211service.com
Samonapájecí silikonové laserové čipy
Počítačový vědec z UCLA přeměnil jednu energeticky náročnou součást křemíkového laseru na generátor energie – což by mohlo pomoci inženýrům, kteří se snaží začlenit rychlejší optické prvky do komerčních procesorů.
Bahram Jalali, profesor elektrotechniky na UCLA, předvedl způsob, jak snížit spotřebu energie v křemíkových laserových čipech, což by je mohlo učinit komerčně proveditelnějšími pro optické počítačové aplikace. (S laskavým svolením Henry Samueli School of Engineering and Applied Science na UCLA.)
Nejen, že energii nevypouštíme, ale ve skutečnosti ji obnovujeme, říká Bahram Jalali , profesor elektrotechniky na UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science Zní to příliš dobře, než aby to byla pravda, ale je to tak.
S tím, jak výrobci počítačových čipů nabalují na křemíkový čip stále více tranzistorů, narážejí na zásadní limit: kolik dat mohou vytlačit z čipu nebo z jedné základní desky na druhou po měděných drátech. Jak zvyšují výkon a množství dat, roste elektrický odpor – dokud dráty nedosáhnou svého rychlostního limitu.
Telekomunikační společnosti tento problém před lety překonaly, když v dálkových komunikacích nahradily měděné dráty paprsky světla přenášenými skleněnými vlákny. Výrobci čipů, jako je Intel, nyní staví malé verze těchto rychlejších systémů tím, že na mnohem kratší vzdálenosti využívají větší přenosovou kapacitu světelných vln, které nejsou ovlivněny elektrickým odporem.
Před dvěma lety Jalali dosáhl průlomu, když vyrobil laser z křemíku. Většina laserů je vyrobena z jiných materiálů; kvůli své fyzice křemík snadno nevyzařuje světlo. Ale generování optických signálů by bylo levnější a snazší, kdyby lasery mohly být vyrobeny z křemíku, jehož vlastnosti jsou již v polovodičovém průmyslu dobře známy. V loňském roce Intel navázal na Jalaliho práci s lepší verzí křemíkového laseru a také modulátorem pro kódování signálů do světelného paprsku – a zrodilo se pole křemíkové fotoniky (viz Intel’s Breakthrough, červenec 2005).
Ale nastal problém. K dosažení laserového efektu použili Jalali i Intel externí laser a vypálili jej do křemíku, kde energie světelného paprsku interagovala s materiálem a vytvořila nové světlo. Zasažení křemíku laserovým světlem o vysoké intenzitě způsobí, že křemík generuje nežádoucí elektrony, které zase mohou absorbovat produkované fotony, což podkopává laserový efekt. Materiál se stává jako houba, která nasává světlo, říká Jalali.
Intel problém vyřešil připojením elektrické diody a spuštěním proudu přes čip, aby v podstatě vysál elektrony. To však vyžadovalo asi jeden watt elektrické energie – dost na provoz milionu tranzistorů na čipu. Proud procházející čipem také produkoval odpadní teplo, které by mohlo způsobit, že čip přestane fungovat.
Jalali uvažoval, co by se stalo, kdyby obrátil zkreslení napětí energie z diody, což by obrátilo elektrické pole v křemíku. Výsledek: obrácené zkreslení stále smetlo zbloudilé elektrony, ale stalo se tak bez spotřeby tohoto wattu energie.
V podstatě stejným způsobem, jako solární článek generuje elektřinu, když je zasažen fotony ve slunečním světle, další elektrony v křemíkových laserech se uvolňují, když se dva fotony z laseru spojí v křemíku. Jalaliho zařízení sbírá volné elektrony a používá je ke spuštění tranzistorů na čipu. Přibližně dvě třetiny optického výkonu, který byl ztracen při generování elektronů, lze obnovit a využít, říká Jalali. Namísto spotřebování jednoho wattu energie při čištění elektronů a generování extra tepla, jeho metoda produkuje několik miliwattů energie.
Jalali, jehož práce je financována v rámci programu Agentury pro obranné pokročilé výzkumné projekty zaměřené na pokrok v křemíkové fotonike, oznámil své výsledky na konferenci v Kanadě minulý týden. Říká, že aby bylo praktické zařízení na sběr elektronů, muselo by se zmenšit na jednu desetinu současné velikosti, což by podle něj mohlo trvat asi tři roky.
Mario Paniccia, ředitel společnosti Intel Laboratoř technologie fotoniky , říká Jalaliho práce ukazuje, že křemíková fotonika je na cestě k tomu, aby se stala praktickou. Je to správným směrem… Jak přesně byste použili [generující efekt] a použili jej, musí být ještě optimalizováno, říká. Není to něco, co byste si mysleli, že se stane, ale jakmile to uvidíte, dává to smysl.
Intel pracuje na programu pro vývoj několika klíčových součástí křemíkového fotonického systému, včetně nejen světelných zdrojů, ale také modulátorů pro přidávání signálu, optických zesilovačů pro jeho zesílení, fotodetektorů a nízkoztrátových vlnovodů. Paniccia očekává, že laboratorní práce by se mohly do roku 2010 promítnout do reálných produktů, počínaje komunikací mezi stojany počítačů, pak podél základní desky počítače (deska s obvody, která umožňuje připojení dalších desek, jako jsou zvukové karty) a nakonec z jednoho čipu do druhého.
Jalaliho přístup však není všelékem. Při velmi vysokých optických intenzitách je počet zbloudilých elektronů tak vysoký, že zpětné zkreslení nestačí k jejich odstranění bez použití většího výkonu. A pro některé aplikace by návrháři čipů upřednostňovali laser, který sedí na čipu a běží na elektřinu, místo aby byl čerpán světlem z jiného laseru, jak to vyžadují současné křemíkové laserové čipy. Ale v mnoha případech, říká Jalali, je externí laserový zdroj výhodou, protože snižuje spotřebu energie na čipu.
Paniccia přirovnává vývoj křemíkové fotoniky k vytvoření tranzistoru. Počítače na bázi elektronek zaplňovaly celé místnosti, dokud je tranzistory nezmenšily, a integrovaný obvod nakonec vedl k ohromně výkonným počítačům, které bylo možné nosit v tašce přes rameno. Podobně si představuje, že křemíková fotonika jednoho dne zmenší směrovače a další zařízení, která zaplňují ústřednu, na velikost čipu. Paniccia říká: Optice a výhodám optiky umožní dostat se tam, kam dříve nemohli.