Кремниевые чипы с оптическими и электрическими цепями могут устранить барьер, не позволяющий увеличивать производительность суперкомпьютеров.
Два в одном: Свет и электричество
На этом кремниевом чипе мирно сосуществуют как электрические, так и оптические схемы.

Компьютерные чипы сегодня — это кремниевые пластины, использующие электрические импульсы для обработки данных. Но исследователи из IBM уже работают над чипами завтрашнего дня, которые будут использовать не только электрические, но и оптические импульсы.

Такие оптические схемы смогут обмениваться информацией с обычными, электронными схемами в пределах одного чипа. Это позволит передавать данные внутри компьютера намного быстрее, а также использовать высокоскоростные устройства ввода-вывода.

Сегодняшние суперкомпьютеры называют «петамасштабными», так как их производительность измеряется в петафлопсах (квадриллионах операций с плавающей запятой в секунду). Следующий шаг (создание экзамасштабных систем, способных выполнять квинтиллионы операций в секунду) исследователи из IBM надеются сделать в течение ближайших 5 лет.

За минувшие 7 лет специалисты из IBM разработали цепи, способные преобразовывать электрические сигналы компьютерного чипа в оптические — и обратно. Теперь они нашли способ объединить все эти компоненты на одном чипе без снижения производительности стандартных схем, построенных по технологии CMOS.

Теперь, по словам Соломона Ассефы (Solomon Assefa) из исследовательского центра IBM в Нью-Йорке, необходимо перенести эту технологию из лаборатории на производство. Хотя маловероятно, что в течение ближайших 5 лет «оптоэлектронные чипы» появятся на рынке, IBM стремится испытать свою методику на технологическом оборудовании, для которого она была разработана.

Другие компании также занимаются разработками в области кремниевой фотоники. Например, в начале этого года Intel представила группу фотонных чипов, которые могут быть использованы для передачи данных между обычными электронными чипами (читайте об этом — «Лазерные схемы: вычисления со скоростью света»). А компания Luxtera устанавливает фотонные компоненты на кремниевой пластине после того, как создание электронной части схемы завершено.

Ассефа утверждает, что технология IBM может предложить более компактные решения, поскольку позволяет интегрировать на одном чипе и оптические, и электронные компоненты. «Это означает, что мы можем создать более тонкие элементы и объединить их в более плотные и энергоэффективные структуры, отвечающие целям будущих систем высокого класса», — говорит он.

Такая интеграция стала возможна благодаря использованию новых конструкций фотонных компонентов, которые могут быть нанесены на чип в процессе травления по технологии CMOS, а использование литографии позволяет увеличить точность создания элементов схемы до десятков нанометров. Но объединение оптических и электронных компонентов на одном чипе требует весьма творческого подхода. Так, например, исследователям из IBM пришлось заново изобретать разработанный ранее фотоприемник, работающий в схеме преобразования входящих оптических сигналов. «Мы хотели использовать слой германия, который уже применяется в технологическом процессе CMOS, но необходимо было найти способ создать достаточно тонкий слой, который не мешал бы работе транзисторов», — говорит Ассефа. Исследователи обнаружили, что вольфрамовые «пробки», контактирующие со слоем германия и расположенные на тщательно выверенном расстоянии друг от друга, придают ему необходимые электрические свойства, позволяя сохранить малую толщину, не влияющую на работу транзисторов.

Разработки IBM позволяют изготавливать малые фотонные устройства, а это само по себе значительное достижение, так как такие устройства, как правило, на порядок больше по размерам, чем электрические элементы схем (в частности, транзисторы). На пути миниатюризации фотонных схем остается только последняя преграда — дифракционный предел, ограничивающий размеры оптических устройств, работающих на определенной длине световой волны.

По сообщению Technology Review