również wykonana na krzemowym podłożu.

W ten sposób Inletowi udało się wykonać – zdawałoby się – rzecz niemożliwą. W jednym kawałku krzemu na jednej linii produkcyjnej jest on w stanie wykonać, posługując się tylko technologią CMOS, wszystkie elementy układu optoelektronicznego – począwszy od tradycyjnego procesora, poprzez optyczne modulatory i wzmacniacze, światłowody planarne, fotodiody, a na źródle światła kończąc. Co to oznacza w praktyce?

Otóż w przyszłości wszelkie połączenia elektryczne zarówno w superkomputerach, jak i komputerach domowych będzie można zastąpić tanimi układami optycznymi. Co więcej, płytę główną takiego peceta będzie znacznie łatwiej zaprojektować – znikną między innymi trudności z prowadzeniem ścieżek i kłopoty przy zwiększaniu częstotliwości zegarów sterujących, a nawet problemy z przepustowością złączy mechanicznych, takich jak np. LGA775. Przesyłane informacje nie będą też na siebie wpływać – nawet wtedy, gdy wykorzystywana zostanie zaledwie jedna centralna magistrala danych (światłowód). Komunikacja między komponentami stanie się też znacznie szybsza i praktycznie znikną wszelkiego rodzaju „wąskie gardła”, związane z przesyłaniem danych. Innymi słowy, komputer taki będzie wydajniejszy i tańszy.

Jak twierdzi Intel, w pierwszej kolejności nowe układy optoelektroniczne trafią do serwerów, rozwiązując problemy przesyłu informacji między klastrami. Później moduły optyczne zagoszczą we wnętrzu procesorów i będą służyły do transportu danych między rdzeniami. Kiedy optoelektronika upowszechni się w domowych pecetach, trudno powiedzieć. Niemniej komputery optyczne zaczynają się zbliżać coraz większymi krokami!

0
Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.