En ny mikrochipteknik som kan optiskt överföra data kan lösa en allvarlig flaskhals i nuvarande enheter genom att påskynda dataöverföring och minska energiförbrukningen med storleksordningar, enligt en artikel som publicerades den 19 april, 2018 nummer av Natur .

Forskare från Boston University, Massachusetts Institute of Technology, University of California Berkeley och University of Colorado Boulder har utvecklat en metod för att tillverka kiselchips som kan kommunicera med ljus och som inte är dyrare än nuvarande chipteknik. Resultatet är kulmen på ett flera år långt projekt finansierat av Defense Advanced Research Project Agency som var ett nära samarbete mellan team som leddes av docent Vladimir Stojanovic från UC Berkeley, Professor Rajeev Ram från MIT, och biträdande professor Milos Popovic från Boston University och tidigare CU Boulder. De samarbetade med ett forskarlag för tillverkning av halvledare vid Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) vid State University of New York i Albany.

Den elektriska signalflaskhalsen mellan nuvarande mikroelektroniska chips har lämnat lätt kommunikation som ett av de enda alternativen som finns kvar för ytterligare tekniska framsteg. Den traditionella metoden för dataöverföring-elektriska ledningar-har en gräns för hur snabbt och hur långt den kan överföra data. Den använder också mycket kraft och genererar värme. Med den obevekliga efterfrågan på högre prestanda och lägre effekt inom elektronik, dessa gränser har uppnåtts. Men med denna nya utveckling, att flaskhalsen kan lösas.

"Istället för en enda tråd som bär 10 till 100 gigabit per sekund, du kan ha en enda optisk fiber som bär 10 till 20 terabit per sekund - alltså ungefär tusen gånger mer i samma fotavtryck, säger Popovic.

"Om du byter ut en kabel mot en optisk fiber, det finns två sätt att vinna, "säger han." Först, med ljus, du kan skicka data med mycket högre frekvenser utan betydande energiförluster som med kopparkablar. Andra, med optik, du kan använda många olika färger av ljus i en fiber och var och en kan bära en datakanal. Fibrerna kan också packas närmare tillsammans än koppartrådar utan överhörning. "

Förr, framsteg för att integrera en fotonisk förmåga på toppmoderna chips som används i datorer och smartphones hindrades av en tillverkningsspärr. Moderna processorer möjliggörs av högt utvecklade industriella halvledartillverkningsprocesser som kan stryka ut en miljard transistorer som fungerar tillsammans på ett chip. Men dessa tillverkningsprocesser är finjusterade och att utforma en metod för att inkludera optiska enheter på chips samtidigt som den nuvarande elektriska kapaciteten är intakt visade sig vara svår.

Den första stora framgången med att övervinna denna vägspärr var 2015 när samma grupp forskare publicerade en annan uppsats i Natur som löste detta problem, men gjorde det i en begränsad kommersiellt relevant miljö. Papperet visade världens första mikroprocessor med en fotonisk dataöverföringsförmåga och tillvägagångssätt för att tillverka den utan att ändra den ursprungliga tillverkningsprocessen-ett koncept som forskarna har kallat en nolländringsteknik. Ayar Labs, Inc., en start som Ram, Popovic och Stojanovic var med och grundade, har nyligen samarbetat med den stora halvledarindustritillverkaren GlobalFoundries för att kommersialisera denna teknik.

Dock, detta tidigare tillvägagångssätt var tillämpligt på en liten bråkdel av toppmoderna mikroelektroniska chips som inte inkluderade den vanligaste typen, som använder ett utgångsmaterial som kallas bulkkisel.

I det nya papperet forskarna presenterar en tillverkningslösning som är tillämplig på även de mest kommersiellt utbredda flisarna baserade på bulkkisel, genom att introducera en uppsättning nya materialskikt i den fotoniska bearbetningsdelen av kiselchipet. De visar att denna förändring tillåter optisk kommunikation utan negativ påverkan på elektronik. Genom att arbeta med toppmoderna halvledartillverkningsforskare vid CNSE Albany för att utveckla denna lösning, forskarna såg till att alla processer som utvecklades sömlöst kunde infogas i dagens tillverkning på industrinivå.

"Genom att noggrant undersöka och optimera egenskaperna hos de extra materialskikten för fotoniska enheter, vi lyckades demonstrera toppmodern prestanda på systemnivå när det gäller bandbreddstäthet och energiförbrukning samtidigt som vi startade från en mycket billigare process jämfört med konkurrerande teknik, "säger Fabio Pavanello, en tidigare postdoktor från Popovics forskargrupp som är en första författare av tidningen med både Amir Atabaki, en forskare vid MIT, och Sajjad Moazeni, en doktorand vid UC Berkeley. "Det tog ett stort samarbete under flera år av våra tre grupper inom olika discipliner för att uppnå detta resultat, "tillägger Atabaki.

Den nya plattformen, som ger fotonik till toppmoderna bulk-kisel-mikroelektroniska chips, lovar snabbare och mer energieffektiv kommunikation som kan förbättra dator- och mobila enheter avsevärt. Tillämpningar utöver traditionell datakommunikation inkluderar att påskynda utbildningen av djupinlärande artificiella neurala nätverk som används i bild- och taligenkänningsuppgifter, och billiga infraröda LIDAR-sensorer för självkörande bilar, smartphone -ansiktsidentifiering och augmented reality -teknik. Dessutom, optiskt aktiverade mikrochips kan möjliggöra nya typer av datasäkerhet och maskinvaruautentisering, kraftfullare chips för mobila enheter som fungerar på femte generationens (5G) trådlösa nätverk, och komponenter för kvantinformationsbehandling och beräkning.

"För de mest avancerade nuvarande toppmoderna och framtida halvledartillverkningstekniker med elektroniska transistormått under 20 nm, det finns inget annat sätt att integrera fotonik än detta tillvägagångssätt. ", avslutade Vladimir Stojanovic, vars team ledde en del av arbetet, "Alla materialskikt som används för att bilda transistorer blir för tunna för att stödja fotonik, så de extra lagren behövs. "