Волоконно-оптические линии связи уже являются основным методом передачи данных между кластерами компьютеров в центрах обработки данных, и инженеры хотят передать свою невероятную пропускную способность процессору. Стоимость этого шага, по мнению исследователей из Университета Торонто и Арм, может значительно сократиться.
Компоненты кремниевой фотоники огромны по сравнению с их электронными аналогами. Это функция того, что длины оптических волн намного больше, чем у современных транзисторов и медных межсоединений, которые связывают их вместе в цепи. Кремниевые фотонные компоненты также удивительно чувствительны к изменениям температуры, настолько, что фотонные чипы должны включать в себя нагревательные элементы, которые занимают примерно половину их площади и потребления энергии, как объяснил в прошлом месяце Чарльз Лин, один из команды Университета Торонто. на Международной конференции по электронным устройствам IEEE .
На виртуальной конференции Лин , исследователь из лаборатории Амра С. Хелми , описал новые компоненты кремниевого приемопередатчика, которые позволяют избежать обеих этих проблем, полагаясь на плазмонику вместо фотоники. На данный момент результаты указывают на трансиверы, способные как минимум вдвое увеличить пропускную способность, потребляя при этом лишь треть энергии и занимая всего 20 процентов площади. Более того, они могут быть построены прямо на процессоре, а не на отдельных чиплетах, как это делается в кремниевой фотонике.
Когда свет падает на границу раздела между металлом и изолятором под небольшим углом, он образует плазмоны: волны электронной плотности, распространяющиеся по поверхности металла. Удобно, что плазмоны могут перемещаться по волноводу, который намного уже, чем свет, который его формирует, но они обычно очень быстро исчезают, потому что металл поглощает свет.
Гибридный плазмонный волновод может обрабатывать более чем в три раза больше данных.
Изображение: AS Helmy Group / Университет Торонто
Как часть системы приемопередатчиков, фотодетектор на основе гибридного плазмонного волновода может обрабатывать более чем в три раза больше данных, чем система кремниевой фотоники.
Исследователи из Торонто изобрели структуру, чтобы воспользоваться преимуществом меньшего размера плазмоники при значительном сокращении потерь. Названный связанным гибридным плазмонным волноводом (CPHW), он по существу представляет собой стопку, состоящую из кремния, проводящего оксида индия и олова, диоксида кремния, алюминия и других элементов кремния. Эта комбинация формирует два типа полупроводниковых переходов - диод Шоттки и металл-оксид-полупроводник - с алюминием, который содержит общий плазмон между ними. По словам Линь, внутри металла плазмон в верхнем переходе мешает плазмону в нижнем переходе таким образом, что потери уменьшаются почти на два порядка.
Используя CPHW в качестве основы, группа из Торонто построила два ключевых компонента фотоники - модулятор, который превращает электронные биты в фотонные биты, и фотодетектор, который делает обратное. (Как это делается в кремниевой фотонике, отдельный лазер обеспечивает свет; модулятор блокирует свет или пропускает его для представления битов.) Модулятор занимал всего 2 квадратных микрометра и мог переключаться с частотой до 26 гигагерц, предел экипировка команды Торонто. Основываясь на измеренной емкости устройства, реальный предел может достигать 636 ГГц. Плазмонный фотодетектор был близок матчем чувствительности кремниевой фотоники, но это было только 1/36 го размера.
Одним из самых больших преимуществ CPHW является отсутствие чувствительности к температуре. Компоненты кремниевой фотоники имеют температурный допуск, который не может отклоняться более чем на один градус, чтобы они могли работать на правильной длине волны. Температурная чувствительность - «большая проблема для кремниевой фотоники», - объясняет Сураб Синха , главный инженер-исследователь компании Arm. Управление этим допуском требует как дополнительных схем, так и потребления энергии. В смоделированной 16-канальной кремниевой фотонике нагревательные цепи приемопередатчика потребляют половину энергии схемы и занимают почти эту часть их общей площади, что приводит к огромной разнице в площади: 0,37 мм 2 для кремниевой фотоники против 0,07 мм 2 для плазмонных приемопередатчиков .
Моделирование плазмонного приемопередатчика на основе CPHW предсказывает ряд преимуществ по сравнению с кремниевой фотоникой. Система CPHW потребляла менее одной трети энергии на передаваемый бит конкурирующей кремниевой фотонной системы - 0,49 пикоджоулей на бит по сравнению с 1,52 пДж / байт. Он может с комфортом передавать более чем в три раза больше битов в секунду при приемлемой частоте ошибок Ethernet, не полагаясь на исправление ошибок - 150 гигабит в секунду против 39 Гбит / с.
Синха говорит, что Арм и группа из Торонто обсуждают следующие шаги, и они могут включать изучение других потенциальных преимуществ этих трансиверов, таких как тот факт, что CPHW могут быть построены на базе процессорных чипов, в то время как кремниевые фотонические устройства должны быть изготовлены отдельно от процессора, а затем подключены. к ним внутри корпуса процессора с использованием технологии чиплетов .