211service.com
Pašdarbināmas silīcija lāzera mikroshēmas
UCLA datorzinātnieks ir pārveidojis vienu silīcija lāzera elementu, kas patērē enerģiju, par enerģijas ģeneratoru, kas varētu palīdzēt inženieriem, kas mēģina iekļaut ātrākus optiskos elementus komerciālos procesoros.
Bahram Jalali, UCLA elektroinženieru profesors, ir parādījis veidu, kā samazināt silīcija lāzera mikroshēmu enerģijas vajadzības, kas varētu padarīt tās komerciāli izdevīgākas optiskās skaitļošanas lietojumprogrammām. (Ar pieklājību no UCLA Henrija Samueli inženierzinātņu un lietišķo zinātņu skolas.)
Mēs ne tikai neielaižam enerģiju, bet arī to atgūstam, saka Bahrams Džalali , elektrotehnikas profesors UCLA Henrija Samueli Inženierzinātņu un lietišķo zinātņu skolā Izklausās pārāk labi, lai būtu patiesība, bet tā ir patiesība.
Tā kā datoru mikroshēmu ražotāji silīcija mikroshēmā ievieto arvien vairāk tranzistoru, viņi saskaras ar fundamentālu ierobežojumu: cik daudz datu viņi var izspiest no mikroshēmas vai no vienas mātesplates uz otru, izmantojot vara vadus. Palielinoties jaudai un datu apjomam, veidojas elektriskā pretestība, līdz vadi sasniedz ātruma ierobežojumu.
Telekomunikāciju uzņēmumi šo problēmu pārvarēja pirms gadiem, kad tālsatiksmes sakaros vara vadus nomainīja ar gaismas stariem, kas tika pārnesti caur stikla šķiedrām. Tagad mikroshēmu ražotāji, piemēram, Intel, veido nelielas šo ātrāku sistēmu versijas, daudz īsākos attālumos izmantojot priekšrocības, ko sniedz gaismas viļņu lielāka nestspēja, ko neietekmē elektriskā pretestība.
Pirms diviem gadiem Džalali panāca izrāvienu, izgatavojot lāzeru no silīcija. Lielākā daļa lāzeru ir izgatavoti no citiem materiāliem; tā fizikas dēļ silīcijs viegli neizstaro gaismu. Taču optisko signālu ģenerēšana būtu lētāka un vienkāršāka, ja lāzerus varētu izgatavot no silīcija, kura īpašības jau labi izprot pusvadītāju rūpniecība. Tad pagājušajā gadā Intel turpināja Jalali darbu ar labāku silīcija lāzera versiju, kā arī modulatoru, lai kodētu signālus gaismas starā, un radās silīcija fotonikas joma (skatiet Intel's Breakthrough, 2005. gada jūlijs).
Taču radās problēma. Lai iegūtu lāzera efektu, gan Jalali, gan Intel izmantoja ārēju lāzeru un iešāva to silīcijā, kur gaismas stara enerģija mijiedarbojās ar materiālu, radot jaunu gaismu. Silīcija sitiens ar augstas intensitātes lāzera gaismu liek silīcijam ģenerēt nevēlamus elektronus, kas savukārt var absorbēt ražotos fotonus, mazinot lāzera efektu. Materiāls kļūst kā sūklis, uzsūcot gaismu, saka Jalali.
Intel šo problēmu risināja, pievienojot elektrisko diodi un palaižot strāvu pāri mikroshēmai, lai būtībā uzsūktu elektronus. Bet tas prasīja apmēram vienu vatu elektroenerģijas — pietiekami, lai mikroshēmā darbinātu miljonu tranzistoru. Caur mikroshēmu plūstošā strāva radīja arī siltuma pārpalikumu, kas varētu izraisīt mikroshēmas darbības pārtraukšanu.
Jalali domāja, kas notiktu, ja viņš mainītu diodes jaudas sprieguma novirzi, kas mainītu elektrisko lauku silīcijā. Rezultāts: apgrieztā novirze joprojām izslaucīja klaiņojošos elektronus, taču tas tika darīts, nepatērējot šo vatu jaudas.
Līdzīgi kā saules baterija ģenerē elektrību, kad saules gaismā saskaras ar fotoniem, silīcija lāzeros tiek atbrīvoti papildu elektroni, kad silīcijā apvienojas divi fotoni no lāzera. Jalali ierīce savāc brīvos elektronus un izmanto tos, lai mikroshēmā darbinātu tranzistorus. Apmēram divas trešdaļas no optiskās jaudas, kas tika zaudēta elektronu ģenerēšanai, var atgūt un izmantot, saka Jalali. Tā vietā, lai elektronu attīrīšanā izmantotu vienu vatu jaudas un radītu papildu siltumu, viņa metode rada vairākus milivatus jaudas.
Jalali, kura darbs tiek finansēts saskaņā ar Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūras programmu, lai veicinātu silīcija fotoniku, pagājušajā nedēļā konferencē Kanādā paziņoja par saviem rezultātiem. Viņš saka, ka, lai tas būtu praktiski, elektronu savākšanas iekārtas būtu jāsamazina līdz vienai desmitajai daļai no tā pašreizējā izmēra, kas, viņaprāt, varētu ilgt aptuveni trīs gadus.
Mario Paniccia, Intel direktors Fotonikas tehnoloģiju laboratorija , saka Jalali darbs liecina, ka silīcija fotonika ir ceļā uz to, lai kļūtu praktiska. Tas ir pareizajā virzienā… Kā tieši jūs izmantotu [ģenerējošo efektu] un to lietotu, tas vēl ir jāoptimizē, viņš saka. Tas nav kaut kas tāds, par ko jūs domājat, ka tas notiks, bet, kad jūs to redzat, tas ir loģiski.
Intel strādā pie programmas, lai izstrādātu vairākas galvenās silīcija fotonikas sistēmas sastāvdaļas, tostarp ne tikai gaismas avotus, bet arī modulatorus signāla pievienošanai, optiskos pastiprinātājus tā pastiprināšanai, fotodetektorus un zemu zudumu viļņvadus. Paniccia sagaida, ka laboratorijas darbs varētu pārvērsties reālos produktos līdz 2010. gadam, sākot ar komunikāciju starp datoru plauktiem, pēc tam pa datora aizmugures plati (shēmas plati, kas ļauj pievienot citas plates, piemēram, audio kartes) un visbeidzot. no vienas mikroshēmas uz otru.
Tomēr Džalali pieeja nav līdzeklis pret visu. Pie ļoti augstas optiskās intensitātes klaiņojošo elektronu skaits kļūst tik liels, ka ar apgriezto nobīdi nepietiek, lai tos visus noņemtu, neizmantojot vairāk enerģijas. Un dažām lietojumprogrammām mikroshēmu dizaineri dod priekšroku lāzeram, kas atrodas uz mikroshēmas un darbojas ar elektrību, nevis tiek sūknēts no cita lāzera gaismas, kā to prasa pašreizējās silīcija lāzera mikroshēmas. Taču daudzos gadījumos Jalali saka, ka ārējais lāzera avots ir priekšrocība, jo tas samazina mikroshēmas enerģijas patēriņu.
Paniccia salīdzina silīcija fotonikas attīstību ar tranzistora izveidi. Datori, kuru pamatā bija vakuuma caurule, piepildīja visas telpas, līdz tranzistori tās saruka, un integrālā shēma galu galā noveda pie ļoti jaudīgiem datoriem, kurus varēja nēsāt plecu somās. Tāpat viņš iedomājas, ka silīcija fotonika kādu dienu samazinās maršrutētājus un citu aprīkojumu, kas piepilda komutācijas telpu līdz mikroshēmas izmēram. Paniccia saka: tas ļaus optikai un optikas priekšrocībām nokļūt vietās, kur viņi nevarēja nokļūt agrāk.