|
Исследователи корпорации Intel добились прорыва в исследованиях процессов производства полупроводниковых устройств, создав новое устройство транзисторного типа, которое аналогично классическим микрочипам и выполнено на базе кремниевых технологий, но предназначено для передачи информации с помощью светового луча, а не металлических проводников.
Быстрые фотоэлектронные (на базе волоконной оптики) модуляторы на основе кремния позволяют создавать очень дешевые широкополосные соединения не только между чипами внутри персональных компьютеров и серверов, но и между различными ПК, серверами и другими электронными устройствами.
Об этой разработке подробно рассказано в последнем (за 12 февраля) номере всемирно известного научного журнала Nature, опубликовавшего статью «Высокоскоростной кремниевый оптический модулятор на основе металоксидных полупроводников». Суть новации в том, что ученым корпорации Intel удалось разделить пучок света на два луча, а затем модулировать один из них, воздействуя на него электрическим зарядом. При соединении обоих лучей вновь образуется последовательность световых импульсов-«вспышек» с частотой 1 ГГц, что в 50 раз быстрее, чем до сих пор удавалось достичь в подобных системах. Интерпретируя наличие света как «1», а его отсутствие как «0», можно передавать и получать информацию.
«Это колоссальный шаг на пути построения оптических устройств, которые будут передавать данные внутри компьютера поистине со скоростью света, - говорит Патрик Гелсингер, старший вице-президент и технологический директор корпорации Intel. - Это один из тех революционных технологических прорывов, последствия которых расходятся как «волны» по всей индустрии и порождают целый ряд совершенно новых устройств и приложений. Они помогут Интернету стать быстрее, позволят внедрить приложения для распознавания человеческой речи, а компьютерные игры с их помощью превратятся в увлекательные трехмерные анимационные фильмы».
Сегодня для создания коммерческих оптических устройств приходится использовать дорогие, весьма экзотические материалы, да и процесс их производства очень сложен. Дороговизна и сложность существенно ограничивают их распространение на телекоммуникационных рынках. Оптические модуляторы на базе кремния с частотой свыше 1 ГГц, которые удалось создать исследователям корпорации Intel, наглядно демонстрируют перспективность использования кремния как основы для внедрения широкополосной оптики в самом широком спектре вычислительных и коммуникационных приложений.
Исследования в области кремниевой фотоники начались в корпорации Intel в середине 90-х годов с попыток проверки транзисторов, содержащихся в микропроцессоре, при помощи электромагнитных волн. Как известно, кремний непроницаем для волн видимой части спектра, но прозрачен для инфракрасного излучения.
«Примерно так, как Супермен мог видеть сквозь стены, имея инфракрасное зрение, мы могли видеть сквозь кремний, - рассказывает Марио Паниччиа, руководитель работ по исследованиям полупроводниковых фотоэлектронных устройств корпорации Intel. - Изменение путей движения электрических зарядов в транзисторах при наложении внешнего поля может быть использовано для управления поведением света. Это привело нас к мысли о возможности манипулирования такими свойствами света, как его фаза и амплитуда при помощи оптических устройств на основе кремния».
Возникает естественный вопрос: а зачем вообще потребовалось использовать свет и волоконную оптику в процессорах? Ответ очень прост: неуклонно повышающиеся требования к полосе пропускания. Коммуникационные системы пока еще справляются с потоками информации в глобальных масштабах, но только благодаря тому, что их пропускные способности удваиваются каждые девять месяцев. В течение следующих 5-10 лет компьютерная и коммуникационная индустрии будут постоянно получать запросы на передачу все большего количества данных со все более высокой скоростью. Потребители перейдут от скачивания мелодий и фотографий к загрузке целых фильмов в свои компьютеры; микропроцессоры будут работать на частотах 25-30 ГГц, что потребует постоянного «трафика» колоссальных объемов данных. Фотоника - одно из наиболее перспективных решений этой проблемы.
До сих пор производительность электронных компонентов росла за счет все большей миниатюризации транзисторов. Скорость обработки данных сегодня значительно превосходит скорость обмена результатами вычислений между активными элементами вычислительных систем.
По оценке международной ассоциации производителей полупроводников Sematech, предел развития технологий с металлическими проводниками наступит после 2008 года, единственная альтернатива - оптика.
На пленарных докладах весеннего форума IDF-2003
в Сан-Хосе (США) были продемонстрированы две интересные новинки в области кремниевой фотоники, свидетельствующие об активности разработок Intel в этой области. Главный исполнительный директор корпорации Intel Крейг Барретт представил оптический канал передачи данных на базе кремниевого оптического модулятора, и тут же состоялась первая в мире публичная передача данных по оптическому кабелю длиной 5 миль (на катушке) с помощью интегрированной на кремниевом кристалле оптическо-полупроводниковой схемы. А по ходу пленарного доклада вице-президента, генерального менеджера подразделения Intel Communications Group Шона Мэлоуни была продемонстрирована оптическая система передачи данных на частоте 193 терагерца при помощи 4-ваттного малогабаритного перестраиваемого лазера.
1 ГГц, который достигается уже сегодня на экспериментальных устройствах кремниевой фотоники, равен миллиарду бит информации, которая передается по одному-единственному волокну. По мнению экспертов Intel, эта величина может быть увеличена в десять и более раз. Кроме того, по одному стеклянному волокну одновременно может передаваться сразу несколько потоков данных при помощи использования разных длин волн света (аналогично тому, как в пространстве вокруг нас одновременно работают десятки радиостанций на разных длинах волн).
Эта технология получила название Dense Wavelens Division Multiplexing (DWDM), что означает мультиплексирование среды передачи данных, а, возможно, и соответствующих преобразователей, включая оптические системы, с помощью использования разных длин волн передаваемого и, конечно же, принимаемого излучения. С момента появления в середине 90-х годов первых систем DWDM количество каналов передачи данных возросло в несколько раз.
В настоящее время уже разработаны системы с числом каналов более 40. При этом удается передавать на значительные расстояния информацию со скоростью.
до 10 Гбит/с на канал. Развитие этой технологии и улучшение параметров элементов оптической системы позволяет в перспективе достичь скорости передачи данных по одному оптоволокну до 1 трлн бит в секунду, что превышает весь существующий в настоящее время трафик Интернета. Дополнительные преимущества передачи информации по волоконно-оптическим кабелям заключаются в том, что на них не влияет внешнее электромагнитное излучение, и они не оказывают воздействия друг на друга (именно по этой причине пока не удается построить высокоскоростные медные соединения).
«У нас есть обширная программа исследований, цель которых - применить наш многолетний опыт в области создания кремниевых устройств для создания встроенных оптических соединений типа «чип-чип» и «компьютер-компьютер», - продолжает Паниччиа. - Речь идет о «силиконизации» всех элементов оптических сетей (за исключением, естественно, источника света - лазера) и разработке новых устройств еще до конца десятилетия».
По мнению экспертов Intel, сначала оптические коммутаторы заменят электронное оборудование в опорных каналах связи, а потом, возможно, и вся инфраструктура Интернета и аппаратура конечных пользователей будет функционировать исключительно на оптических принципах. Затем световые кабели свяжут компоненты компьютеров, и, наконец, фотонные чипы займут место кремниевых.
К такому мнению склоняются многие исследователи. В одном из наиболее полных обзоров, посвященных кремниевой фотонике - "Will silicon be the photonic material of the third millenium?", опубликованном в J.Phys.Cond.Matter, 2003, 15, R1169-1196, итальянский ученый L. Pavesi (Universita' di Trento, Italy) утверждает, что кремний в третьем тысячелетии станет столь же стандартным материалом в фотонике, как сегодня в микроэлектронике. Кремниевая микрофотоника найдет применение в системах связи, компьютерной технике, дисплеях, системах оптического и ИК изображения, медицине, оптических принтерах, оптических системах управления, оптических сенсорах, оптических системах обработки сигналов, оптических устройствах хранения информации и устройствах оптического управления СВЧ системами.
|
|
