Intel izrāviens

Mūra likums, kas šopavasar svinēja savu 40. gadadienu, ir bijis pusvadītāju nozares lielākā svētība. 1965. gadā Intel līdzdibinātājs Gordons Mūrs prognozēja, ka tranzistoru skaits datora mikroshēmā dubultosies ik pēc diviem gadiem. Tajā laikā mikroshēmā bija tikai daži desmiti tranzistoru. Mūsdienās Intel augstākās klases mikroshēmā ir vairāk nekā 1,7 miljardi tranzistoru, un paredzams, ka līdz 2012. gadam šis skaits pārsniegs 10 miljardus. Šis stabilais četru desmitgažu gājiens ir veicinājis mūsdienu datoru revolūciju un padarījis Intel par tehnoloģiju spēkstaciju.

Taču spēja iepakot arvien vairāk tranzistoru un citu shēmu mikroshēmās saasina virkni problēmu, kas, ja tās kļūst pietiekami nopietnas, var apdraudēt esošās uz silīciju balstītas digitālās ekonomikas izaugsmi. Tikai dažas no problemātiskajām vietām: siltuma uzkrāšanās, elektriskās strāvas noplūde no ķēdēm, elektriskā šķērsruna starp blakus esošajiem vadiem. Piemēram, jaunākie CPU galddatoriem patērē 100 vatus jaudas. Klēpjdatoru CPU parasti ir efektīvāki, jo tie ir paredzēti, lai palielinātu akumulatora darbības laiku. Bet pat tagad tie patērē pat 75 vatus. Tas ir tāpat kā likt tosteri klēpī, saka Pats Dželsingers, Intel vecākais viceprezidents. Viens no risinājumiem, kas, domājams, kļūs plaši izplatīts, ir palielināt tranzistoru skaitu mikroshēmā, nevis padarot tos mazākus, bet vienkārši divreiz vai vairāk nolaižot vienu un to pašu ķēdes modeli uz vienas un tās pašas silīcija plāksnes. Intel šopavasar izlaida pirmās šādas divkodolu mikroshēmas. Un Intel vadītāji paredz daudzu galveno mikroshēmu nākotni ar līdz pat tūkstoš procesoriem blakus.

Bet tur ir berze. Vara vadi, kas pārraida ciparu plūsmu viens smiltis 0 s datorā un no tā, kā arī starp procesoriem dažos datoros, var tik ātri pārsūtīt tikai tik daudz datu. Ja es dubultoju [procesora] veiktspēju, man ir jāpalielina veiktspēja mikroshēmā un ārpus tās, saka Dželsingers. Vara, mūsu tradicionālā starpsavienojumu tehnoloģija, sāk izsīkt.

Problēma ir tāda, ka elektriskie impulsi, kas pārvietojas pa vara vadu, saskaras ar elektrisko pretestību, kas pasliktina informāciju, ko tie nes. Rezultātā datu bitiem, kas pārvietojas caur varu, jābūt pietiekami tālu viens no otra un tiem jāpārvietojas pietiekami lēni, lai ierīces, kas atrodas kabeļa otrā galā, varētu tos uztvert. Šis ierobežojums jau rada datu satiksmes sastrēgumus lokālajos tīklos, kas datoru savienošanai izmanto vara vadus. Un daudzi eksperti prognozē, ka tas radīs šķēršļus datu plūsmai starp vairākiem procesoriem atsevišķos datoros. Rezultāts ir tāds, ka pat tad, ja Mūra likums turpinās darboties, datori vairs nevarēs izmantot palielināto jaudu, ko tas nodrošina, jo tie nespēs pietiekami ātri pārvietot datus uz mikroshēmām un no tās, lai neatpaliktu no procesoriem. . Tas ir būtisks izaicinājums: datoriem ir jāatrod ātrāks veids, kā pārvietot lielu datu apjomu gan mikroshēmās, gan starp tām.

Ievadiet silīcija lāzeru. Optiskie savienojumi var pārraidīt tūkstošiem reižu vairāk datu sekundē nekā vara vadi. Taču esošie optiskie komponenti, kas izgatavoti no tādiem eksotiskiem pusvadītājiem kā gallija arsenīds un indija fosfīds, ir pārāk dārgi izmantošanai atsevišķos datoros vai pat lokālajos tīklos. Ja jūs varētu izgatavot optiskās ierīces no silīcija, kas ir lēts un, vismaz tādam uzņēmumam kā Intel, viegli izgatavojams, tas visu mainītu. Pāreja uz silīcija optiku pievienotu silīcija mikroshēmām jaunu pamata iespēju: spēju manipulēt un reaģēt uz gaismu. Uzņēmumi, visticamāk, vispirms izmantos šo iespēju, aizstājot vara savienojumus ar optiskām saitēm tīklos. Bet galu galā silīcija fotonika var arī aizstāt vara vadus starp procesoriem vienā mikroshēmā. Mikroshēmu dizaineri arī paredzēja izmantot silīcija optiku iekšējos pulksteņos, kurus mikroprocesori izmanto, lai izpildītu norādījumus, ievērojami palielinot pulksteņa ātrumu un tādējādi arī skaitļošanas ātrumu.

Vēl nesen visas šīs spekulācijas par silīcija optikas potenciālu bija hipotētiskas: piemēroti silīcija lāzeri nepastāvēja. Bet lietas mainījās pagājušajā ziemā, kad Intel zinātnieka Mario Paniccia laboratorija ziņoja par pirmo nepārtraukto silīcija lāzeru. Izgatavota, izmantojot tās pašas ražošanas metodes, kas ražo silīcija mikroshēmas, eksperimentālā ierīce izrādījās vienmērīga infrasarkano fotonu plūsma, kas ir sasniegums, ko daudzi pētnieki uzskatīja par neiespējamu silīcijā.

Silīcija fotonikai vēl ir sākums. Taču Intel rezultāts, kas balstīts uz atklājumiem, par kuriem tika ziņots pagājušajā gadā daudzos papīros, kuros aprakstīti sasniegumi uz silīciju balstītu optisko komponentu jomā, pārliecina daudzus ekspertus, ka varētu būt lietderīgi cieši saistīt optiskās un elektroniskās tehnoloģijas datora līmenī. Paniccia komandas progress ir bijis ievērojams, saka Greiems Rīds, Silīcija fotonikas pionieris no Surrey universitātes Anglijā. Tagad visi skeptiķi sāk uzskatīt, ka silīcijam būs reāla ietekme uz optiku.

Paredzamie sasniegumi silīcija tehnoloģiju jomā gandrīz noteikti saglabās Mūra likumu pārskatāmā nākotnē, radot arvien ātrākus datorus. Paātrinot milzīgu datu apjomu ieplūšanu un izņemšanu no mikroshēmām, kā arī starp mašīnām, silīcija fotonika varētu palīdzēt cilvēkiem piekļūt šai milzīgajai skaitļošanas jaudai.

Sliktais emitētājs
Optiskās šķiedras veido tālsatiksmes telekomunikāciju tīklu mugurkaulu un lielā mērā ir atbildīgas par interneta ātrumu. Bet optiskie komponenti nav lēti. Datu optiskai sūtīšanai un saņemšanai nepieciešams lāzers, kas rada gaismas staru; modulators, kas sadala šo staru ieslēgšanas/izslēgšanas sērijās, kas attēlo digitālo viens smiltis 0 s; viļņvadi, kas izvada gaismu caur mikroshēmām; un fotodetektori, kas uztver gaismu un pārvērš to atpakaļ elektroniskā signālā. Pašlaik šīs ierīces nav izgatavotas no silīcija, un to uzstādīšana maksā tūkstošiem dolāru. Telekomunikāciju pakalpojumu sniedzēji var atļauties šīs cenas, taču padarot tehnoloģiju iespējamu datu pārvietošanai datorā, cenas tiek samazinātas par lielumu.

Silīcijs var būt atbilde. Mums silīcijs, iespējams, nav reliģiska pieredze, bet tas ir diezgan tuvu, saka Gelsingers. Silīcijs ir izrādījies rentabls, mērogojams, izturīgs, izgatavojams un tam piemīt visas citas brīnišķīgas īpašības. Fotoniskās daļas, kas izgatavotas no silīcija, padarītu optiku pieejamāku un paplašinātu tās izmantošanas iespējas. Mūsdienās optika ir nišas tehnoloģija. Rīt tā būs katras mūsu izveidotās mikroshēmas galvenā plūsma, saka Dželsingers.

Vēl aptuveni pirms gada izskatījās, ka silīcijs optikā nekad nespēlēs nozīmīgu lomu. Silīcijs pēc būtības nav labākais optiskais materiāls, skaidro Rīds. Viens no acīmredzamākajiem trūkumiem ir tas, ka tas ir vājš gaismas izstarotājs. Kad elektroni silīcijā ir satraukti, tā vietā, lai atbrīvotu fotonus, tie izraisa silīcija kristāliskā režģa vibrāciju. Rezultāts ir siltums, nevis gaisma. Turpretim pusvadītāji, piemēram, gallija arsenīds un indija fosfīds, elektriski ierosināti, izstaro gaismu. Tātad, lai gan pētniekus gadiem ilgi ir fascinējušas optiskās mikroshēmas izredzes, tika panākta vienprātība, ka silīcijs nav īstais materiāls, no kura to izgatavot.

Deviņdesmito gadu beigās pētnieki ziņoja par virkni iepriecinošu, kaut arī provizorisku progresu silīcija optikas jomā (sk. Tehnoloģiju apskats, 2001. gada jūnijs ). Uzņēmumā Intel Paniccia komandas panāktais progress pārliecināja vadītājus uzlabot uzņēmuma silīcija fotonikas programmu. Intel pirmais izrāviens notika 2004. gada februārī, kad Paniccia ziņoja žurnālā Daba ka viņa grupa ir izveidojusi silīcija modulatoru, kas spēj pārveidot vienmērīgu lāzera gaismas plūsmu ātros ciparu 1s un 0s impulsos ar ātrumu viens miljards hercu jeb viens gigahercs, kas ir 50 reizes lielāks nekā iepriekšējais eksperimentāli demonstrētais rekords. par silīciju. Bet tas joprojām nebija pietiekami ātrs, saka Rīds. Tad šopavasar Intel pētnieki materiālu zinātnieka Ling Liao vadībā ziņoja par silīcija modulatoru, kas darbojas ar 10 gigahercu frekvenci, kas ir aptuveni līdzvērtīgs citiem optiskajiem modulatoriem.

Bet izšķirošā silīcija-fotoniskā sastāvdaļa joprojām bija lāzers. Pagājušā gada septembrī četras atsevišķas grupas, tostarp Paniccia’s, ziņoja par silīcija lāzeriem, kas rada staccato gaismas impulsus. Tā kā silīcijs slikti pārvērš elektriskos lādiņus gaismā, visi šie silīcija lāzeri izmantoja ārējos lāzerus kā enerģijas avotus. Tāpat kā visi mikroshēmu lāzeri, arī silīcija lāzeri darbojas, pārvēršot enerģiju – šajā gadījumā fotonus no cita gaismas avota – fotonu uzliesmojumā ar būtībā vienādu viļņa garumu un fāzi. Intel pētnieki izmantoja sen zināmo principu, ko sauc par Ramana efektu, kurā fotoni iegūst enerģiju no sadursmēm ar vibrējošiem atomiem.

Impulsu lāzeri tomēr nav lieliski piemēroti datu pārsūtīšanai. Optikas inženieri dod priekšroku nepārtrauktiem lāzeriem, kurus viņi var sagriezt un sagriezt ar modulatoriem, lai izveidotu datu signālus. Bet visas grupas cīnījās ar vienu un to pašu problēmu. Palielinoties nepārtrauktās lāzera gaismas daudzumam, ko tie ievadīja silīcija mikroshēmās, palielinājās arī iespēja, ka ienākošo fotonu pāri vienlaikus ietrieks vienu silīcija atomu. Kad tas notika, silīcija atomi izsvieda elektronus no savām atomu orbītām, un šie mobilie lādiņi rijīgi aprija fotonus. Ienākošais lāzers bija jāpulsē, lai elektroniem dotu sekundes miljondaļas, kas tām bija nepieciešamas, lai atdotu savu lieko enerģiju un atslābinātu miera stāvokli.

Paniccia komanda nāca klajā ar atbildi, kas bija gan izcila, gan tiem, kas pārzina silīcija tehnoloģiju, konceptuāli vienkāršu. Intel lāzera mikroshēmā bija iegravēts silīcija viļņvada kanāls, kurā gaisma atsitās uz priekšu un atpakaļ, palielinot intensitāti. Pētnieki implantēja elektrodus abās kanāla pusēs. Kad tie ieslēdza spriegumu starp elektrodiem, tas radīja elektrisko lauku, kas virzīja negatīvi lādētos elektronus uz pozitīvi lādētu elektrodu, efektīvi izslaukot tos no ceļa. Tā rezultātā fotoni varēja netraucēti veidoties, līdz tie radīja nepārtrauktu lāzera staru.

Pagājušajā ziemā, trīs dienas pirms Ziemassvētkiem, Paniccia kolēģi Haišens Rongs un Ričards Džonss ieraudzīja pirmo pazīmi, ka stratēģija darbojas: optiskā spektra analizatora displejā parādījās līnija, kas rāda, ka lāzera radītie infrasarkanie fotoni izplūst ārā. mierīga straume.

Iekšpusē
Intel pētniekiem joprojām ir jāatrod veidi, kā ražot silīcija lāzerus līdzās elektroniskiem komponentiem mikroshēmās. Elektroniskās shēmas tiek veidotas, rūpīgi izklājot un kodinot desmitiem materiālu slāņu. Dažām no šīm darbībām ir nepieciešama temperatūra, kas ievērojami pārsniedz 1000 °C, vai kaustisku ķīmisku vielu iedarbība. Tāpēc Intel inženieriem būs jānodrošina, lai optisko ierīču izveidei nepieciešamās darbības nepasliktinātu elektroniskās shēmas un otrādi.

Sākotnēji demonstrējot silīcija fotonikas lietderību, Paniccia šogad plāno integrēt vairākus modulatorus un citus optiskos komponentus uz silīcija gabala; šim iestatījumam vajadzētu nodrošināt datu pārraides ātrumu 100 gigabiti sekundē. Šāds prototips, cer Paniccia, ilustrēs silīcija fotonikas potenciālu pārnest datus mikroshēmās un no tām daudz efektīvāk nekā jebkas cits, kas pašlaik ir tirgū.

Ejot pa vienu no savām tikko atjaunotajām laboratorijām šajā pavasarī, Paniccia parādīja optiskā Ethernet kabeļa maketu, kurā tiktu izmantota silīcija fotonika. Lai gan Paniccia parasti saglabā pieticīgo, rūpīgo zinātnieka izturēšanos, ir skaidrs, ka viņam patīk izmantot rekvizītu, lai pārdotu savu redzējumu par silīcija jauno lomu. Spageti šķipsnas plānā kabeļa galā atrodas savienotājs, kas atgādina tālruņa vada galu ar metāla paliktņiem, kas atrodas zem sīkām šķēlumiem silīcija apvalkā. Funkcionālā kabeļa versijā elektriskie signāli virzītos no datora mikroshēmas caur šiem metāla paliktņiem uz silīcija fotonisko mikroshēmu mazā savienotāja iekšpusē, kur tie tiktu pārveidoti gaismas impulsu plūsmā.

Kabelis no ārpuses atgādina pazīstamu tehnoloģiju, bet lētas silīcija fotonikas pievienošana datoriem nodrošinātu vēl nebijušu ātrumu un jaudu. Un tas ļautu Intel pievienot savu slaveno Intel zīmola logotipu vēl vienai pārveidojošai tehnoloģijai. Apzināties šo redzējumu nebūs viegli. Tomēr Paniccia ir pārliecināta, ka tas notiks. Vairs nav šaubu, vai mēs to varam izdarīt. Tas ir, kad un kā. Tādas ir izmaiņas pagājušajā gadā. Un, kad nokritīs pēdējā tehniskā barjera, viņš saka, silīcija fotonika būs visur.

Roberts Serviss ir Portlendā, OR bāzēts rakstnieks, kurš nodarbojas ar ķīmiju un materiālu zinātni Zinātne.

paslēpties