Ibm: создан сверхбыстрый фотодиод для оптической связи между микросхемами

Ученые корпорации IBM сообщили о важном шаге в направлении замены электрических сигналов, связывающих между собой электронные микросхемы через медные провода, миниатюрными кремниевыми каналами связи, передающими информацию в форме световых импульсов. Устройство, получившее название «нанофотонный лавинный фотодиод» (nanophotonic avalanche photodetector), является самым быстродействующим в своем роде; по словам создателей, оно способно привести к настоящему технологическому прорыву в области энергетически эффективных вычислений, что может оказать значительное влияние на будущее электроники.

Устройство IBM использует эффект «лавинного умножения» (т.н. лавина Таунсенда), свойственный германию, полупроводниковому материалу, который в настоящее время широко применяется в производстве микропроцессорных кристаллов. Этот эффект действует подобно снежной лавине на крутом горном склоне - входной световой импульс в первый момент освобождает лишь малое число носителей электрического заряда, которые, в свою очередь, освобождают других; таким образом, исходный сигнал многократно усиливается. Обычные лавинные фотодиоды, однако, не могут детектировать быстрые оптические сигналы, поскольку лавина формируется относительно медленно.

«Это изобретение делает концепцию оптических межсоединений в кристалле намного ближе к практической реальности, - подчеркнул доктор Т.Ч. Чен (T.C. Chen), вице-президент подразделения IBM Research по науке и технологиям. - С оптическими линиями связи, встроенными в процессорные чипы, создание энергетически эффективных компьютерных систем с производительностью эксафлопного (exaflop) уровня будет не слишком отдаленной перспективой».

Продемонстрированный IBM лавинный фотодиод является самым быстрым в своем роде устройством. Он способен получать информационные сигналы со скоростью 40 Гбит/с и одновременно десятикратно их усиливать. Более того, устройство работает при напряжении питания всего 1,5 В, что в 20 раз меньше, чем у подобных устройств, демонстрировавшихся ранее. Таким образом, множество этих миниатюрных коммуникационных устройств потенциально смогут питаться от маленькой батарейки типоразмера AA, тогда как для питания обычных лавинных фотодиодов требуется напряжение 20-30 В.

Изображение массива нанофотонных лавинных фотодиодов на кремниевой микросхеме, полученное с помощью оптического микроскопа
«Это впечатляющее улучшение в производительности является результатом умелого манипулирования оптическими и электрическими свойствами на уровне всего нескольких десятков атомов, чтобы позволило достичь показателей производительности, значительно выходящих за традиционные рамки, - отметил доктор Соломон Ассефа (Solomon Assefa), основной автор статьи. - Эти крошечные устройства способны улавливать очень слабые импульсы света и многократно усиливать их, обеспечивая беспрецедентную пропускную способность каналов обмена данными при минимальных паразитных шумах».

В устройстве IBM эффект лавинного умножения реализован на уровне всего нескольких десятков нанометров и протекает он очень быстро. Кроме того, благодаря столь миниатюрным размерам, шумы, порождаемые усилением оптического сигнала, подавляются на 50-70% по сравнению с обычными лавинными фотодиодами. Устройство IBM создано из кремния и германия - полупроводниковых материалов, широко применяемых в производстве микропроцессорных чипов. Более того, устройство IBM создано с помощью стандартных процессов, используемых в полупроводниковой промышленности при изготовлении микросхем. Таким образом, «бок о бок» с кремниевыми транзисторами можно производить тысячи элементов, подобных продемонстрированному устройству IBM, для построения внутрипроцессорных оптических каналов обмена данными с высокой пропускной способностью.

Достижение в области лавинных фотодиодов - последнее по времени в ряду предыдущих анонсов исследовательской организации IBM Research - является также последним «кусочком пазла», завершающим картину разработки «нанофотонного инструментария», необходимого для создания межсоединений в кристалле чипа:В декабре 2006 года ученые IBM продемонстрировали нанофотонную кремниевую линию задержки, которая была применена для буферизации более байта данных, закодированных в виде оптических импульсов - обязательное условие создания буферных областей памяти для встроенных в микросхему оптических каналов обмена данными.В декабре 2007 года ученые IBM объявили о разработке сверхкомпактного электрооптического модулятора, преобразующего электрические сигналы в импульсы света, что стало предпосылкой, определившей потенциальную возможность создания внутрипроцессорных оптических коммуникационных каналов. В марте 2008 года ученые IBM анонсировали изобретение самого миниатюрного в мире нанофотонного коммутатора для «управления трафиком» обмена данными по внутренним оптическим коммуникационным каналам микросхемы, подтвердив, тем самым, что «оптические сообщения» можно эффективно маршрутизировать.Дополнительную информацию об этих исследованиях компании можно найти на сайте IBM.

Ранее редакция THG сообщала, что исследовательская организация корпорации IBM разработала революционный метод, основанный на математическом алгоритме, который уменьшает на два порядка вычислительную сложность, расходы и потребление электроэнергии при анализе качества больших объемов данных. Новый метод очень поможет предприятиям быстрее и эффективнее извлекать и использовать данные для создания более точных и лучше прогнозирующих моделей.