HighTech Разработчики чипов не понаслышке знают о том, что для передачи данных световые лучи гораздо эффективнее медных проводов. Главное преимущество так называемых оптических соединений заключается в том, что их диапазон частот гораздо больше, чем у обычных проводов, и это позволяет значительно увеличить скорость работы процессора. Однако чтобы создать нечто подобное, нужно решить очень трудную задачу: соединить в одной технологии фотоэлектрику и электронику.
Недавно группа исследователей и ученых впервые предложила способ совмещения транзисторных и оптических микросхем на одном чипе, не требующий масштабной переработки процесса создания чипов. Ученые использовали собственную разработку для постройки интегральной схемы, содержащей 70 миллионов транзисторов и 850 световых компонентов, синергия которых предоставляет все необходимые для стабильной работы процессора функции, в том числе наличие логического узла, межсистемную связь и накопление информации.
Группа инженеров из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Беркли и Колорадского университета в Булдере основали стартап, цель которого - запуск серийного производства чипов изобретенным ими способом, получившим название "подход, не требующий изменений" (англ. zero-change approach). Этот способ задействует стандартную КМОП-технологию, которая повсеместно используется в процессе сборки современных компьютерных чипов и 45-нанометровых узлов, которая была впервые представлена в 2007 году. "Мы оставили этот процесс без изменений",- рассказал в своем интервью издательству Nature ведущий автор исследования и идейный вдохновитель команды Чен Сун.
Итак, для создания своих инновационных чипов ученые берут за основу кремниевую подложку и покрывают ее 200-нанометровым слоем двуокиси кремния, выступающим в качестве изоляционного материала. Затем к архитектуре добавляется активный слой из кристаллического кремния, ширина которого составляет 100 нанометров, после чего на него наносится такой же по ширине слой нитридов и диэлектриков. Кристаллический кремний включает в себя небольшое количество германия, способного деформировать кремний и тем самым еще сильнее ускорять быстродействие микросхем.
"Все эти процессы, применяемые в сборке современных микрочипов, мы можем применять и для создания своих процессоров",- заявил Сун. Сконструированные ими процессоры обладают двухъядерной RISC-V архитетурой. Эта структура системы команд изобретена в Университете Беркли несколько лет назад и находится в открытом доступе. Кроме того, в эти процессоры также включен 1 мегабайт матричной памяти SRAM (статическое запоминающее устройство с произвольной выборкой).
Один из ключевых компонентов фотонной части чипа - это резонатор в виде микроскопического кольца, диаметр которого составляет всего 10 микрометров. В архитектуре микросхемы он выполняет функции волновода. Ученые также задействовали в структуре те же элементы, используемые для осуществления p-n перехода в обычных транзисторах, что позволило создать заграждающий фильтр, пропускающий только свет с определенной длиной волны.
Кроме того, микрокольцо также обеспечивает функционирование фотодетектора. В обычных чипах длина созданного на основе кремния-германия фотодетектора должна составлять от нескольких миллиметров до сантиметра, чтобы таким образом получить возможность поглотить достаточно фотонов и определить свет. Однако микрокольцо пропускает через себя свет очень много раз, так что кремниево-германиевый фотодетектор без проблем поглощает столько фотонов, сколько необходимо.
Такой вид резонаторов существует уже давно, однако Сун заявляет, что "большинство производителей его просто игнорируют", поскольку при нагревании их показатели преломления меняются и отклоняются от заданной длины волны. Чтобы преодолеть этот недостаток, ученые создали активный термический стабилизатор. Их стабилизационная система состоит из раздельного фотодетектора и цифрого контроллера. Если детектор фиксирует изменения в количества входящего светопотока, контроллер изменяет подаваемое на микрокольцо напряжение в зависимости от его температуры.
Сун надеется, что основанный им стартап под названием Ayar Labs достигнет своей цели и добьется запуска массового производства процессоров по новой технологии в течение следующих нескольких лет, однако некоторые эксперты смотрят на такую перспективу довольно скептически. Профессор электроинженерии и физики в Центре исследования фотоэлектрики Университета Южной Калифорнии Энтони Леви считает, что, хотя вовлеченным в создание оптоэлектронного процессора стоит воздать должное за то, что они смогли совместить электронику и фотоэлектрику в одном чипе, он сомневается, что придуманный ими подход действительно практичен. "Проблемы и недостатки кремниевой фотоэлектрики остались теми же, какими были всегда: чрезмерные оптические потери, слишком большое рассеивание мощности, слишком много пространства, необходимого для выстраивания архитектуры",- заявил Леви.
Он также добавил, что Исследовательское агентство перспективных проектов и исследования США, финансировавшее разработку, "вложило в кремниевую фотоэлектрику колоссальные средства", однако вряд ли за ними последуют производители и потребители. "Даже если технология окажется по-настоящему работоспособной, ей придется столкнуться с противодействием со стороны производителей, которые с трудом будут адаптироваться под новый подход".