Datacenter – dedikerade utrymmen för lagring, bearbetning och spridning av data – möjliggör allt från cloud computing till videostreaming. I processen förbrukar de en stor mängd energi för att överföra data fram och tillbaka inuti centret. Med efterfrågan på data som växer exponentiellt finns det ett ökande tryck för datacenter att bli mer energieffektiva.

Datacenter inrymmer servrar, kraftfulla datorer som pratar med varandra genom sammankopplingar, som är fysiska anslutningar som möjliggör utbyte av data. Ett sätt att minska energiförbrukningen i datacenter är att använda ljus för att kommunicera information med elektriskt styrda optiska switchar som styr ljusflödet, och därmed information, mellan servrar. Dessa optiska switchar måste vara multifunktionella och energieffektiva för att stödja den fortsatta expansionen av datacenter.

I en artikel publicerad online den 4 juli i Nature Nanotechnology , rapporterade ett team ledd av forskare vid University of Washington designen av en energieffektiv, kiselbaserad icke-flyktig switch som manipulerar ljus genom användning av ett fasförändringsmaterial och grafenvärmare.

"Den här plattformen tänjer verkligen på gränserna för energieffektivitet", säger medkorrespondent författare Arka Majumdar, en UW-docent i fysik och i elektro- och datorteknik, samt en fakultetsmedlem vid UW Institute for Nano-Engineered Systems och Institutet för molekylär- och ingenjörsvetenskap. "Jämfört med vad som för närvarande används i datacenter för att styra fotoniska kretsar, skulle den här tekniken kraftigt minska energibehoven i datacenter, vilket gör dem mer hållbara och miljövänliga."

Kiselfotonikomkopplare används i stor utsträckning delvis eftersom de kan tillverkas med hjälp av väletablerade halvledartillverkningstekniker. Traditionellt har dessa omkopplare ställts in genom termisk effekt, en process där värme appliceras – ofta genom att en ström passerar genom en metall eller halvledare – för att ändra de optiska egenskaperna hos ett material i omkopplaren och därmed ändra ljusets väg. Men inte bara är denna process inte energieffektiv, utan de förändringar som den framkallar är inte permanenta. Så snart strömmen tas bort återgår materialet till sitt tidigare tillstånd och anslutningen – och informationsflödet – bryts.

För att ta itu med detta skapade teamet, som inkluderar forskare från Stanford University, Charles Stark Draper Laboratory, University of Maryland och Massachusetts Institute of Technology, en "ställ och glöm"-omkopplare som kan upprätthålla anslutningen utan extra energi. De använde ett fasförändringsmaterial som är icke-flyktigt, vilket betyder att materialet omvandlas genom att kortvarigt värma det, och det förblir i det tillståndet tills det får en annan värmepuls, vid vilken tidpunkt det återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Detta eliminerar behovet av att ständigt mata in energi för att bibehålla det önskade tillståndet.

Tidigare har forskare använt dopat kisel för att värma fasförändringsmaterialet. Enbart kisel leder inte elektricitet, men när det selektivt dopas med olika element som fosfor eller bor, kan kisel både leda elektricitet och sprida ljus utan överdriven absorption. När en ström pumpas genom det dopade kislet, kan det fungera som en värmare för att växla tillståndet för fasförändringsmaterialet ovanpå det. Haken är att detta inte heller är en särskilt energieffektiv process. Mängden energi som behövs för att byta fasväxlingsmaterialet liknar den mängd energi som används av traditionella termoptiska strömbrytare. Detta beror på att hela det 220 nanometer (nm) tjocka dopade kiselskiktet måste värmas för att omvandla endast 10 nm av fasförändringsmaterial. Mycket energi går till spillo på att värma upp en så stor volym kisel för att byta en mycket mindre volym fasförändringsmaterial.

"Vi insåg att vi var tvungna att ta reda på hur vi skulle minska volymen som behövde värmas upp för att öka effektiviteten hos switcharna", säger huvud- och medkorrespondent författare Zhuoran (Roger) Fang, en doktorand i UW i el och dator. ingenjör.

Ett tillvägagångssätt skulle vara att göra en tunnare kiselfilm, men kisel sprider sig inte ljuset bra om det är tunnare än 200 nm. Så istället använde de ett odopat 220 nm kisellager för att sprida ljus och introducerade ett lager av grafen mellan kisel och fasförändringsmaterial för att leda elektricitet. Precis som metall är grafen en utmärkt ledare av elektricitet, men till skillnad från metall är den atomär tunn - den består av bara ett enda lager av kolatomer ordnade i ett tvådimensionellt bikakenät. Denna design eliminerar slöseri med energi genom att styra all värme som genereras av grafenen för att gå till att ändra fasförändringsmaterialet. Faktum är att kopplingsenergitätheten för denna uppställning, som beräknas genom att ta kopplingsenergin dividerad med volymen av materialet som växlas, är bara 8,7 attojoule (aJ)/nm ³ , en 70-faldig minskning jämfört med de allmänt använda dopade kiselvärmarna, den nuvarande toppmoderna. Detta är också inom en storleksordning av den grundläggande gränsen för växlingsenergitäthet (1,2 aJ/nm ³ ).

Även om användning av grafen för att leda elektricitet inducerar vissa optiska förluster, vilket innebär att en del ljus absorberas, är grafen så tunn att inte bara förlusterna är minimala, utan fasförändringsmaterialet kan fortfarande interagera med ljuset som fortplantar sig i kiselskiktet. Teamet fastställde att en grafenbaserad värmare på ett tillförlitligt sätt kan växla tillståndet för fasförändringsmaterialet mer än 1 000 cykler. Detta är en anmärkningsvärd förbättring jämfört med de dopade silikonvärmarna, som bara har visat sig ha en uthållighet på cirka 500 cykler.

– Inte ens 1 000 räcker, sa Majumdar. "Praktiskt sett behöver vi ungefär en miljard cyklers uthållighet, vilket vi för närvarande arbetar med."

Nu när de har visat att ljus kan styras med hjälp av ett fasförändringsmaterial och grafenvärmare, planerar teamet att visa att dessa switchar kan användas för optisk dirigering av information genom ett nätverk av enheter, ett viktigt steg mot att etablera deras användning i datacenter. De är också intresserade av att tillämpa denna teknik på kiselnitrid för att dirigera enstaka fotoner för kvantberäkning.

"Möjligheten att kunna ställa in de optiska egenskaperna hos ett material med bara en atomärt tunn värmare är en spelomvandlare", säger Majumdar. "Den exceptionella prestandan hos vårt system när det gäller energieffektivitet och tillförlitlighet är verkligen ovanlig och kan bidra till att främja både informationsteknik och kvantberäkning."

Ytterligare medförfattare inkluderar UW:s el- och datateknikstudenter Rui Chen, Jiajiu Zheng och Abhi Saxena; Asir Intisar Khan, Kathryn Neilson, Michelle Chen och Eric Pop från Stanford University; Sarah Geiger, Dennis Callahan och Michael Moebius från Charles Stark Draper Laboratory; Carlos Rios från University of Maryland; och Juejun Hu från Massachusetts Institute of Technology. + Utforska vidare

Forskare går närmare att kontrollera tvådimensionell grafen